Движение газов в рабочем пространстве металлургических печей

Причины движения. Свободное и вынужденное движения

Важнейшими процессами, протекающими в рабочем прост­ранстве металлургических печей, являются процессы тепло­обмена. От них зависят все (или почти все) основные каче­ственные и количественные показатели работы печей. Ра­бота и конструкция печи должны выполняться так, чтобы в ее рабочем пространстве обеспечивался наиболее рацио­нальный режим теплообмена. Достижению этого должны быть подчинены такие процессы, как процессы сжигания топлива, движения газа и т. п.

Процессы движения газов теснейшим образом связаны с процессами теплообмена. От них зависят интенсивность и равномерность нагрева металла, стойкость футеровки пе­чи. Неправильная организация движения раскаленных га­зов в рабочем пространстве печи может служить причиной не только ухудшения работы печи, но и выхода ее из строя.

Движение газов в рабочем пространстве промышленных печей бывает естественное (свободное) и вынужденное. Причиной свободного движения является разность плотностей объемов газа, находящихся при разной температуре, Это «вялое» движение с малыми скоростями. Вынужден­ное (принудительное) движение происходит под действием внешних сил (струи, вентилятор). Ему присущи высокие скорости, оказывающие влияние на процессы теплообмена. При этом струи топлива и воздуха, выходящие из форсу­нок и горелок, являются в современных печах основным фактором, влияющим на характер движения газов. Это не означает, конечно, что естественное движение в печах не существует. Оно существует, но играет подчиненную роль. По мере развития печей изменялась и роль дымовой трубы. Из устройств, оказывающих большое влияние на движе­ние газов в печи и одновременно с этим предназначенных для удаления дымовых газов, современные дымовые трубы выполняют, по существу, только вторую роль. В настоящее время в ряде случаев, когда необходимо создать большое разрежение, применяют различные дымососы (прямого и непрямого действия), оставляя дымовой трубе роль кана­ла, через который удаляется дым в атмосферу в соответст­вии с санитарными нормами. Это делается в тех случаях, когда пришлось бы строить крайне дорогие чрезмерно вы­сокие дымовые трубы или когда дымовая труба вообще не приемлема.

В связи с изложенным выше прежде всего остановимся на рассмотрении струй и дымососов прямого и не прямого действия.

Струи

При отоплении современных металлургических печей жидким и газообразным топливом часто применяется так называемый факельный метод сжигания. Факелом называ­ют промышленное пламя, образованное струями топлива и воздуха. В силу этого аэродинамической основой теории факела является теория струй.

Различают струи свободные, ограниченные и частично ограниченные. К свободным относятся струи, которые ис­текают в пространство, не ограниченное стенками. Огра­ниченные струи развиваются в пространстве, стесненном стенками.

Свободные струи. Свободная струя называется затоп* ленной, если она истекает в среду с той же плотностью. Это условие выполняется в печах лишь частично, так как рабо­чий объем печи обычно заполнен раскаленными продукта­ми сгорания. Поэтому возможны такие случаи, когда среда струи имеет плотность, отличающуюся от плотности среды, в которой она распространяется. Если ось затопленной струи является продолжением оси насадка, из которого она истекает, то при неравенстве плотностей ось искривляется вверх (плотность струи меньше плотности среды) или вниз (плотность струи больше плотности среды).

