开封燃气工业炉空气动力计算

  一、燃气工业炉气体流动的特点

　　(一)燃气工业炉空气动力学及空气动力计算
　　为了使燃气工业炉能正常地工作，需要不断供给燃烧所用的燃气和空气，同时又要不断地把燃烧产生的烟气排出炉外。
　　所谓燃气工业炉的通风过程，正是指保证工业炉正常运行的连续供风和排烟的过程。燃气工业炉空气动力学就是用流体力学的基本原理来研究炉中气体流动和平衡的规律，以解决工业炉通风过程中的实际问题。其目的为正确组织工业炉内的气体流动，保证炉料加热的质量，最终使工业炉生产达到良好的技术指标。
　　同时，按照流体力学的基本原理。进行燃气工业炉的空气动力计算，求得送风、排烟系统内各区段的阻力、浮力，确定通风系统的压力分布，并求得总压降，为烟囱设计或送风机、引风机的选择，为工业炉生产操作、控制及安全运行等提供可靠依据。
　　(二)燃气工业炉气体流动的特点及实用流体方程
　　图3—9—15为工业炉自然通风时炉膛及烟道系统压力分布图。横坐标对应上图示意的通风系统各处；纵坐标为各处的相对压力(Pa)。
 

图3-9-15　燃气工业炉通风系统

　　图中，1为空气、燃气进口；2为燃烧室或火道，燃气和空气在此混合、燃烧；3为燃气工业炉炉膛，2—3由于浮力作用，系统压力增加至正压，满足了炉膛为正压的要求；4—5—6为烟道，烟气流动过程中，4—5克服阻力，消耗能量，系统压力降低，5—6由于浮力作用，系统压力又有所增加；6—7为热交换器，烟气流经时，阻力消耗大，系统压力下降；7—8—9也是烟道，7—8烟气流经烟道闸门，克服局部阻力，消耗较大能量；8—9烟气消耗能量，克服烟道阻力；9—10为烟囱，由于高大烟囱的浮力远大于阻力，使系统压力增大，到烟囱出口接近零压。
　　在燃气工业炉内，被加热物料一般都放在炉底，因此控制炉内压力的首要任务是保证炉底相对压力为零或微小正压(通常10～20Pa)。这时炉门缝隙稍有火苗冒出，而没有冷空气吸入，以保持炉内气氛，并使炉内不会有太多的过剩空气，不至降低炉温和恶化传热过程。
　　燃气工业炉整个送风、排烟系统的压力都接近于大气压，各处相对压力的数值都很小，而且变化甚微，如图3—9—15仅为-lOOPa～0Pa变化。即使在压力变化最大的空气、燃气预热器或余热锅炉中，变化也常常只有几千帕，因此，可忽略压力变化对气体可压缩性的影响。
　　同时，在各种情况下，整个送风、排烟系统的气流速度都不大，约每秒数米，气体马赫数(气流速度与当地音速之比值)远小于0.3，完全可以忽略流速变化对气体可压缩性的影响。
　　显然，在燃气工业炉通风过程中，影响气体可压缩性的压力、流速，温度三因素中，只有温度变化最剧烈，是不可忽略的。所以，必须分区段来确定气体的温度及密度，在温度变化范围较小的区段，可取算术平均密度；在温度变化剧烈的区段，则应取算术平均温度下的调和平均密度。
　　这样处理之后，在燃气工业炉空气动力计算中，就可以把通风系统内的气体都当成是不可压缩的流体了。
　　根据以上讨论，燃气工业炉空气动力计算的实用流体方程，就是实际流体的伯努利方程式，如式(2—23)所描述。

　　二、气体的阻力计算

　　燃气工业炉空气动力计算中，气体流动阻力包括摩擦阻力利局部阻力。其计算基本公式见式(2—27)、式(2—29)，在进行局部阻力计算时，其局部阻力系数K由通道或管路的结构而定。
　　当气流横向冲刷管束时，无论有无热交换，其流动阻力均属局部阻力，局部阻力系数K与管束的结构形式、管子排数及Re数有关。可以区别顺列管束、错列管束按计算公式或线算图来确定。空气、燃气或烟气流经管束时，由于截面收缩和扩大所引起的阻力损失已计入K中，不再另外计算。计算时，气流速度按烟道有效截面确定。烟气流动阻力计算简介如下。
　　计算烟气流动阻力的原始数据为烟气量、各区段烟气的平均流速和温度、烟道的有效截面积及其它结构特性。这些数据在燃气燃烧计算和热力计算中已经提及。由于阻力计算时所使用的各种线算图都是对于空气绘制的。因此，为了方便起见，可以利用线算图求得相应于空气密度的烟道各部分阻力；然后再根据烟气的密度进行阻力换算。
　　计算烟气流动阻力的顺序是从炉膛开始，沿烟气流动方向，依次汁算空气(燃气)预热器、余热锅炉、烟道等各部分的阻力。各部分阻力之和即为烟道的全压降。
　　1．炉膛
　　炉膛的摩擦阻力损失按式(2-27)计算，式中ω₀、t为炉膛内烟气平均流速和温度。实际上由于工件在炉底排列并不整齐，故炉膛内压力损失比汁算结果要大。可以粗略地取为计算值的两倍。
　　2．空气(燃气)预热器
　　其结构形式有管式、片状和辐射式。
　　(1)管式空气预热器
　　这种换热器的基本构件是钢管。通常管内走空气，管外走烟气。
　　一般机械排风时，可采用烟气在管内流动，此时烟气阻力由管内的摩擦阻力和管子进出口的局部阻力所组成。这两项阻力均按平均烟气流速和温度计算。
　　管式空气预热器的摩擦阻力和局部阻力也可按公式和线算图确定。
　　当空气在管内流动时，一般流速为4～8m/s；烟气则以1～2m／s的速度从管间流过。空气和烟气流速之比应不小于1．5～3．0，以防管子烧坏。预热器内的空气阻力为300～3000Pa；烟气阻力为20～300Pa。