Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Газодинамические и тепловые процессы сжигания газообразного топлива применительно к шахтным чугуноплавильным печам: Учебное пособие

Голосов: 0

Изложены основы газодинамических и тепловых процессов сжигания газообразного топлива применительно к шахтным чугуноплавильным печам. Приводятся рациональные конструкции газовых вагранок для плавки чугуна, эффективные технологии плавки чугуна применительно к использованию газовых вагранок в промышленности. Разработки выполнены с применением математического моделирования. Изложена физическая и новая методика математического моделирования, позволяющая выявлять математические модели процессов. Учебное пособие подготовлено на кафедре "Машины и технология литейного производства" Пензенского государственного университета. Оно может быть использовано студентами при изучении курсов "Принципы инженерного творчества", "Печи литейных цехов", "Математическое моделирование в литейном производстве", а также при выполнении курсовых и дипломных работ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
         МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
          РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

   ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ


 ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ




               А.А. Ч Е Р Н Ы Й



   ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
      СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ШАХТНЫМ ЧУГУНОПЛАВИЛЬНЫМ
                  ПЕЧАМ




               Учебное пособие




                  Пенза 2009


УДК 669.621.74




      Черный А.А. Газодинамические и тепловые процессы сжигания
газообразного топлива применительно к шахтным чугуноплавильным печам:
Учеб. пособие. – Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2009. - 75 с., 23 рис., 17 табл.,
библиогр. 3 назв.


      Изложены основы газодинамических и тепловых процессов сжигания
газообразного топлива применительно к шахтным чугуноплавильным печам.
Приводятся рациональные конструкции газовых вагранок для плавки чугуна,
эффективные технологии плавки чугуна применительно к использованию
газовых вагранок в промышленности. Разработки выполнены с применением
математического моделирования. Изложена физическая и новая методика
математического моделирования, позволяющая выявлять математические
модели процессов.
      Учебное пособие подготовлено на кафедре «Машины и технология
литейного производства» Пензенского государственного университета. Оно
может быть использовано студентами при изучении курсов «Принципы
инженерного творчества», «Печи литейных цехов», «Математическое
моделирование в литейном производстве», а также при выполнении
курсовых и дипломных работ.




     Рецензенты:
     Научный совет Пензенского научного центра;
     А.С. Белоусов, главный металлург ОАО «Пензадизельмаш»




©   А.А. Черный, 2009.




                                    2


                                 ВВЕДЕНИЕ

        Процессы горения газообразного топлива в высокотемпературных
шахтных плавильных агрегатах недостаточно изучены. Потребовалось
проведение систематизированного исследования факельного горения смеси
природного газа с воздухом применительно к использованию результатов
экспериментов для разработки эффективных горелочных систем газовых
вагранок. Исследования проводились на моделирующих устройствах и
горелках-образцах. Выявлены закономерности факельного горения
газообразного топлива. Обнаружено значительное влияние газодинамических
процессов в факелах на форму и размеры пламени, тепловые показатели. На
основе исследований разработаны эффективные горелки для газовых
вагранок, новые конструкции чугуноплавильных агрегатов, позволяющие
получать чугун высокого качества.
       Выполненные исследования позволили разработать теоретические
основы      теплотехнических      и     газодинамических      процессов
высокотемпературного сжигания газообразного топлива.




                                   3


      РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ СМЕСИ
      ПРИРОДНОГО ГАЗА С ВОЗДУХОМ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К
               МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМ ПЕЧАМ

       Эксперименты на моделях показали, что процесс воспламенения и
устойчивого горения газовоздушной смеси связан с газодинамическими
явлениями в факеле. Съемками факела, горящего в отрыве от выходного
отверстия горелки, обнаружены вихри, непрерывно поджигающие
газовоздушную смесь и стабилизирующие процессы горения (рис.1, 2).