Начальный участок Основной участок

Рис. 15. Схема распределения скоростей в различных сечениях свобод­ной струи

Свободная затопленная струя (рис. 15) обладает рядом характерных свойств, одним из которых является постоян­ство количества движения по длине струи, т. е. тw = const. При движении турбулентной струи в результате поперечных пульсаций развивается массообмен между окружающей средой и струей. В результате этого масса струи по ее длине увеличивается. Процесс тур­булентного перемешивания, сопровождающийся увеличе­нием массы струи, требует определенных затрат энергии (окружающая среда относительно непо­движна). Поэтому кинетическая энергия и скорость струи по мере удаления от выходного сечения посте­пенно падают (рис. 16). Однако падение кинетической энергии и осевой скорости струи происходит неодинаково. Объясняется это тем, что скорость начинает уменьшаться прежде всего на периферии струи. Постепенное падение ско­рости распространяется по всей толщине струи и достигает ее оси. Поэтому в начале струи осевая скорость на опреде­ленном участке остается неизменной и равной скорости ис­течения. Этот участок называется начальным участком струи, тогда как следующая за ним вся остальная часть струи называется основным участком.

Наряду с постоянством количества движения отличи­тельной особенностью свободной затопленной струи явля­ется также постоянство давления в ее объеме. Опыты по­казывают, что центральный угол раскрытия круглой струи может изменяться в пределах от 20 до 24°, а изменение от­носительной скорости по длине струи подобно для любых начальных скоростей и любых сопел. Таким образом, для всех этих случаев зависимость будет иметь аналогичный характер.

Здесь l — расстояние данного сече­ния от сопла струи, м; r_н — радиус сопла, м; w — скорость в данном сечении, м/с; w_н — начальная скорость истече­ния, м/с; а — экспериментальная константа для круглой струи, равная 0,07—0,08.

Изменение осевой скорости w₀ круглой струи может быть определено из формулы Г.И. Абрамовича:

При установке горелок в печи с точки зрения аэродина­мики факела прежде всего представляют интерес два ос­новных вопроса: какие поперечные размеры факела на всей его длине и какая его дальнобойность? Первый вопрос ва­жен при определении расстояния между горелками, а вто­рой при определении соотношения между длиной факела и размерами рабочего пространства печи, поскольку во избе­жание преждевременного износа кладки печи факел бить в нее не должен.

Частично ограниченные струи. Струйные аппараты (ин­жекторы и эжекторы). С практической точки зрения наибо­лее важное значение имеют два случая частично ограни­ченных струй: струи, соприкасающиеся со стенками, и струйные аппараты. В некоторых, например мартеновских, печах необходимо, чтобы факел на его определенной дли­не касался поверхности расплавленного металла и шлака. В этом случае возникает вопрос о дальнобойности струи при ее соприкосновении с поверхностью (рис. 17). Опыта­ми установлено, что дальнобойность такой струи зависит от угла встречи струи и поверхности. Если струя направле­на вдоль стенки и касается поверхности (угол встречи ра­вен нулю), то такая струя более дальнобойная, чем свободная струя. Это объясняется тем, что поверхность сопри­косновения струи с атмосферой в этом случае меньше и струя затрачивает меньше энергии на захват массы из ок­ружающей среды. Если в дальнейшем увеличивать угол встречи струи и поверхности, то дальнобойность струи уменьшается и факел растекается по поверхности.

Свойство струй захватывать окружающую среду исполь­зуют в струйных аппаратах. Простейший струйный аппарат состоит из смесителя и сопла (рис. 18). Поток, выходя­щий из сопла, называется рабочим. Рабочий газ (или жид­кость), выходя из сопла с высокой скоростью, образует струю, которой стенки смесителя не позволяют захваты­вать окружающую атмосферу. Поэтому струя вовлекаете движение только среду, находящуюся перед входом в сме­ситель. Поток, вовлекаемый в смеситель, называется ин­жектируемым.

В отличие от свободной струи расход газа вдоль смеси­теля остается постоянным. Поскольку с удалением от соп­ла профиль скорости выравнивается, количество движения вдоль смесителя убывает. Но, согласно уравнению импуль­сов, это означает, что давление вдоль смесителя возрас­тает.

Название струйных аппаратов зависит от назначения. Аппараты, в которых создается высокое разрежение перед смесителем, называют эжекторами. Аппараты, в которых давлением инжектируемой среды изменяется незначитель­но, называют инжекторами.

