> Техника, страница 37 > Гидравлическая теория
Гидравлическая теория
Гидравлическая теория движения пламени и легких газов. Основателем гидравлической теории движения пламени в печах является М. В. Ломоносов, высказавший еще в 1742 году в диссертации «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» кристально ясную мысль о движении воздуха в рудниках и дымовых трубах. Его теория выдавливания теплого дыма тяжелым холодным наружным воздухом получила общее признание, но в дальнейшем при объяснении движения газа в печах вошло в употребление слово тяга. Между тем тяги в печах и дымовых трубах нет,—есть выдавливание теплого воздуха и дыма тяжелым воздухом, как верно указал М .В. Ломоносов, ни разу не употребивший слова «тяга». Немалым тормозом в правильном понимании законов движения пламени явилось неточное изложение в руководствах по физике закона Паскаля, где в учении о гидростатич. давлении не учитывается роль атмосферы; вопрос о гидроста-тическ. давлении газов легче воздуха также не был поднят, и у наших современников явилось представление,что гидростатич. давления в газах даже не существует. Только твердо установив наличие и величину гидро-статическ. давления, В. Е. Грум-Гржимайло удалось объяснить многие явления, наблюдаемые в печах, дать метод научного проектирования печей, сушил, газопроводов и прочие Математич. обоснование гидравлич. теории дал проф. И. Г. Есьмаи. Экспериментальной проверкой ее основ занимается ныне лаборатория проф. М. В. Кирпичева. Проектированием печей на основах этой теории занято Бюро металлургических и теплотехнических конструкций, где работа ведется под непосредственным руководством В. Е. Грум-Гржимайло.
Основные положения гидравлической теории.
Аксиома. Движение пламени в печах подчиняется законам движения легкой жидкости в тяжелой (пламя и наружный воздух).
1) Теорема. В замкнутой полости, заполненной легким газом, давление у поверхности нижнего зеркала равно давлению атмосферы. В остальной полости давление выше атмосферного. Газ испытывает обращенное гидростатическое давление, измеряемое высотой столба газа, умноженной на разность весов кубич. единицы наружного воздуха и теплого легкого газа. Фигура 1 представляет опыт с легкой жидкостью—керосином и тяжелой—водой. Уровень керосина bb в открытом снизу ламповом стекле стоит выше, чем уровень водыаа. В точке х получается гидро-н статическое давление, измеряемое высотой ке-*· росина II — h. Фигура 2 представляет пробирку с керосином, погруженную в воду. У верхнего отверстия керосин будет испытывать гидростатическое давление
δ=ЩВ о,—В к.),
где В в и В г., уд. в или веса куб. сд. воды и керосина, II—расстояние от нижн. зеркала керосина до пункта, где измеряется гидростатич. давление. Вес 1 м3 наружного возду-
1 ‘;93
ха равен - кг, где t—температура наружного воздуха, «—коэфф расширения воздуха ϊ^/.,-з. Если обозначить через λ вес 1 м3 газа при 0°, то вес 1 м3 теплого легкого газа при температуре I будет а(, а гидростатическое давление
δ=11 килограмм/мг или миллиметров вод. ст.
Следствие. Если вверху полости, заполненной легким газом, будет атмосферное давление (например, у дымовой трубы), то у нижнего зеркала легкого газа будет соответствующее гидростат. давлению разрежение. На (фигура 3) показан сосуд, который заполнен водородом и открыт снизу; наверху его имеет место положительное давление (+<У). На фигуре 4 представлен сосуд, имеющий волосное отверстие с сообщающее его с атмосферой, но плотно прикрытое снизу; манометр показыва- фигура з. фигура 4. Фигура 5. ет внизу разрежение
(—4). На фигуре 5 изображена дымовая труба, имеющая разрежение у основания (—4).
2) Т е о р е м а. Всякое движение жидкости или газа есть результат расхода напора. Скорость движения жидкости или газа определяется по формуле V=У2rjh. Поэтому движение струи теплого легкого газа или пламени есть результат расхода напора, или высоты столба
этого газа h; скорость этого движения определяется той же ф-лой. Напр., при гидростатическом давлении газа, равном δ миллиметров вод. столба, напор в м выразится так:
а скорость истечения к=V2gh=/Т/М+Ж
3) Теорема. Пламенный поток есть обращенная река. Фигура 6 и 7 представляют опыты переливания газа тяжелее воздуха (углекислоты) и легче воздуха (водорода). Последний представляет обращенную реку.
