книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

водах путем нагревания продукта переработки нефти — газолина * и транспортируют в жидком состоянии в специальных цистернах с хорошей теплоизоляцией.

Ввиду различной упругости пара у пропана и бутана соотноше­ ние между ними в сжиженном газе может с течением времени из­ меняться —• это основной недостаток пропан-бутановой смеси. ■

Для огневой обработки кварцевого стекла в качестве топливно­ го газа применяют водород; он не содержит сернистых примесей и поэтому водородно-кислородное пламя рекомендуется применять также для заварки миниатюрных приемно-усилительных ламп (ПУЛ) с оксидными катодами, в которых вероятность отравления катодов примесями горючих газов велика.

Свойства горючих газов

Основной характеристикой горючего газа является его тепло­ творная способность — количество тепла в больших калориях, ко­ торое выделяется при полном сгорании 1 jw3 газа. Природные газы имеют приблизительно в 3,5 раза большую теплотворную способ­ ность, чем водяной газ, и в 2 раза большую, чем карбюрированный газ (табл. 5). С повышением теплотворной способности газа увели­ чивается количество воздуха, необходимого для его полного сгора­ ния. На каждые 1000 кал тепла, выделяемого при горении газа,

расход воздуха составляет приблизительно 1 м3. Практически для полного сгорания на один объем искусственного газа требуется 3—5 объемов воздуха, в то время как на один объем природного

* Сжиженный газ состоит из летучих фракций газолина.

160

газа (имеющего более высокую теплотворную способность) требует­

газа в этой точке внешний нагрев становится излишним — выделя­ ющееся ори горении тепло самопроизвольно передается всему объ­ ему горючей смеси распространением пламени.

Температура воспламенения зависит от состава, давления и спо­ соба нагрева газовоздушной смеси. Природный газ имеет более вы­ сокую температуру воспламенения, чем водяной (см. табл. 5). В го­ релках для облегчения поджигания газовоздушной смеси природ­ ного газа применяют никелевые сетки; это объясняется тем, что ни­ кель (а также палладий) является катализатором, снижающим температуру воспламенения.

Нижним пределом воспламенения газа называется то наимень­ шее его содержание в смеси с воздухом (выраженное в % от всего объема смеси), при котором еще может произойти воспламенение газа.

Верхним пределом — наибольшее процентное содержание горю­ чего газа в смеси с воздухом, при котором еще может произойти воспламенение. При содержании газа в газовоздушной смеси ниже нижнего или выше верхнего предела воспламенение Таза не проис­ ходит.

Под теоретической температурой горения подразумевают мак­ симальную температуру пламени, котораядостигается при сгорании газа с теоретически необходимым количеством воздуха.

Повышения теоретической температуры горения (температуры пламени) можно достигнуть следующими способами:

увеличением теплотворной способности горючего газа; уменьшением объема и теплоемкости продуктов горения; уменьшением содержания в горючей смеси негорючих балласт­

ных газов (азота, двуокиси углерода).

Температура горения искусственных газов превышает темпера­ туру горения природных газов, несмотря на меньшую теплотвор­ ную способность искусственных газов (см. табл. 5). Например, тео­ ретическая температура горения карбюрированного газа 2270° С, а природного саратовского всего 1900° С. Это объясняется тем, что для сгорания искусственных газов требуется меньшее количество воздуха, чем для сгорания природных газов, и соответственно газовоздушная смесь искусственных газов содержит значительно мень­ ше негорючего балласта (азота, двуокиси углерода). По этой же причине водород имеет более высокую температуру горения, чем природные газы, хотя его теплотворная способность в три раза мень­ ше, чем у метана.

Наиболее высокую температуру горения (^2900° С) обеспечи­

вает газокислородная смесь. Это объясняется следующим. При сжи­ гании одного и того же горючего газа как в воздухе, так и в кисло­ роде выделяется одинаковое количество тепла, а температура пла­ мени оказывается разной. При горении газа в воздухе тепло расхо­ дуется на нагрев продуктов горения и на непроизводительный на­ грев балластных газов, содержащихся в воздухе. При замене воздуха кислородом в горючей смеси отсутствуют балластные газы и соответственно то же количество тепла обеспечивает нагрев пламе­ ни до более высокой температуры. Частичную или полную замену воздуха кислородом допускается производить в тех случаях, когда требуется нагреть детали до высокой температуры и за короткий промежуток времени, например, при штамповке ножек и заварке ЭВП. Обогащение воздуха кислородом особенно целесообразно при работе на природном газе (так как он имеет низкую теоретическую температуру горения).