Для расчета струйного аппарата применяют уравнение импульсов Эйлера. Проведем контур, как показано на рис. 18. С известным приближением будем считать, что скоро­сти рабочего, инжектируемого и смешанного потоков в соответствующих сечениях распределены равномерно. Сила­ми трения в смесителе пренебрегаем. Как и для свободной струи, можно принять, что Р_см = Р_и. Положим, что f_сопла + f_и = f_см. Для этих условий уравнение импульсов без уче­та потерь в струйном аппарате принимает вид

(33)

Уравнение (33) является основным для расчета струй­ных аппаратов. В зависимости от рода задачи, используя это уравнение, можно определить любую из входящих в него величин. Путем алгебраических преобразований урав­нение (33) можно представить в форме

(34)

Последнее уравнение выражает закон сохранения энер­гии, согласно которому сумма секундных кинетических энергий рабочего и инжектируемого потоков равна секунд­ной кинетической энергии смешанного потока плюс сумма секундных кинетических энергий потерянной скорости для рабочего и инжектируемого потоков, плюс секундная рабо­та проталкивания, или, как ее часто называют, работа про­тиводавления.

Важной характеристикой работы инжектора является объемная k = V_и/V_р и массовая кратность инжекции.

Чем эффективнее работает струйный аппарат, тем выше кратность инжекции.

Чтобы увеличить кратность инжекции, входную часть смесителя выполняют в виде конфузора, а выходную — в виде диффузора. Конфузор позволяет уменьшить потери при входе инжектируемой среды в смеситель. При расши­рении в диффузоре хотя и уменьшается выходная скорость w_см, но значительно увеличивается выходное сечение, бла­годаря чему увеличивается V_см, что равноценно увеличению т_ии, следовательно, k.

Размеры струйного аппарата зависят от его назначения. При малом значении f_см/f_р аппараты высоконапорные. Но, создавая значительный перепад давления по длине смеси­теля, они не могут развить большую кратность инжекции. При большом значении f_см/f_р аппараты могут развивать значительную кратность инжекции и создавать относитель­но небольшой перепад давлений. Оптимальное отношение f_см/f_р , позволяющее получить максимальный перепад дав­лении при заданной кратности инжекции, можно опреде­лить с помощью рис. 19.

Остальные размеры диффузора (рис. 20) следующие:

Основной целью расчета струй­ных аппаратов является опреде­ление скорости истечения рабо­чего газа из сопла w_р. Для ус­пешной работы струйного аппа­рата эта скорость должна быть весьма большой (100 м/с и бо­лее). Обеспечение такой скорости требует весьма высокого давле­ния газа. Это обстоятельство не­сколько сдерживает практическое применение подобных устройств. Выражение для определения объема смеси может быть полу­чено из уравнения (34) и выгля­дит следующим образом, м³/с:

В этом выражении Sh_пот — сумма потерь напора в струй­ном аппарате: b = f_p/f_см; a = f_p/f_и; h_диф = 0,8 ¸ 0,85.

Ограниченные струи. Характерной особенностью огра­ниченных струй является то, что они развиваются в камере, размеры которой соизмеримы с размерами струи (рис. 21). В начале камеры струя развивается аналогично свободной струе и также вовлекает в движение окружающую среду. Но поскольку стенки камеры препятствуют свободному притоку газа из атмосферы, в области корня струи созда­ется разрежение. В конце струи, наоборот, наблюдается повышенное давление. Таким образом, ограниченная струя развивается в направлении повышения давления, что и создает возможность для возникновения циркуляционных по­токов газа в направлении от хвоста струи к ее истоку. Для характеристики интенсивности циркуляции газов введена кратность циркуляции К = т₂/т₁, где т₁— секундный массовый расход газа в сечении І — І (см. рис. 21); т₂ — секундный массовый расход газа в сечении II — II; т₂ = т₁+ т_ц (т_ц — масса циркулирующего газа).