книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

-й( — ) Ч ,р/

с о 2%= 1 - *

СО — соотношение концентрации СО2 в факеле СО... = - со. %;

2% С О г ш а х k — коэффициент;

L — расстояние от кратера горелки до рассматриваемой точки в направлении оси факела, м\

dKp — диаметр кратера горелки, м.

Рис. 3.7. Влияние скорости потока иуПо на размеры факела:

/, 2 — для скорости и’П0 19 и 27 м/сек-, 3, 4 — кривые выгорания при скоростях и>„0 17 и 27 м/сек

Согласно рис. 3.7, в пределах конуса зажигания скорость wn (в кратере она принята за 100%) снижается, затем в зоне макси­ мальной турбулизации потока (вторая зона) она резко возрастает, после чего монотонно снижается до оптимального значения скорости потока дымовых газов в рабочем пространстве печи. Также видно, что с ростом скорости истечения смеси из кратера размеры факела по его оси увеличиваются.

Форсируя нагрузку горелки за счет изменения скорости в ее кратере, нужно помнить, что как только скорость wn в направлении нормали к изолинии СО2%= 0 превысит скорость горения ѵя, про­

изойдет отрыв пламени от кратера горелки или его срыв и горение смеси в зоне зажигательного пояса.

Количественная характеристика процесса горения природного газа (СН4= 5 9 —64; Н2= 2 7 —31; СпНт= 1— 1,1; СО= 2,6—3,3; СО2= 0 ,8 — 1,2; О2= 0 ,6 —1,4 и N2= 2 ,2 —4,6) при а = 1,02 — 1,05 пред­ ставлена кривыми выгорания (рис. 3.8). Сжигание топлива проис­ ходит в свободной струе (кривая /), керамическом туннеле (ли­ ния 2) и керамическом туннеле с турбулизирующей вставкой (линия 3). Графики достаточно наглядно показывают влияние тур­ булизирующей вставки на размеры факела.

62

опытные данные позволяют сделать заключение о влиянии диаметра кратера на длину факела. Как видно, с уменьшением dKp наблюда­ ется снижение длины видимого факела. Поэтому часто длину фа­ кела регулируют изменением dKр. При этом при неизменной тепло­ вой нагрузке должно возрастать общее число горелочных устройств в зоне. Последнее не всегда удается реализовать конструктивно.

Рис. 3.8. Кривые выгорания для природ­ ного газа

Нужно отметить, что установка кратера горелки в раскаленном туннеле приводит к устойчивому зажиганию рабочей смеси. В этом случае, конечно, при допустимых скоростях истечения смеси из кра­ тера, направленных по нормали к изолинии СО2%= 0, отрыва фа­

кела не наблюдается.

Размеры факела естественным образом связаны с теплонапряжением объема керамического туннеля, и это нельзя не учитывать при проектировании сжигательных устройств промышленных печей.

Вопросы, изложенные в этом параграфе, имеют принципиаль­ ное значение при проектировании туннельных горелочных устройств и организации процесса сжигания горючих газов

63

3.6. ТЕМПЕРАТУРА В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЕЧИ

При сгорании топлива с 1 > а ^ 1 в рабочем пространстве про­ мышленной печи образуются дымовые газы и устанавливается опре­ деленная температура. В каждой зоне, согласно температурному графику, должна поддерживаться заданная и обеспечивающая на­ грев металла температура, величина которой может быть проверена расчетно. Последнее делается для того, чтобы в реальных условиях работы температура не оказалась ниже того значения, которое за­ дается температурным графиком нагрева или термической обра­ ботки. Поэтому поверочному расчету подвергается зона, где поддер­ живается наиболее высокая температура газов. Во всех остальных зонах температура газов не рассчитывается, так как в этом нет острой необходимости. Причем, когда сжигается во всех зонах оди­ наковое топливо при постоянном подогреве воздуха-окислителя, теоретическая температура в них будет одна и та же. Следователь­ но, возможен лишь тот вариант, когда необходимо снизить ее вели­ чину в соответствии с температурным графиком. Последнее дости­ гается автоматическим регулированием за счет снижения подвода рабочей смеси к этим зонам. Ограничивая таким путем теплоприток в зону, можно поддерживать в зоне заданную температуру.