Нагрев изделия продуктами сгорания газообразного топлива вы­ зывается двумя процессами:

1) теплоотдачей продуктов сгорания газа при их соприкоснове­ нии с поверхностью обрабатываемого изделия;

2) излучением энергии продуктами сгорания газа с последую­ щим поглощением этой лучистой энергии нагреваемым изделием и превращением ее в тепло. '

§ 46. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОВЫХ ГОРЕЛОК

Для сжигания горючих газовоздушных или газокислородных смесей служит специальная газовая арматура, основным узлом ко­ торой являются газовые горелки.

Конструкции горелок выбирают в зависимости от их назначения, состава горючей смеси и принципа ее сжигания.

Газовые горелки по составу горючей смеси подразделяют на га­ зовоздушные, газокислородные и водородно-кислородные, а по принципу сжигания горючей смеси — на пламенные и беспламен­ ные.

Пламенные горелки

Пламенные горелки образуют светящийся факел, причем цвет факела зависит от его температуры.

В свою очередь, по способу получения горючей смеси пламенные

Диффузионные горелки характеризуются отсутствием первично­ го воздуха в горючей смеси — в эти горелки подается только газ.

162

Трехпроводные смесители применяют для горючей смеси, со­ стоящей из трех компонентов: газа, воздуха и кислорода. В трех­ проводных смесителях сначала подсасывается кислород к воздуху, а затем — газ к воздушно-кислородной смеси.

Газ и воздух или кислород подаются в смеситель под избыточ­ ным давлением, обычно в пределах от 20 до 350 мм вод. ст. От дав­ ления горючей смеси зависит форма пламени, распределение и степень концентрации тепла пламени на обрабатываемом изделии.

Большое практическое применение находят одноотверстиые и многоотверстные горелки с предварительным смешением газа и воздуха.

В одноотверстных горелках рабочий факел пламени образуется струей горючей смеси, выходящей из одного отверстия в сопле го­ релки.

В многоотверстных горелках рабочий факел образуется струей горючей смеси, выходящей из нескольких отверстий в сопле горедки.

канала 4 с диаметром 0,4—0,6 мм. От диаметра и расположения от­ верстий в каналах зависит форма и направление пламени и произ­ водительность .горелки.

Газовоздушная смесь выходит из центрального осевого и бо­ ковых каналов в сопле горелки с различными скоростями. Из от­ верстия осевого рабочего канала горючая смесь выходит с большой скоростью и при сгорании ее образуется рабочий факел.

Из боковых отверстий смесь выходит с малой скоростью и раз­ деляется гофрированной звездочкой («гармошкой») на мелкие струйки, которые при сгорании образуют запальный факел. Запаль­ ное кольцо пламени равномерно окружает длинный рабочий (цент­ ральный) факел пламени, непрерывно подогревает его, не давңя ему гаснуть и отрываться от горелки. При отсутствии запального пла­ мени особенно неустойчивое горение наблюдается при избытке пер­ вичного воздуха в газовоздушной смеси. Запальное пламя не тре­ буется в горелках, работающих на газах с большим содержанием водорода.

По конструкции многоотверстные горелки могут быть барабан­ ными, коробчатыми, ленточными, щелевыми и других видов. Прін

164

менение в этих горелках сопла с несколькими малыми отверстиями (вместо сопла с одним большим отверстием) позволяет укоротить размер рабочего факела пламени. Это объясняется тем, что длина пламени пропорциональна диаметру отверстия в горелке. Многоотверстные короткопламенные горелки имеют высокую теплопроизво­ дительность в результате хорошего контакта между газом и возду­ хом. Зажигательный — запальный пояс в таких горелках создается узкими щелями, расположенными по обе стороны рядов основных отверстий.

