Учебное пособие по дисциплине «Энергосбережение в промышленных печах» для бакалавров направления 5310100 «Энергетика

Рис. 2-1. Профиль скоростей при ламинар­ном (а) и турбулентном (б) движении газового потока.


Состояние турбулентного потока характери­зуется степенью турбулизации _турб и масштабом турбулентности _турб. Степень турбулизации может быть различной, что существенно влияет на характер движения. Степень турбулизации выражается отношением среднеквадратичной пульсационной скорости в потоке к средней скоро­сти потока:
(2-2)
где ' — пульсационная скорость; _ср — средняя скорость потока.
Масштабом турбулентности _турб называется расстояние, на котором проявляется связь между пульсациями, или, иначе, расстояние, на кото­ром пульсирующие объемы газа теряют свои скоростные особенности.


2-2. ДВИЖЕНИЕ ГАЗОВ В СЛОЕ ЗЕРНИСТОГО И КУСКОВОГО МАТЕРИАЛА ИЛИ ТОПЛИВА.


Сущность аэродинамического состояния слоя легко понять из следую­щего. Через слой, состоящий яз отдельных твердых частиц, пропуска­ется восходящий поток газа, причем на частицы материала или топлива в таком потоке действует сила аэродинамического давления, опре­деляемая по формуле
(2-3
где d — приведенный диаметр частицы, м; _от — относительная ско­рость газа, м/сек; р — плотность газа, кг/м²; С — коэффициент, завися­щий от критерия Rе.
В зависимости от величины аэродинамического давления потока, зависящего в свою очередь от величины скорости _от, слой кускового материала может находиться в двух качественно различных состояниях. При скорости потока ниже некоторой критической величины _кр', когда сила тяжести кусочка больше аэродинамического давления снизу, т. е. когда G>Р, частицы неподвижны. Этому состоянию соответствует, плотный слой (рис. 2-2,а).

Рис. 2-2. Аэродинамическое взаимодействие газов и слоя кускового (сыпу­чего) материала.
а — плотный (фильтрующий) слой; б — кипящий слой; в — фонтанирующий слой; г — взвешенный слой; д — циклонное движение; _с — скорость газов в слое; _п — скорость патока газов вне слоя.


При увеличении скорости до первого критического значения _кр', ври котором аэродинамическое давление на частицы становится равным их весу (Р=G), слой переходит в новое качественное состояние—кипя­щий или псевдоожиженный слой. В кипящем слое твердые частицы те­ряют взаимный постоянный контакт, получают возможность переме­щаться и перемешиваться, объем слоя возрастает. Вследствие непра­вильности геометрической формы отдельных кусочков и неравномерно­сти поля скоростей аэродинамическое давление, действующее на них, неравномерно. Это создает при прямоточном продувании слоя потоком газов или воздуха сложное вращательно-пульсирующее движение ча­стиц, которое ж вызывает впечатление кипящей жидкости (рис. 2-2,6).
Перепад давления в слое может быть определен из условия равен­ства сил гидродинамического давления и силы тяжести твердых частиц
(2-4)
где р_т — плотность твердых частиц; —средняя порозность слоя в ра­бочем состоянии; Н — высота кипящего слоя.
С достаточной для технических расчетов точностью можно принять
(2-5)
где р_н—насыпная плотность взвешенного материала; Н_о — высота слоя в неподвижном состоянии.
Тогда (2-6)
Если скорость потока газа в кипящем слое постепенно увеличивать, то сопротивление слоя сначала несколько снижается, а затем становится постоянным. При этом режиме увеличение скорости газа приводит к ро­сту скорости движения частиц. За счет этого возрастает толщина слоя и соответственно величина проходного сечения для газа. Последним и объясняется постоянство сопротивления слоя.
Разновидностью кипящего слоя является фонтанирующий слой (рис. 2-2,в). Он получается в конических и коническо-цилиндрических аппаратах с достаточно большим углом в вершине конуса. Здесь газ сосредоточенной струей подается лишь в центральную часть корпуса. Скорость струи высокая, и она увлекает с собой снизу вверх твердые ча­стицы, которые фонтаном поднимаются в расширенную часть аппарата. В результате расширения струи ее скорость снижается, частицы отбра­сываются к периферии. В периферийной зоне скорость потока газа ма­ла. Поэтому здесь твердые частицы опускаются вниз и в нижней узкой части аппарата вновь попадают в центральный фонтан.
При достижении второго критического значения скорости _кр'' сила аэродинамического давления становится больше силы веса (Р>G) и частицы начинают выноситься потоком газа — кипящий слой переходит во взвешенный слой (рис. 2-2,г).
Циклонное движение. В циклонах, имеющих цилиндриче­скую форму, газам, несущим взвесь измельченного материала или топ­лива, придается вращательное движение с целью использования цент­робежного эффекта для сепарации частиц, а также для интенсифика­ции тепло-и массообмена между горячими газами и взвесью (рис. 2-2, д). Вращение потока достигается тангенциальным вводом газов с большой начальной скоростью. Циклоны применяются в качестве аппаратов для обеспыливания; кроме того, в настоящее время циклонные топки и предтопки применяются для сжигания измельченного твердого топлива под крупными котельными агрегатами. Высокая интенсивность тепло-и массообмена делает применение циклонного принципа перспективным не только в энергетике, но и в технологических агрегатах, особенна предназначенных для плавки металлов и обжига материалов.


