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 гидростатическом давлении не учитывается роль атмосферы; вопрос о гидростатическом давлении газов легче воздуха также не был поднят, и у наших современников явилось представление, что гидростатического давления в газах даже не существует. Только твердо установив наличие и величину гидростатического давления, В. Е. Грум-Гржимайло удалось объяснить многие явления, наблюдаемые в печах, дать метод научного проектирования печей, сушил, газопроводов и пр. Математическое обоснование гидравлической теории дал профессор И. Г. Есьман. Экспериментальной проверкой ее основ занимается ныне лаборатория профессора 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 кубической единицы наружного воздуха и теплого легкого газа. Фиг. 1 представляет опыт с легкой жидкостью - керосином и тяжелой - водой.

Опыт с легкой жидкостью - керосином и тяжелой - водой

Уровень керосина bb в открытом снизу ламповом стекле стоит выше, чем уровень воды aa. В точке х получается гидростатическое давление, измеряемое высотой керосина Н—h. Фиг. 2 представляет пробирку с керосином, погруженную в воду.

Пробирка с керосином, погруженная в воду

У верхнего отверстия керосин будет испытывать гидростатическое давление

Гидростатическое давление

где Вв. и Вк. удельные веса или веса кубической единицы воды и керосина, Н - расстояние от нижнего зеркала керосина до пункта, где измеряется гидростатическое давление. Вес 1 м3 наружного воздуха равен 1,293/(1+αt) кг, где t - температура наружного воздуха, α - коэффициент расширения воздуха = 1/273. Если обозначить через λ вес 1 м3 газа при 0°, то вес 1 м3 теплого легкого газа при температуре t будет  λ/(1+αt), а гидростатическое давление

Гидростатическое давление

Следствие. Если вверху полости, заполненной легким газом, будет атмосферное давление (например, у дымовой трубы), то у нижнего зеркала легкого газа будет соответствующее гидростатическому давлению разрежение.

Гидростатическое давление

На (фиг. 3) показан сосуд, который заполнен водородом и открыт снизу; наверху его имеет место положительное давление (+δ). На фиг. 4 представлен сосуд, имеющий волосное отверстие с, сообщающее его с атмосферой, но плотно прикрытое снизу; манометр показывает внизу разрежение (—δ). На фиг. 5 изображена дымовая труба, имеющая разрежение у основания (—δ).

2) Теорема. Всякое движение жидкости или газа есть результат расхода напора. Скорость движения жидкости или газа определяется по формуле

Скорость движения жидкости или газа определяется по формуле

Поэтому движение струи теплого легкого газа или пламени есть результат расхода напора, или высоты столба этого газа h; скорость этого движения определяется той же формулой. Например, при гидростатическом давлении газа, равном δ мм водного столба, напор в метрах выразится так:

При гидростатическом давлении газа, равном δ мм водного столба, напор в метрах

а скорость истечения

Скорость истечения

3) Теорема. Пламенный поток есть обращенная река. Фиг. 6 и 7 представляют опыты переливания газа тяжелее воздуха (углекислоты) и легче воздуха (водорода).

Опыты переливания газа тяжелее воздуха (углекислоты) и легче воздуха (водорода)

Последний представляет обращенную реку.

4) Теорема. Глубина обращенного газослива пламени определяется по формуле И. Г. Есьмана:

Глубина обращенного газослива пламени определяется по формуле И. Г. Есьмана

где Qt - расход газа в м/сек при температуре t, В - ширина газослива в м, t - температура газа, А - коэффициент, определяемый из приведенной ниже таблицы (где ht - высота, а Е - длина газослива, в данном случае свода печи, в м).

Gidravl teory 11

Фиг. 8 представляет водослив; картина для легкого газа получится, если обратить рисунок верхней стороной вниз.

Водослив

Следствие. Для скорости легкого газа имеем формулу:

Для скорости легкого газа имеем формулу

Скорость газослива так велика, что чисто газосливные печи применяются редко. Обычно печи работают с подпруженным газосливом (фиг. 9).

Обычно печи работают с подпруженным газосливом

5) Теорема. Обращенные фонтаны раскаленного пламени рассчитываются (например, в мартеновской печи) по формуле (фиг. 10):

Обращенные фонтаны раскаленного пламени рассчитываются (например, в мартеновской печи) по формуле

Обращенные фонтаны раскаленного пламени рассчитываются (например, в мартеновской печи) по формуле

(v - скорость струи в м/сек, α - уклон струи к горизонту, g - ускорение силы тяжести, tH. - температура неподвижной среды, tд. - температура движущейся струи фонтана). При α = 90° (sin α = 1) получим:

Gidravl teory 17

6) 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 котором 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 температуры, то через наиболее холодные камеры или пролеты пойдет максимальное количество пламени до тех пор, пока все камеры или пролеты не получат одной температуры и не начнут работать совершенно равномерно. Таким образом, при нисходящем движении пламени или при работе обращенной тягой наблюдается явление самоуравнивания температуры 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 температуру более высокую, чем нижние, поглощающие теплоту уже остывших печных 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 температуры у пода и свода. Дымовые пролеты берутся с уровня пода. 4) В интересах правильности протекания реакции горения и ее полноты, сжигательные камеры д. б. устроены в виде мешка горячих газов. Подсводовое пространство является идеальной сжигательной камерой; поэтому рекомендуется делать печи с высоким сводом. 5) Свод понурый сосредоточивает температуру печи в ее передней головной части; свод восстающий поднимает температуру ее заднего хвостового конца. 6) Сжигательная камера, открытая сверху, при отоплении снизу, с точки зрения гидравлической теории, нецелесообразна. Например, в коуперовских аппаратах, направляя пламя нефтяных, газовых и пылевых форсунок в сжигательной камере инвертно, мы можем иметь сжигательную камеру, открытую сверху. 7) Устанавливая форсунку в сжигательной 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 д. б. 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 5). 9) Чтобы нагревание слитков в методических печах шло быстро, недостаточно располагать слитки на трубах и под ними устраивать донный поток холодных печных газов; в печах, где нет 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 под на автономные части, снабдив каждую своими дымовыми пролетами, расположенными между подами. 12) Если желательно иметь в передней части рабочего пространства печи высокую температуру, 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 поду ниже атмосферного под 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)             Таким образом, механизм работы печи 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, т. е. увеличить напор, нагнетательную способность топки, а, следовательно, и расход топлива и количество газов, обогревающих печь. 16) Высота дымовой трубы д. б. 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. Гидростатическое давление в шуровочных окнах этой топки д. б. 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. е. подпрудить обращенную реку (фиг. 11).

Гидравлическая теория

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, но боковые струи открываются в общий боров при помощи газосливов, зеркало которых совпадает с подом общего борова, а свод - с зеркалом в борове газовой реки (фиг. 12).

Гидравлическая теория

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 взрывчатой 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 взрывов 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, куда садится пыль (см. фиг. 13); эти газы представляют, однако, при пуске газопровода, большую опасность в отношении взрыва.

На дне газопровода искусственно получается мешок холодных газов, куда садится пыль

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 (фиг. 14).

Прекрасным способом сухой очистки газа от пыли является ряд газосливов с тонкой струйкой - это принцип образования дюн

3) Тех же результатов можно достигнуть устройством ряда вертикальных щелей, наподобие щитов для защиты железнодорожного 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 многократного 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 объем 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, д. б. 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 температура ее стенок была одинакова с температурой в кипятильных трубках и чтобы поднимающийся кверху по ее внутренней поверхности пар не мешал движению воды вниз. Согласно гидравлической теории, 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.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.