4) Теорема. Глубина обращенного га-зослива пламени определяется по формуле И. Г. Есьмана:
где Q,—расход газа в м/ск при темп-ре t, В—ширина газослива в м, I—темп-pa газа, А—коэфф-т, определяемый из приведенной ниже табл, (где ht—высота, а Е—длина газо-I слива, в данном случае свода печи, в ж).
Значения it о э ф ф и ц и е н т а А при р а з-н ы х высоте и д л и н е г а я о с л и в а.
| Λί | Е | А | Ы | Е | А |
| ( | 0,5 | 3,20 | 1 | 0,5 | 2,75 |
| 1.0 | 3.41 | 1.0 | 3.20 | ||
| 0,30 J | 2,0 | 3,52 | 0,00 < | 2,0 | 3,45 |
| 1 | 5,0 | 3.62 | 5,0 | 3.59 | |
| 1 | со | 3.67 | оо | 3,69 | |
| ( | 0.5 | 3,07 | ( | 0,5 | 2,71 |
| 1.0 | 3,34 | 1.0 | 3.06 | ||
| 0,40 | 2,0 | 3.51 | 0,70 | 2,0 | 3.36 |
| 1 | 5.0 | 3,61 | 5.0 | 3,56 | |
| V | со | 3.69 | 1 | со | 3,69 |
| 1 | 0,5 | 2,25 | ( | 0,5 | 2,43 |
| 1.0 | 3,27 | 1 | 1,0 | 2.95 | |
| 0,50 ; | 2.0 | 3.48 | 1,00 | 2,0 | 3,28 |
| 5,0 | 3.59 | 5.0 | 3,52 | ||
| оо | 3,69 | 1 | со | 3,70 |
Фигура 8 представляет водослив; картина для легкого газа получится, если обратить рисунок верхней стороной вниз.
Следствие. Для скорости легкого газа имеем формулу:
V=у/~ Ь; м/ск.
Скорость газослива так велика, что чисто газосливпые печи применяются редко. Обычно печи работают с подпруженным газо-сливом (фигура 9).
5) Теорема. Обращенные фонтаны раскаленного пламени рассчитываются (например, в мартеновской печи) по формуле (фигура 10):
Г _ О 7 v 3in’a 2T3 + i>·
* " 29 · i
(г—скорость струн в .4 ек, а—уклон струи к горизонту, ()—ускорение силы тяжести,
tH—температура неподвижной среды, — температура движущейся струи фонтана). При «=90° (sin«=l) получим:
//=0,7 ·
V
29
273 + I__ 1д.~ ‘н. ’
С) Правило деления газовых потоков. Стынущий горячий поток делится равномерно на нисходящие струи; нагревающийся холодный поток делится равномерно на восходящие струи.
Правила конструкции пламенных печей. 1) В интересах равномерности нагревания рабочего пространства печи, в к-ром пламя
стынет, печь должна работать с обращенной тягой. Воздухонагреватель должен работать при восстающем движении нагреваемого воздуха. 2) Если раскаленный поток делится на несколько нисходящих ветвей и проходит через камеры или пролеты различной t°, то через наиболее холодные камеры или пролеты пойдет максимальн. количество пламени до тех пор, пока все камеры или пролеты не получат одной t° и не начнут работать совершенно равномерно. Так. обр., при нисходящем движении пламени или при работе обращенной тягой наблюдается явление самоуравниваиия темп-ры во всех полостях и пролетах печи. 3) При нагревании рабочего пространства большой высоты печными газами обращенной тягой верхние горизонты рабочего пространства поглощают теплоту горячих печных газов и в связи с этим приобретают темп-ру более высокую, чем нижние, поглощающие теплоту уже остывших печи, газов.