вой частью для присоединения к газопроводу. .Газовоздушную смесь из смесителя подводят в корпус горелки. Там она разделяется на два потока. Первый поток смеси устремляется в основные отвер­ стия сопла и образует на выходе рабочий факел; второй поток смеси идет через запальные отверстия и, замедляя скорость при проходе через камеру расширения, создает у выхода раздельные струйки запального факела. Сетки 3 являются ловушкой для меха­ нических примесей и предохранителем от обратного проскока пла­ мени в трубопровод. Сеточный валик 7 служит для разделения по­ тока на ряд струек и обеспечивает тем самым устойчивое запаль­ ное пламя.

Когда необходимо сконцентрировать выделение большого коли­ чества тепла на небольшой площади, применяют веерные горелки (рис. 125). В этих горелках огни распределены радиально по ок­ ружности и скрещиваются в центре. Расстояние между противопо­ ложно установленными огнями должно быть достаточным, чтобы избежать перегрева и сильного завихрения пламени при столкнове­ нии двух встречных потоков газовоздушной смеси.

В электровакуумном производстве широко используют атмос­ ферную стеклодувную горелку «Пушка», в которой горючая смесь газа с воздухом и кислородом получается непосредственно в самой

- 165

горелке. Горелка «Пушка» имеет три крана — для подачи в нее воз­ духа, кислорода и газа. Передвижной запальник в горелке позво­ ляет регулировать величину и форму рабочего пламени.

При подборе оптимальных размеров горелок следует учитывать, что горелки для сжигания высококалорийных пропаи-бутановых смесей должны иметь запальные отверстия большего диаметра, а рабочие отверстия меньшего диаметра, чем горелки для менее ка­ лорийных природного и водяного газов. Это объясняется особен­ ностью сжигания высококалорийных газов: необходимостью пере­ мешивания малых количеств газа с большим количеством воздуха, большим расходом горючей смеси на запал, узкими пределами взрываемости газа, высокой температурой газовоздушной смеси и малой скоростью горения.

Беспламенные горелки

Беспламенное горение газа осуществляется путем соприкосно­ вения горючих газовых смесей с нагретой поверхностью твердого тела, непосредственно у которой происходит горение. Горение газа на раскаленной поверхности твердых тел значительно ускоряется. Нагретая твердая поверхность играет роль катализатора процесса горения (на ней происходит адсорбция горючего газа и воздуха, что улучшает контакт и облегчает химическое взаимодействие между ними).

ния газа, поэтому факел пламени практически отсутствует. Основной разновидностью беспламенных горелок являются ра­

диационные (рис. 126). В радиационной горелке горючий газ (при­ родный или пропан-бутановая смесь) сжигается на предварительно разогретой поверхности керамической чаши почти без образования пламени *.

* Обычно применяется огнеупорная керамика, шамот и динас.

166

Радиационная горелка работает следующим образом: в горел­ ку под определенным давлением подается газовоздушная смесь или отдельно газ и воздух. Проходя через щели сопла 1, смесь по­ падает на поверхность керамической чаши, где и сжигается. Выде­ ляющееся при сжигании тепло идет на повышение температуры про­ дуктов горения.и поверхности чаши. Температура керамической на­ садки должна превышать температуру воспламенения газа — это обеспечивает постоянный запал горючей смеси и полное ее сгора­ ние.

За счет тепла, выделяемого при сгорании газа, керамическая насадка раскаляется до высоких температур порядка 900—1000° С и начинает интенсивно излучать энергию в окружающее простран­ ство. Путем радиации (излучения) значительная часть тепловой энергии передается от раскаленной керамической чаши обрабаты­ ваемому изделию и нагревает его до требуемых температур. Пере­ дача энергии излучением позволяет значительно повысить предель­ но допустимую скорость разогрева стекла без его растрескивания (это особенно важно для толстостенных стеклянных изделий). Обычно накаленные тела начинают излучать видимый свет при тем­ пературе выше 600° С (цвет которого по мере повышения темпера­ туры постоянно изменяется от красного до голубого). По цвету све­ чения раскаленной керамической насадки можно судить об ее тем­ пературе и регулировать подачу газа и воздуха — это позволяет обеспечить обработку нагреваемых изделий в требуемом темпера­ турном режиме.

§ 47. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАМЕНИ

Пламя состоит из раскаленных продуктов сгорания горючих га­ зов.

Вэлектровакуумном производстве пламя в основном использует­ ся для огневой обработки стекла, например предварительного по­ догрева, размягчения, формовки, оплавления острых краев, изго­ товления отверстий, резки, сварки, отжига.