2-3. Особенности движения газов в печах
Движение газов в печах тесно связано с протекающими в них технологическими процессами и в конечном счете определяет производитель­ность и качество тепловой обработки материала. Факел в печи — это поток горящих газов, движущихся через рабочее пространство. Являясь .источником тепла, факел отдает часть своей энергии нагреваемому материалу путем конвекции, а также путем радиационно-конвективной теплопередачи. Имеют большое значение циркуляция газов, создавае­мая струями газов, и направленность движения газов, например на­стильность пламени в плавильных печах. Движение газов в печах мо­жет регулироваться и является рычагом управления процессами, про­текающими в них.
По характеру распределения давления газов промышленные печи резко отличаются от паровых котлов. Рабочее пространство печи обыч­но невозможно полностью изолировать от окружающей атмосферы из-за наличия периодически открывающихся (или даже постоянно откры­тых) рабочих окон для загрузки и выгрузки нагреваемых изделий). Это заставляет поддерживать в печной камере избыточное давление, так как при разрежении в печь засасывается из помещения холодный воздух, что нарушает нормальную работу печи, или делает ее невоз­можной. Присос холодного воздуха значительно понижает температуру газов и вызывает увеличение потери тепла с уходящими газами и уменьшением к. п. д. печи. В дымовых газах увеличивается содержа­ние кислорода, что приводит к окислению нагреваемого металла и к увеличению окалины или даже порче изделий.
Сравнивая гидравлические режимы промышленной печи и пароге­нератора, следует подчеркнуть, что если газоходы находятся под раз­режением ив них имеют место присосы воздуха, то в печной установ­ке разрежение наблюдается только за пределами рабочего пространст­ва печи и, следовательно, движение газов в печном пространстве осу­ществляется за счет избыточного давления, обычно порядка 10—20 н/м². В дымоходах, за пределами рабочей камеры печи, движение осущест­вляется за счет разрежения, создаваемого тяговыми устройствами (ды­мовой трубой или дымососами прямого или непрямого действия).
Газовые горелки и нефтяные форсунки выбрасывают факел в ра­бочее пространство со значительными скоростями и способны работать с некоторым противодавлением. Необходимый для горения Воздух по­дается в печь вентилятором (при форсунках и горелках низкого давле­ния) или за счет инжекции, создаваемой горелками <или комбинирован­ным путем.
В регенеративных печах избыточное давление создается за счет геометрического напора, создаваемого регенераторами, расположенными ниже пода печи, и вертикальными каналами, соединяющими регенераторы с плавильным пространством печи. Для увеличения напора воздух поддувается вентиляторами в нижнюю часть регенераторов. В печах, работающих на твердом топливе, избыточное давление получается за счет дутья первичного и вторичного воздуха и вследствие разницы уровней колосниковой решетки и пода печи. В последнем случае возникает также геометрический напор.