книги из ГПНТБ / Бельский, В. И. Промышленные печи и трубы учеб. пособие

Температура горения топлива

В расчет горения топлива входит также определение темпера­ туры его горения. Различают калориметрическую и действитель­ ную температуру горения топлива. К а л о р и м е т р и ч е с к о й т е м п е р а т у р о й горения называется та температура, которую приобрели бы образующиеся продукты горения при полном сго­ рании топлива и при условии, что тепло не уходит в окружающее пространство, т. е. остается в продуктах горения '. В этом случае теплосодержание продуктов горения от 1 кг, или 1 м3 топлива будет равно:

пр = св-д t Кв д

К П

или 1 м3 топлива.

Так как теплоемкость зависит от температуры, то в обоих слу­ чаях получают одно уравнение с двумя неизвестными. Решение этих уравнений выполняют методом интерполяции. Для практи­ ческих целей можно пользоваться более простой формулой (25), дающей достаточно точный результат. Средние теплоемкости со­ ставляющих продуктов горения и приближенные темплоемкости продуктов горения в целом приведены в приложении 4.

70

путем подогрева воздуха или воздуха и газа (при работе на га­ зообразном топливе). В этом случае теплосодержание продуктов горения повышается за счет физического тепла, вносимого подо­ гретым воздухом или воздухом и газом, а следовательно, повы­ шается и температура горения.

Действительная температура горения всегда ниже калоримет­ рической, так как, во-первых, при высокой температуре происхо­ дит разложение углекислоты и водяного пара, сопровождающе­ еся поглощением тепла, и, во-вторых, во время горения часть теп­ ла теряется через кладку в окружающую среду и передается

1 Теплоемкости газов и воздуха приведены в приложении 4.

71

Если печь работает на низкокалорийном газе, который подо­ гревается, то учитывается также физическое тепло, вносимое им.

Подогрев газа и воздуха часто осуществляют и при достаточ­ ной температуре горения с целью экономии топлива и улучшения условий горения.

ГЛАВА III

ОСНОВЫ ПЕЧНОЙ ТЕПЛОТЕХНИКИ

§ 7. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ ГАЗОВ

Газообразные продукты, образующиеся в процессе горения топлива, поступают в рабочее пространство печи, оставляют в нем часть своего тепла и через боров и дымовую трубу удаляют­ ся в атмосферу (рис. 4). В правильно сконструированной печи, во избежание подсоса воздуха, на всем протяжении рабочего пространства оттопки до пролетав боров должно быть сохране­ но положительное давление. Чтобы грамотно проектировать и строить печи, надо знать законы движения печных газов. Наука о движении газов называется механикой газов.

Вспомним основные законы о плотности и удельном объеме

где G— масса газа в кг;

V — объем газа в м3 в нормальных условиях.

У д е л ь н ы м о б ъ е м о м газа ѵ называется объем единицы мас­ сы газа в нормальных условиях

ау

По закону Гей-Люссака объем и объемная масса газов изменя­

72

П0 и у0— то же, при 0° С и 760 мм рт. ст.;

ß — — . —------ коэффициент объемного расширения газа.

273 град

По закону Бойля — Мариотта

где V и Ѵг — объемы газа при давлениях рі и р2 при постоян­ ной температуре.

Рис. 4. Схема движения газов в печи

/ — горелка; 2 — рабочее простран­ ство; 3 — боров; 4 — дымовая труба; 5 — шибер

На основе законов Гей-Люссака и Бойля — Мариотта выводится

давлении 760 ммрт. ст.\ р0— атмосферное давление, выраженное в тех же еди­

ницах, что и р\.

Статический, геометрический и динамический напоры

Потенциальная и кинетическая энергия газов выражается напо­ ром.

В механике газов напор газа выражается высотой его столба, а

73

называется разность давлений газа, заключенного в сосуде, и ок­ ружающей атмосферы

где р — давление газа в сосуде в кгс/м2 или мм вод. ст.\ рат— давление атмосферного воздуха в кгс/м2или мм вод. ст.

Если газ находится под давлением выше атмосферного, стати­ ческий напор имеет знак плюс, а ниже атмосферного — знак ми­ нус. Г е о м е т р и ч е с к и й н а п о р - — это напор положения газа относительно некоторого уровня. Он появляется в том случае, когда объемная масса газа отличается от объемной массы окру­ жающего атмосферного воздуха, что вызывает стремление газа подниматься вверх или опускаться вниз в зависимости от того, тяжелее он или легче окружающей атмосферы. Геометрический напор в полостях, заполненных горячим газом, на уровне Н от верхней границы газов равен разности массы 1 м3 наружного воздуха ув и 1 м3 газов уг, умноженной на эту высоту Н:

где С02, СО, Н2, N2... — соответственно содержание в объемных процентах составляющих в газе, числители — их молекулярные массы; 22,4— молекулярный объем.

Если геометрический напор имеет одинаковое направление с движением газа, то ему придают знак плюс, если противополож­ ное— знак минус. Движение газов по каналам происходит ана­ логично движению жидкости под влиянием разности давлений, которая называется скоростным, или динамическим напором. Ме­ жду скоростью движения газа w и динамическим напором йдиа существует зависимость, выражаемая формулой:

74

Wn

Y ° ( l + ß () кгс'м2, или мм вод. cm.t (37)

2g

где g — ускорение силы тяжести (9,81 м/сек2).