Взависимости от требований технологического процесса пламя должно иметь определенный химический состав, температуру, теп­ ловую мощность, форму и размеры факела, физико-химические свойства. Пламя может быть сильным или слабым, резким (жест­ ким) или мягким, длинным или коротким, светящимся или бесцвет­ ным, окислительным или восстановительным.

Характеристики пламени зависят от свойств топливного газа,

условий его сгорания, соотношения газа и кислорода, наличия не­ горючих газов (например, азота и углекислого газа), конструкции рабочего сопла горелок, давления, под которым подается горючая смесь, и т. д.

Действительная температура пламени значительно ниже теоре­ тической температуры горения газа и, в отличие от последней, за­ висит от условий сгорания газа, конструкции смесителей и горелок.

167

Это объясняется потерями тепла за счет конвекции нагретых про­ дуктов горения, лучеиспускания в окружающее пространство, а также передачи тепла окружающим предметам. Во всех случаях действительная температура пламени повышается при замене воз­ духа кислородом, предварительном подогреве газа и воздуха перед сгоранием, снижении потерь тепла. Действительная температура пламени уменьшается по сравнению с теоретической при удлинении факела пламени, при этом увеличиваются потери тепла с отходя­ щими газами и через лучеиспускание факела.

при температурном разложении метана, пропана, бутана и других углеводородов, входящих в состав сжиженных и природных горю­ чих газов. Раскаленные частицы углерода, излучают световую энер­ гию — это вызывает свечение восстановительного пламени. Углерод, содержащийся в пламени в виде сажи, при недостатке воздуха (кислорода) выделяется в виде копоти. При недостатке воздуха наиболее сильно коптит пламя сжиженного газа; пламя природного газа коптит несколько меньше. Пламя, не содержащее частиц сажи ввиду отсутствия углеводородов, например пламя водорода и водяного газа, бесцветно и почти совсем не образует копоти. Вос­ становительное пламя является «мягким» — имеет низкую тепло­ вую мощность. «Мягкие» огни характеризуются относительно невы­ сокой («1000—1050° С) температурой пламени, причем темпера­ тура по длине пламени примерно одинаковая (рис. 127). Восстано­ вительным пламенем рекомендуется обрабатывать алюмосиликат­ ные стекла.

При наличии в горючей смеси избытка кислорода происходит полное сгорание газа и образуется окислительное пламя. При пол­ ном сгорании газа продукты горения состоят только из негорючих газов, например С 02 и Н20. При избытке воздуха в горючей смеси углерод, находящийся в пламени в виде сажи, полностью сгорает

168

и превращается в двуокись углерода, и пламя не коптит. Факел пламени получается сине-фйЗлетовым, прозрачным и неоветящимся (ввиду полного сгорания частиц, которые излучали свет). Окисли­ тельное пламя является жестким — обеспечивает наибольшую теп­ ловую мощность. Температура «жесткого» окислительного пламени в различных точках факела различна (рис. 128).

смешиваемый с горючим газом) или только вторичный воздух (под­ сасываемый из атмосферы на выходе из горелки). Одноконусное пламя в зависимости от соотношения газа и воздуха может быть либо восстановительным, либо окислительным.

Факел пламени получается двухконусным, когда в процессе го­ рения одновременно участвует и первичный и вторичный воздух. Двухконусное пламя, в частности, имеют атмосферные горелки и горелки предварительного смешения. Двухконусное пламя содер­ жит как восстановительную, так и окислительную зону. В зависи­ мости от того, в какой участок двухконусного пламени помещается обрабатываемый предмет, он будет нагреваться до разных темпера­ тур и будет находиться в контакте с различными продуктами сго­ рания газа.

В двухконусном пламени визуально можно различить внутрен­ ний темный и внешний светлый конусы. Соотношение между дли­ нами внутреннего и внешнего конусов пламени зависит от состава горючей смеси. При замене первичного воздуха кислородом длина внутреннего конуса пламени сокращается. Внутренний темный ко­ нус (ядро) пламени состоит из нагретой, но еще не горящей смеси газа и первичного воздуха — это зона I пламени (рис. 129). На по­ верхности внутреннего конуса пламени часть газа сгорает при вза­

169