При оценке развиваемой в зоне температуры нужно помнить о ее условности, так как для этой цели используется пирометриче­ ский коэффициент, значение которого выбирается весьма прибли­ женно.

Совершенно очевидно, что температура, до которой нагревается металл, диктуется технологией обработки давлением или термообра­ ботки. Температура же продуктов сгорания топлива в печи никак не может быть ниже ее значения, ибо в противном случае не произой­ дет нагрев. Так, если температура поверхности металла в конце второй зоны, согласно технологии, а следовательно, и температур­

ного графика, равна /м2, то температура дымовых газов в этом месте

печи должна иметь более высокое значение, а именно

/г2=/.мг+А/г,

где А/2 — температурный перепад между газами и поверхностью

металла во второй зоне, 0 С.

Аналогично для печи, состоящей из /-числа зон, температура продуктов сгорания топлива в /-зоне

/гі-- /мгф-А/і.

Для камерной печи эта температура

/г.кам==/м.технЧ'А/,

где /м.техн — температура операции (задается технологической кар­ той или выбирается в соответствии со справочными данными).

64

Также не вызывает сомнения тот факт, что искомая темпера­ тура должна удовлетворять условию:

для методических и проходных печей

где A t— температурный перепад между продуктами сгорания и по­ верхностью заготовки или изделия, 0 С.

Численные значения Ah и At, входящие в выражения (3.53) и (3.54), как правило, задаются заранее.

Если при сопоставлении выражений (3.53) и (3.54) окажется, что найденные расчетным путем температуры tvi или /г . к а м соответ­ ственно удовлетворяют значениям /мі'-рА^і И Д і ; а м , то в зоне будет достигнута заданная технологией температура газов. Тогда в даль­ нейших расчетах используется не температура hi и ^г.кам, а соответ­ ственно 4 іг+ Д^ і или ^ м . техн+ Ді . Снижение же температуры tri и г!Г . к ам до значений 4іі+Д^< и /м.техп+ A f выполняется посредством задания требуемого регулируемого параметра с помощью задатчика блока автоматического регулирования температуры, который и поддержи­ вает ее на нужном уровне в течение работы печи. Вывод параметра температуры и поддержание его в определенных пределах также может осуществляться с помощью блока ручного регулирования температуры в зоне. Хуже если соотношения (3.53) и (3.54) не удовлетворяют расчетным температурам hi и £г.кам- В таких случаях необходим дополнительный подогрев воздуха-окислителя, а в ряде случаев и топлива. Максимальные температуры, до которых возмо­ жен подогрев воздуха и горючего газа, соответственно равны 700

и 400° С. Реже для повышения температуры в печи прибегают к обо­ гащению воздуха-окислителя кислородом (обычно до 30%). Конеч­ но, реализация последних предложений, касающихся повышения температуры газов в зоне, связана с рядом трудностей конструктив­ ного и технологического характера, поэтому топливо должно выби­ раться с учетом этих и целого ряда других обстоятельств.

При необходимости расчета величины подогрева горючего газа следует задаться температурой воздуха, после чего из уравнения теплопритока, составленного по приходу теплоты в зону (полагая, что температура продуктов сгорания известна ^п+А^г), расчетным путем находят искомую температуру.

Как уже отмечалось выше, всегда при определении темпера­ туры дымовых газов в зоне вначале находят калориметрическую температуру tm. Рассмотрим случай отыскания действительной тем­ пературы продуктов сгорания в печи с естественной атмосферой.

где tm— калориметрическая температура сгорания топлива;

г)п — пирометрический к. п. д. зоны (камеры) или всей печи, учи­ тывающий источники потерь теплоты.