                  Рис. 1. Образование вихрей в факеле




          Рис. 2. Механизм поджигания газовоздушной смеси в факеле:
         а – схема процесса поджигания газовоздушной смеси в потоке;
         б – поджигание смеси при вихревом перемещении газов у щели
                        ограничивающий поток трубки



                                   4


       Вихри непрерывно зарождаются у выходного отверстия горелки. По
мере поступательного перемещения вихря, его размеры увеличиваются.
Происходит расширение вихревой зоны факела ”Б” и постепенное сужение
его “холодного” ядра “А”. За вихревой зоной “Б” и “холодным ядром” “А”
возникает высокотемпературное ядро “В”, по границам которого развивается
вторая вихревая область ”Г” (рис.3, 4).




         Рис.3. Схема газодинамического процесса в горящем факеле по
  данным экспериментов: 1 – горелочное сопло; 2 – первая вихревая зона
факела «Б»; 3 – «холодное» ядро факела «А»; 4 – высокотемпературное ядро
              факела «В»; 5 – вторая вихревая зона факела «Г»




        Рис.4. Схема вихрей в потоке газов: 1 – горелочное сопло; 2 – поток
     газов; 3 – сила, связанная с модулем вектора скорости потока; 4 –
       диссипативная сила (сила трения и сопротивления) 5 - вихрь



                                     5


       При факельном сжигании смеси природного газа с воздухом
интенсивное горение происходит в вихревой зоне “Б”, где осуществляется
непрерывный частичный перенос тепла и активных продуктов реакции к
корню факела и новым порциям газовоздушной смеси в “холодном” его ядре
“А”. Горение начинается у поверхности “холодного” ядра факела “А” в
момент захвата газовоздушной смеси горячими вихрями и продолжается в
вихрях, а также в высокотемпературном ядре факела “В”. Если горение в
ядре факела “В” не заканчивается, то оно продолжается в вихревой зоне “Г”.
В “холодном” ядре факела “А” газовоздушная смесь не горит, что
объясняется отсутствием там вихревого движения газов (рис.5).




        Рис.5. Строение свободного горящего факела: а – горящий факел в
   проекции на масштабный экран; б – графическое построение свободно
              горящего факела по результатам экспериментов

       По результатам экспериментальных исследований на моделирующих
горелочных устройствах установлено, что при встрече факела с плоскими и
изогнутыми стенками меняются характер и режим движения газов, в связи с
чем изменяются газодинамические условия развития процессов горения и
форма факела (рис.6, 7).




                                    6


  Рис.6. Изменение формы свободно горящего факела при встрече газового
потока с плоской стенкой, расположенной по отношению к факелу под углом
                             атаки от 00 до 900




         Рис.7. Изменение формы свободно горящего факела при встрече
 газового потока с изогнутыми стенками: а – при выпуклой стенке; б – при
                            вогнутой стенке

       При встрече газового потока факела с плоской стенкой происходит
изменение свободно горящего факела. Струя растекается по плоской стенке
тем больше, чем больше угол атаки. У поверхности “холодной” стенки
газовоздушная смесь не горит, что объясняется отсутствием там условий для
поджигания газа. Сгорание газовоздушной смеси происходит над плоской
стенкой в завихрениях потока.
       При встрече факела с изогнутой стенкой, а также при входе факела в
пространство, ограниченное цилиндрическими стенками, газы горят над
этими стенками. При отражении газов от вогнутых стенок создаются


                                    7


интенсивные завихрения с двух сторон основного потока, в которых
происходит догорание газовоздушной смеси.
       В случае соприкосновения газовоздушной смеси ядра факела с
поверхностью металла, разогретой свыше 800°С, происходит контактное
горение газов на поверхности металла, причем металл окисляется, в
результате чего поверхность металле покрывается окисной пленкой. При
растекании газовоздушной смеси по разогретым (>850°С) поверхностям
плоских и изогнутых стенок, футерованных огнеупорным материалом, газ
контактно горит на этой футеровке. Значительное влияние на факельное
горение газовоздушной смеси оказывает расположение горелочных сопел.
Исследовалось изменение длины факела по вертикали                       lфв   в зависимости от
относительного расстояния между центрами горелочных сопел Lc d 0 и угла
расхождения- схождения осевых линий сопел                          ϕc ( Lc-расстояние   между
центрами горелочных сопел,             do -   диаметр сопла в выходном сечении).