В тех случаях, когда требуется совершенно одинаковая температура вверху и внизу рабочего пространства, надо возбудить в нем, кроме движения печных газов вниз, еще дополнительную циркуляцию печных газов. Этого достигают, располагая пламенные пролеты на поду печи и направляя газы вверх. Поднимаясь кверху, горячее пламя увлекает за собой остывшие на поду струи печных газов и дает толчок циркуляции внутри рабочего пространства: от пламенных пролетов—кверху, а среди насадки нагреваемых предметов—книзу; эта циркуляция выравнивает ί° у пода и свода. Дымовые пролеты берутся с уровня пода. 4) В интересах правильности протекания реакции горения и ее полноты, сожигательные камеры должен быть устроены в виде мешка горячих газов. Подсводовое пространство является идеальной сожигателыюй камерой; поэтому рекомендуется делать печи с высоким сводом. 5) Свод понурый сосредоточивает температуру печи в ее передней головной части; свод восстающий поднимает темп-ру ее заднего хвостового конца. 6) Сожигательиая камера, открытая сверху, при отоплении снизу, с точки зрения Г. т., нецелесообразна. Например, в коуперовскнх аппаратах, направляя пламя нефтяных, газовых и пылевых форсунок в сожигателыюй камере инвертно, мы можем иметь сожигательную камеру, открытую сверху. 7) Устанавливая форсунку в сожигателыюй камере тангенциально, мы получаем смерч, засасывающий лежащие в центре камеры газы снизу, при направлении смерча сверху вниз, и сверху—при направлении смерча снизу вверх. 8) Отработавшие печные газы должны сниматься в дымовую трубу с уровня пода печи. Под должен быть правильно канализирован; должно избегать мешка холодных газов на поду. Плавильные печи имеют уровень ванны всегда ниже дымовых пролетов; т. о., ванна лежит в мешке холодных газов, и в этом отношении все плавильные печи представляют несообразность. Нагревание ванны достигается приданием большой скорости пламени в пролетах и направлением их фонтанов вниз на уровень ванны (теорема δ). 9) Чтобы нагревание слитков в методических печах шло быстро, недостаточно располагать слитки на трубах и
Фигура ю. под ними устраивать донный поток холодных печных газов; в печах, где пет шлака, полезно, кроме того, снимать остывшие газы с пода многими вертикальными каналами.
10) Если донный поток имеет малое сечение или сопротивление движению дыма по обыкновенному поду затруднено, то возможен прорыв в дымовой боров горячих печных газов из-под свода, минуя нагреваемый на поду материал. 11) При непрерывном поступлении в печь партий холодного металла взамен выдаваемого горячего, полезно разделить иод на автономные части, снабдив каждую своими дымовыми пролетами, расположенными между подами. 12) Если желательно иметь в передней части рабочего пространства печи высокую темп-ру, а в задней только подогревать материал, то рабочее пространство полезно разделить занавеской или перевальной стенкой на две части.
13) Для хорошей работы печи необходимо, чтобы пламя лизало под, что возможно только в том случае, если на поду давление равно атмосферному или выше атмосферного. При давлении на иоду ниже атмосферного иод заслонку печи будет засасываться наружный воздух, и на поду не будет пламени.
14) Садочные окна, прикрытые заслонками, дают ореол печных газов у верхнего края окна. Для уменьшения вреда от неплотного прилегания заслонок к окнам давление в печи нужно держать равным атмосферному.
15) Так. образ., механизм работы иечи представляется в следующем виде. Топка накачивает топочные газы в рабочее пространство, дымовая труба удаляет печные газы из рабочего пространства, где имеет место атмосферное давление. Для того чтобы топка была способна накачать нужное количество печных газов, необходимо, чтобы потери на сопротивление в слое топлива и образование скоростей в пролетах покрывались напором, создаваемым разностью уровней пода печи и колосников. При вялой работе печей полезно понизить уровень колосниковой решетки, то есть увеличить напор, нагнетательную способность топки, а следовательно, и расход топлива и количество газов, обогревающих печь. 16) Высота дымовой трубы должен быть только достаточной, чтобы удалять горячий дым через регенераторы, рекуператоры и борова. Никакого влияния на работу печи дымовая труба не оказывает, за исключением печей с окислительной атмосферой и отрицательным давлением в рабочем пространстве. 17) Ступенчатая колосниковая решетка топки может работать равномерно только в том случае, если уклон ее больше 45°. Тогда сопротивление более толстого слоя каменного угля на нижних линейках (полках) решетки компенсирует отрицательное давление нижних горизонтов решетки. Гидростатич. давление в шуровочных окнах этой топки должен быть или около атмосферного или ниже атмосферного, соответственно расстоянию от шуровочного окна до пода печи. Исходя из этого положения, рассчитывают напряжение колосниковой решетки и скорость в огневых пролетах самодувной печи. 18) Все окна печи должны быть расположены на одной высоте—иначе одно окно будет служить дымовой трубой для расположенного ниже окна. 19) Окна выгодно делать по возможности меньше и ниже. 20) Дымовые борова рассчитывают, как газосливы, площадка которых равна бесконечности. Так же рассчитывают и газопроводы. Чтобы обеспечить равномерную работу рекуператоров или решетки регенераторов, полезно делать высоту пролета дымохода ниже высоты дымовой камеры, т. о. подпрудить обращенную реку (фигура 11). 21) Слияние отдельных струй дымовых газов должно производиться под острыми углами по пути друг к другу. Правильное слияние достигается и в том случае, если струи встречаются под прямыми углами,
Фигура 1 1.