(----игг

2 — дифференциальный манометр

Рис. 7. Схема, иллюстрирующая превра­ щение динамического напора в статиче­ ский

Статический напор измеряется обычным манометром, одно колено которого соединено с атмосферой, а другое с трубкой, вставленной в поток перпендикулярно последнему. Динамичес­ кий напор измеряется дифференциальным манометром, один ко­ нец трубки которого поставлен перпендикулярно течению пото­ ка, а второй — навстречу потоку (рис. 5). Первый конец трубки при этом испытывает только статический напор, а второй — на­ пор, равный сумме динамического и статического напоров. Раз­ ность уровней в манометре покажет Адин+ А с т а т — АСТа т — Адин.

75

Геометрический напор не может быть непосредственно измерен, он определяется по расчету.

Для решения вопросов, связанных с движением газов, исполь­ зуется закон сохранения энергии, сформулированный итальян­ ским ученым Д. Бернулли. Применительно к реальному газу, встречающему по пути сопротивление движению, уравнение Бернулли можно сформулировать следующим образом: при ус­ тановившемся движении реального газа для каждой частицы со­ храняется неизменной сумма напоров статического, геометричес­ кого, динамического и напора, потерянного на сопротивления (Апот). При движении газов происходит превращение напоров: геометрического в статический, статического в динамический, ди­ намического в статический или потерянный. Статический напор перейти обратно в геометрический не может. В сосуде, показан­

месте газ соприкасается с атмосферой и напоры их равны. В точ­ ке 2 геометрический напор равен 0, зато газ в этом положении об­ ладает (если пренебречь потерями напора на сопротивление дви­

полностью перешел в статический. В точке 3, если также пренеб­ речь сопротивлением движению газа, газ имеет динамический

wi

напор Адин= — у' кгс/м2, а статический напор равен 0. В точке А

(рис. 7) АГеом+Астат+АдИн = 0— напоры затрачены на удар о не­ подвижный атмосферный воздух при вытекании газа из трубки. Если на пути струйки газа, вытекающего из сосуда, поставить стенку, то в непосредственной близости у стенки динамический напор вновь частично превратится в статический, который может быть измерен манометром.

Потери напора

При движении газов по трубам и каналам возникает сопро­ тивление, вызывающее потерю напора. Напор теряется на пре­ одоление сопротивления трения газов о стенки каналов и мест­ ных сопротивлений от изменения направления газового потока и изменения сечений каналов по пути движения газов. Сопротивле­ ние от трения при движении газов по трубам или каналам опреде­ ляется по формуле

где р — коэффициент трения;

w0— средняя скорость движения газов в нормальных услови­ ях в м/сек,

76

Т а б л и ц а 18

Коэффициенты местных сопротивлений

Тип местного сопротивления

. Значение коэффициента |

£ = 0,5

= 0,5 1— А

= 1,5

0,35 0,15 0,1 0

77

Yo — плотность газа в нормальных условиях в кг/м3\ g — ускорение силы тяжести в ж/сек2;

L — длина канала в м; d — диаметр канала в м.

В случае если канал не круглый, то в качестве d принимают

4F

так называемый гидравлический диаметр d — — ,

5

где F— площадь поперечного сечения канала в м2\ S — периметр канала в м.

Коэффициент трения ц зависит от характера движения га­ за — ламинарного или турбулентного, его скорости и шерохова­ тости стенок канала. При ламинарном или слоистом потоке га­ зов все частицы движутся параллельно оси канала; при увели­ чении скорости движение частиц потока переходит в вихревое — турбулентное. В печах движение газов обычно бывает вихревое. Для приближенных расчетов коэффициент трения можно при­ нимать: для гладких металлических поверхностей р = 0,034-0,04; для кирпичных стенок р = 0,054-0,055. Потеря напора от мест­ ных сопротивлений определяется по формуле

(39)

где I — коэффициент местного сопротивления, принимаемый по табл. 18.

Движение газов в печах, естественная и искусственная тяга

Движение газов в печах может быть естественное или прину­ дительное. Естественное движение газов происходит за счет раз­

кие, стремятся подняться вверх, а более холодные — опуститься вниз. В печах чаще имеет место принудительное движение газов, возбуждаемое внешними причинами: воздействием факела горел­ ки или форсунки или разностью давлений в различных сечениях дымового тракта.

Продукты горения отводят из печи при помощи дымовой тру­ бы или путем искусственной тяги. При отводе продуктов горения дымовой трубой используется геометрический напор, создавае­

Величину разрежения регулируют заслонкой-шибером, устанав­ ливаемым у дымовой трубы в борове.

78

Искусственная тяга бывает прямого действия, когда газы от­ сасываются через специальный вентилятор-дымосос (рис. 8,6), и косвенного, при которой струя воздуха или отходящих газов эжектирует (подсасывает) отходящие газы. Смесь газов отво­ дится через расширяющуюся трубу — диффузор (рис. 8, в).

а — дымовая труба; б — искусственная тяга прямого действия; в — искусственная тяга косвенного действия; 1 — шибер; 2 — дымосос; 3 — вентилятор; 4 — диффузор

§ 8. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Тепло, выделяемое в процессе горения топлива, переносится с помощью продуктов горения в рабочее пространство печи, где за счет него происходит нагрев материалов. Передача тепла всег­ да происходит от тела более нагретого к телу менее нагретому. Передача тепла может происходить тремя различными путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Передача тепла теплопроводностью

Т е п л о п р о в о д н о с т ь — это передача тепла от одной час­ тицы тела к другой, находящейся в непосредственной близости от нее. Теплопередача путем теплопроводности в чистом виде возможна только в твердых телах. В жидкой и газообразной сре­ дах передача тепла происходит смешанным путем. Если темпе­ ратура всех точек рассматриваемого тела остается постоянной во

79