Сопротивления при движении газов

При движении газов часть их энергии затрачивается на преодоление возникающих сопротивлений. Величина со­противлений при проектировании рассчитывается. Размер запроектированного сечения того или иного участка опре­деляет сопротивления, которые будут здесь возникать. От правильного выбора сечений, углов поворота, расположения регулирующих устройств и их количества зависит то, как в дальнейшем будет работать батарея.

Все сопротивления можно разделить на сопротивления трения и местные сопротивления, их выражают в долях ско­ростного напора . Скорость и плотность принима­ются при фактической температуре, которая в отопитель­ной системе печей является величиной изменяющейся. Поэтому удобней пользоваться при расчетах величинами w и , приведенными к нулю.

Подставив в выражение для скоростного напора значе­ния w_t=wT/273, _t=273/T, получаем сопротивления трения определяются по формуле

(11)

где — коэффициент трения; l — длина канала, м; d — эквивалентный диаметр, м. Коэффициент трения  является функцией критерия Рейнольдса. Для ламинарного потока газов он определяется по формуле  = 64/Re.

При турбулентном потоке в кирпичных каналах = 0,175/Re^0,12. При расчете отопительной системы коксовых печей коэффициент трения изменяется в пределах 0,03—0,06. Эквивалентный диаметр d равен 4F/L, где L — омываемый периметр, м.

Для сборных и распределительных каналов, в которых количество движущихся газов равномерно нарастает или убывает, сопротивление трения можно определить по формуле

(12)

где w_max—максимальная скорость в канале, м/с. Осталь­ные обозначения те же, что и в формуле (11), из которой выражение (12) получено интегрированием.

Местные сопротивления вычисляются по формуле

(13)

В формуле (13) —коэффициент местного сопротивления. Значения коэффициентов местных сопротивлений опреде­ляются экспериментально.

Ю. С. Васильев и А. Н. Вирозуб, отмечая, что движе­ние газов в насадке регенераторов является ламинарным, предложили следующую формулу для расчета гидравличе­ских сопротивлений в насадке:

P=(12H^’+7,6h+5,36)wn/b² (14)

где P — потеря напора, Па; Н' — высота насадочного кирпича без ножек, м; h — высота ножки, м; n— коли­чество рядов насадки; b — ширина канала, м.

При наличии на участке нескольких местных сопро­тивлений (поворот, расширение, регулирующее устройство и т. п.) следует суммировать все коэффициенты местных со­противлений. Общее сопротивление участка определяется по уравнению

(15)

Учитывая, что w = V/F, получаем

(16)

Из уравнения (16) следует, что сопротивления пропорцио­нальны квадрату количества, плотности и температуре.

В практике часто встречаются случаи, когда изменяются количества и параметры движущихся газов, а характери­стики самих каналов остаются практически одинаковыми. Это происходит, например, при изменении на действующей батарее периода коксования, переводе обогрева печей с коксового газа на доменный или наоборот и, т. п. Для этих случаев можно принять неизменными характеристики са­мих каналов , l, d, F, , и тогда уравнение (16) запишется следующим образом:

P=k^’V²T (17)

где

Количество движущихся по каналу газов зависит от технологических показателей:

(18)

Здесь G — количество загружаемой в камеру шихты, кг; q — расход тепла на коксование, кДж/кг; v — удельный объем движущихся по каналу газов в расчете на 1 м³ ото­пительного газа, м³; — оборот печи, ч; Q — теплота сгорания газа, кДж/м³.

Для данной батареи печей и при определенном отопи­тельном газе можно принять постоянными массу загрузки и теплоту сгорания газа. Тогда уравнение (17) можно представить как

(19)

где k = k'G/3600Q. Уравнением (19) удобно пользоваться для определения возможных изменений српротивлений на действующей батарее. Если, например, по перепаду давле­ний и геометрическому напору на основе уравнения (8) рассчитаны сопротивления на участке P₁, то после изме­нения различных технологических условий величина со­противления P₂ может быть вычислена из следующего соотношения:

В случае, когда изменяется только один из технологических факторов, например период коксования, то формула для определения P₂ упрощается:

P₂=P₁(₁/₂)² (20)

Величины v, , T относятся к разным средам (в зависи­мости от рассматриваемого участка). При расчете газового и воздушного регенератора принимаются соответствующие характеристики доменного газа, воздуха, а при расчете ка­налов с нисходящим потоком — продуктов горения отопительно­го газа.

Таким образом, сопротивле­ния для отдельных каналов мо­гут быть определены либо по формулам (11)—(16), либо на ос­нове замеренных перепадов дав­лений (рис. 3) и рассчитанного геометри­ческого напора для действую­щей батареи по уравнению (8).

Основное уравнение движения газа (7) применяется при анализе распределения давлений в отопительной сис­теме и расчетах сечений в газораспределительных устрой­ствах. Приведем пример использования этого уравнения для анализа изменения давлений в регенераторе и распре­деления сечений в колосниковой решетке.

В регенераторах нужно добиваться равномерного омывания насадки газами. В наднасадочном пространстве ре­генератора при достаточном его объеме давление газов успевает выравниваться, оно становится практически не­изменным по всей длине регенератора. Поэтому для равно­мерного омывания насадки нужно обеспечить одинаковое давление над всей колосниковой решеткой. Тогда перепад давлений в насадке будет одинаковым по всей длине регене­ратора, что предопределит равномерное омывание насадки.

Большое практическое значение для достижения равно­мерного омывания насадки имеет распределение отверстий в колосниковой решетке. Задача сводится к тому, чтобы при переменном давлении по длине подового канала до­биться соответствующей калибровкой отверстий в колосни­ковой решетке одинакового давления над ней по всей длине регенератора.

Обозначим индексами 0 и n сечение подового канала соответственно у газовоздушного клапана и посредине длины регенератора, давление над решеткой при восходящем при нисходящем - (рис. 2).

Запишем уравнение движения газов в подовом канале для восходящего потока

Сумма сопротивлений включает и потери напора при рас. пределении потока:

Расчеты показывают, что и поэтому , т. е. давление возрастает к центру подового канала регенератора за счет уменьшения кинети­ческой энергии.

Для нисходящего потока получим

т. е. давление у центра подового канала регенератора зна­чительно больше, чем у его начала.

Как видно из рис. 4, перепад давлений при прохожде­нии газов через колосниковую решетку на восходящем потоке Р_всх увеличивается к центру регенератора, а на нисходящем Р_н — ко входу в регенератор. Поэтому для того чтобы достичь равномер­ного смывания насадки по всей длине регенератора, сле­дует на восходящем потоке уменьшить сечения отверстий в колосниковой решетке к центру регенератора, а на ни­сходящем — ко входу в реге­нератор. Это противоречивое требование нельзя удовлетво­рить при равных отверстиях в колосниковой решетке. Если ориентироваться на восходящий в регенераторе щий поток, то неравномер­ным будет омывание на нисходящем, потоке газов и наобо­рот.

И.М. Ханин предложил устранить данное противоре­чие путем установки колосниковой решетки с конфузорно-диффузорными отверстиями. Известно, что коэффициенты местных сопротивлений диффузора примерно на 30 % боль­ше, чем конфузора. Поэтому было предложено у входа в регенератор иметь конфузорные отверстия, а у его цент­ра — диффузорные. Благодаря этому на восходящем пото­ке увеличиваются сопротивления у центра регенератора, а на нисходящем — в начале. Такое расположение отвер­стий позволило выровнять распределение газов по всему объему регенератора и лучше использовать насадку.