Фигура 12.
по боковые струи открываются в общий боров при помощи газосливов, зеркало которых совпадает с подом общего борова, а свод— с зеркалом в борове газовой реки (фигура 12).
Правила устройства безопасных газопроводов. 1) Если из общего доменного газопровода газ распределяется по различным устройствам на различных высотах, то при остановке дутья в доменную печь или остановке газогенератора возможно засасывание воздуха в нижнюю горелку и получение чатой смеси в общем газопроводе. Чем ближе к домне и выше над уровнем пода будет сделано ответвление, тем безопаснее устройство. 2) При проектировании газопроводов надо следить, чтобы при выдавливании холодного воздуха теплым газом в газопроводах не оставались мешки с холодным воздухом, которые являются причиной ов в газопроводах и, особенно часто, в подземных газовых боровах. 3) При пуске доменного и генераторного газа в газопроводы, выдавливание холодного воздуха теплым газом сверху вниз и теплого газа холодным воздухом снизу вверх может быть допущено как безопасное. Недопустимо выдавливание в обратном направлении.
Правила очистки газа от пыли. 1) Для осадки пыли надо увеличивать сечение газопровода и отводить газ сверху; тогда на дне газопровода искусственно получается мешок холодных газов,
ft—1
Фигура 13.
куда садится пыль (смотрите фигура 13); эти газы представляют, однако, при пуске газопровода, большую опасность в отношении а. Для предупреждения последнего должны быть устроены в борове специальные приспособления для выдавливания остатков воздуха теплым газом сверху вниз. 2) Прекрасным способом сухой очистки газа от пыли является ряд газосливов с тонкой струйкой—это принцип образования дюн
Фпг. 14.
(фигура 14). 3) Тех же результатов можно достигнуть устройством ряда вертикальных щелей, наподобие щитов для защиты ж.-д. пути от снежных заносов. 4) Газоочистители с тангенциальным подводом газа—подобие смерча—неудобны, так как они возбуждают циркуляцию внутренних слоев газа, и пыль в них плохо осаждается.
Правила устройства сушил многонратного насыщения. 1) Увлажненный остывший воздух отводится с пода сушила. 2) Многократность насыщения воздуха в сушилах устанавливается естественной циркуляцией, возбуждаемой расположенными у стен сушила радиаторами: подогретый ими воздух поднимается кверху, увлажненный же и остывший среди предметов, подвергаемых сушке, опускается вниз. 3) Разность температуры вверху и внизу сушила является функцией сопротивлений по пути движения циркулирующего воздуха и может быть доведена до нескольких градусов правильной штабелевкой сушимых предметов.4) Взамен высасываемого влажного воздуха в сушило поступает равный объём сухого наружного воздуха, подогреваемого радиаторами и смешивающегося с влажным воздухом, выполняющим сушила. Поэтому в сушилах многократного насыщения сушка производится всегда воздухом значительной влажности. 5) Влажность воздуха может быть доведена при желании до 100%, в зависимости от требований технологии сушки. Для этого надо только уменьшить количество удаляемого отработавшего воздуха.
Гидравлически правильная конструкция паровых котлов. Движение печных газов, как стынущих газов, должен быть направлено сверху вниз; поэтому паровой котел должен иметь только один оборот печных газов—сверху вниз. Вода в трубках котла должна иметь направление снизу вверх, по пути движения пара, что не трудно осуществить при помощи мощной трубы для обратной воды. Эта труба должна иметь двойные стенки, чтобы t° ее стенок была одинакова с t° в кипятильных трубках и чтобы поднимающийся кверху по ее внутренней поверхности пар не мешал движению воды вниз. Согласно Г. т., омывание всех кипятильных трубок и центральной трубы обратной воды совершенно одинаково, поэтому расширение всех стенок трубок происходит тоже одинаково, что допускает применение трубок произвольной длины (до 15 м) без всякого риска для их изгиба и течи.
Лит.: Г р у м-Г ржимайлоВ.Е., Пламенные печи, ч. I—V, Москва, 1925. В. Грум-Гржимайло.