Значения этого коэффициента для различных печей табулиро­ ваны [1].

Из выражения (3.55) видно, что для определения действитель­ ной температуры tr вначале необходимо найти калориметрическую температуру tm. Эта температура может быть найдена опытным путем или рассчитана по выражению

где QB' и QT' — соответственно количество теплоты, вносимое в ра­ бочее пространство с холодными воздухом и топли­ вом, ккал/нм3 (Мдж/нм3) :

QB' — Ѵо'срв' • 20

Если воздух-окислитель и горючий газ подогреваются, то кало­ риметрическая температура

QHP4~Qъ"Ч- Qтл

(3.59)

ЛѴіСрі

і—і

где QB" и Qi" — соответственно количество теплоты, поступающее в отсек с подогретыми воздухом и топливом.

Для большинства топлив, используемых в печах и прочих энер­ гетических установках, температура tm может быть выбрана из спе­ циально составленных диаграмм [30] и [31]. Диаграммы выполнены отдельно для каждого сорта топлива и представляют собой зави­ симость 2 Q = f (t m; tB"\ U") и а = \ (рис. 3.9, линия 1). Линии 2—8 отвечают коэффициенту избытка воздуха а > 1. При построении при­ нята параболическая зависимость теплоемкости ср' от температуры продуктов сгорания. Помимо изолиний сс, на графиках нанесены изотермы ів", отвечающие различному подогреву воздуха-окисли­ теля. Точки пересечения изотерм с линиями <x=const рассчитыва­ лись по формуле (3.59). При построении коэффициент избытка воз-

. 4

духа учитывался выражением Л УіаСрг'.

і—і

66

Действительная температура дымовых газов также может быть рассчитана по формуле

где 2 Qi — сумма потерь теплоты печью, отнесенных к 1 нм3 исход­ ного топлива, ккал/нм3 (Мдж/нм3) ;

Фдисс — теплота диссоциации СОг и НгО при температурах выше 1800° С, ккал/нм3 (Мдж/нм3) .

Анализ (3.60) показывает, что действительная температура tT в зоне (камере) может быть найдена только после составления ее теплового баланса. Поэтому для определения U чаще используются менее точные, но удобныекюотношения типа (3.57).

2 ViCpi' i = 1

где tm' — максимально возможная температура в зоне или каме­ ре (по аналогии с калориметрической температурой, но ниже по абсолютному значению, так как a d ) ;

Q,

<9-70°

&Ю3

QH'P — теплота сгорания топлива, выделяющаяся при a d ,

ккал/нм3 (Мдж/нм3) :

в дымовых газах зоны неполного горения, %;

JE Уі= ^ со+ ^ со2+ ^ н2+ ^ н2о+ VN2-

2 = 1

Максимально возможная температура выбирается в соответст­ вии с рис. 3.10. На рис. 3.11 представлена диаграмма Q = f { t m') для

68

природного газа с теплотворной способностью 8350 ккал/нм3. Анало­ гичные диаграммы составлены и для других видов топлив [16]. Увеличение температуры trn вследствие подогрева газа учитывается

Рис. 3.12. График для определения увеличения максимально возмож­ ной температуры:

1— і — соответственно для (^"=200; 400; 600 и 800° С

графиками (рис. 3.12). С учетом такого подогрева максимально воз­ можная температура

где Atm— увеличение максимально возможной температуры при неполном горении за счет подогрева горючего газа, ° С.

Температура tm', входящая в выражение (3.64), может быть взята из рис. 3.10.

3.7. КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧАХ

(1 > а ^ 1 )

Контроль процесса горения газообразного топлива в печи за­ ключается в анализе сухого состава дымовых газов.

С помощью газоанализатора замеряется процентное содержа­ ние R02 и 0 2. Считая, что, помимо R02, N2 и 0 2, сухие продукты сгорания содержат лишь некоторое количество СО (в результате неполного горения), можно записать [32]

69