Установлено, что по мере уменьшения величины Lc d 0 длина факела lфв
увеличивается, причем чем больше величина угла расхождения осевых линий
сопел   ϕср, тем меньше значение Lc d 0 , при котором начинается увеличение
lфв . При ϕср=0 длина факела lфв увеличивается, начиная с                      Lc d 0 = 7,5. В
случае схождения осевых линий сопел даже при Lc d 0 = 8 не достигается

стабилизация l фв , и кривые    lфв     =   f (Lc d 0 )         располагаются выше, чем при

ϕср =0,    причем чем больше                  ϕcc,         тем выше располагается кривая

lфв = f (Lc   d 0 ) . Указанные закономерности объясняются слиянием

факелов по мере уменьшения Lc d 0 при                       ϕc =const, а так же увеличения ϕcc
или уменьшения    ϕ ср   при Lc d 0 =const (рис.8).

      Кривые lфв = f (Lc d 0 ) имеют степенный гиперболический тип с
асимптотами-осями координат. В пределах нестабильной области кривые
приближенно подчиняются уравнению
                                  K1
                lфв =                                      ,м
                         (Lc d 0 ) ⋅ K 3 (Lc
                                  K2                d0 )




                                                8


         где
         K1, K2, K3 - коэффициенты, величина которых меняется в зависимости
от   ϕc и условий сжигания газовоздушной смеси.




            Рис.8. Изменение длины факела по вертикали в зависимости от
    относительного расстояния между центрами горелочных сопел и угла
 расхождения-схождения осевых линий сопел при d 0′ = 0,015 м, ωc′ = 5,7 м/с:
                                                            ′              ′
        1 – для угла расхождения осевых линий сопел φср = 28 ; 2 - φср = 230; 3
                                                                       0

  - φср = 180; 4 - φср = 130; 5 - φср = 00; 6 – для угла схождения осевых линий
              сопел φсс = 130; 7 - φсс = 180; 8 - φсс = 230; 9 - φсс = 280

      Из анализа полученных данных следует, что более выгодные условия
для стабильного сжигания газовоздушной смеси возникают в случае
расхождения осевых линий горелочных сопел.
                а схождения:
                         0,5(Lc − d 0 )
                l сл =
                            ϕ − ϕ сc
                         tg н
                                2


                                          9


       Увеличивая        ϕ ср     до 23-28°, можно достичь минимальной величины

Lc d 0 , когда   l фв
                   будет также минимальной.
          Геометрическими построениями факелов по опытным данным
установлено, что длина двух горящих рядом факелов близка по величине к
lфо  одиночно горящего факела, если точка пересечения линий, образующих
углы раскрытия соседних факелов, располагается на уровне длины каждого
факела или выше этих уровней. Чем ближе к соплу располагается точка
пересечения линий угла раскрытия факелов, тем длиннее становится общий
факел, образующийся при слиянии газовых потоков отдельных факелов.
Особенно значительно факел удлиняется, если точка пересечения линий угла
раскрытия соседних факелов располагается ниже уровня длины “холодного”
ядра одиночного факела, что связано с изменением формы и удлинением
“холодного” ядра общего факела по сравнению с одиночно горящим
факелом. При ϕc = 0° и Lc d 0 > 2 по периметру каждого сопла возникают
отдельные факелы, которые сливаются в один общий факел на длине от
плоскости выходных сечений сопел
                                0,5(Lc − d 0 )
                        lсл =
                                tg (0,5 ⋅ ϕ н )
       В случае расхождения осевых линий сопел
                        0,5(Lc − d 0 )
                 l сл =
                           ϕ − ϕ ср
                        tg н
                               2
       Так как при взаимодействии факелов                    l фв   связано обратной

пропорциональной зависимостью с lcл , то в обобщенном виде
                                      K 4 tg (0,5 ⋅ϕ рез )
                                lфв =    =
                                      lcл 0,5(Lc − d 0 ) ,
       где
       K 4 - коэффициент, определяемый по экспериментальным данным;
       ϕ рез - результирующая величина угла, равная ϕн, ϕн −ϕcр , ϕн −ϕcс.



                                              10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика