Свободные струи, их свойства

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 затопленной, 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).

W_m=W_H W_m< W_H

начальный основной участок

участок

рис. 1 Схема распределения скоростей в различных сечениях свободной струи

Свободная затопленная струя (рис.1) обладает рядом характерных свойств, одним из которых является постоянство количества движения по длине струи, т. е. mw=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. Однако падение кинетической энергии и осевой скорости струи происходит неодинаково. Объясняется это тем, что скорость начинает уменьшаться, прежде всего, на периферии струи. Постепенно 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.

3.Частично ограниченные струи.

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.2). 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. 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 вовлекает в 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.

Важной характеристикой работы инжектора является объемная k=V_и/V_p и массовая n=(V_и*p_и)/(V_p*p_p)=m_и/m_pкратность 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 m_и и, следовательно, k.

4.Явление инжекции.

Ограниченные струи: Характерной особенностью ограниченных струй является то, что они развиваются в камере, размеры которой соизмеримы с размерами струи( рис. 3). 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 K=m₂/m₁,где m₁ – секундный массовый расход газа в сечении 1-1(рис.3); m₂ – секундный массовый расход газа в сечении 2-2; m₂=m₁+m_ц (m_ц – масса циркулирующего газа)

5.Тягодутьевые устройства:

В практических условиях часто встречаются случаи, когда необходимо нагнетание или отсасывания газа при помощи специальных устройств. К таким устройствам относятся вентиляторы и дымососы.

Применение искусственной тяги бывает необходимо при больших сопротивлений дымового тракта или при недостаточной тяге существующей дымовой трубы. При низкой температуре дымовых газов (не более 400 – 450 С) обычно применяют центробежные дымососы (отсасывающие вентиляторы) прямого действия. При более высоких температурах используют косвенную тягу, при которой струя газов (воздух, пар) эжектирует (отсасывает) отходящие газы.

В качестве дымососов прямого действия (рисунок а) используют центробежные вентиляторы, обеспечивающие подачу воздуха под давлением, превышающие 1000 Па.

Вентиляторы, выполненные из обычной углеродистой стали, могут работать при температуре, не превышающих 523К (250 С). Вентиляторы специальной конструкции, выполненные из жаропрочной стали, могут работать при температуре дыма до 673 – 723К (400 – 450 С). Однако значительные затраты энергии и зачастую недостаточная долговечность работы ограничивает их применение. Вентиляторы выбирают по таблицам или номограммам в зависимости от расходов газа (V, ) и суммарных потерь напора (давления) в сети с учётом запаса, равного 25% - Рэфф.

Номограммы составляют для воздуха с температурой 293К (20 С), поэтому при выборе вентиляторов для перемещение газа или воздуха с другой температурой заданное давление необходимо пересчитать по формуле:

, Па

Мощность на валу вентилятора определяется по формуле:

, кВт

η - к.п.д. вентилятора.

Мощность электродвигателя обычно принимают на 15% больше мощности на валу вентилятора.

В основе тяг косвенного действия лежит принцип эжекции, сущность которого рассмотрена выше.

Струнные аппараты могут быть использованы как на отсос, так и на нагнетание. Если осуществляется отсос дымовых газов, то струнный аппарат работает как дымосос косвенного действия.

Рисунок – схемы работы дымососов прямого (а) и косвенного (б) действия

Лекция 8:

Теплопередача.