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      高速气体熄灭器研制

      择要 介绍一种高速气体熄灭器的技能特点、设计要点和详细的设计办法,并使用液体火箭发起机的熄灭技能,为产业加热炉开辟了一种高效、节能、低净化的新型高速气体熄灭器,弥补了我百姓用熄灭器技能的一项空缺,已乐成地使用在油田、钢铁、陶瓷等行业。
      要害词 液体火箭发起机,熄灭器,熄灭实验。

      1 前 言

      高速气体熄灭器是古代熄灭技能在产业熄灭器财产的表现,其出口处低温熄灭产品的放射速率可达100 m/s~300 m/s,具有节能、高效、火焰动量可控等技能上风,在兴旺曾经普遍地使用在航空、钢铁、化工、轻工等行业的种种加热炉上。我国在80年月引进此项技能,并有一些仿制的产品投入市场,但由于其本钱高、耐火质料内衬易坏、利用寿命短,影响了推行。

      高速气体熄灭器是一种把燃料的化学能转换成熄灭产品的势能和动能的安装,液体火箭发起机是一种把推进剂的化学能转换成熄灭产品的热能和动能的安装,两者在事情原理上有类似之处。使用在液体火箭发起机研制方面的丰厚履历,开辟研制了一种多金属布局,接纳再生冷却的高功能的高速气体熄灭器。

      1.1 高速气体熄灭器的技能特点

      a) 好确构造熄灭,熄灭服从99.9%;
      b) 宽运转工况:热负荷调治比1∶20, 氛围系数0.5~10;
      c) 接纳分级熄灭,无害气体(NOx)排放切合环保尺度;
      d) 具有烟气引射回流功效,可以将废烟气从炉后引回重新投入炉内;
      e) 多金属布局,一连利用寿命3年。

      1.2 高速熄灭器进步换热服从的机理

      在传统的产业炉设计中,熄灭器的火焰速率约莫为每秒几米,当熄灭产品温度在600 °C~800 °C时,炉内对流换热与辐射换热各占50%;在熄灭产品温度为800 ℃以上时,以辐射换热为主;在熄灭产品温度到达1 400 ℃时,辐射换热是对流换热的10倍,以是大局部炉窑设计中,因此辐射换热为底子。但在接纳高速气体熄灭器后,即便在低温区,炉内被强化的对流换热在综合换热中所占的比严重大进步,详细阐明如下。

      接纳平凡熄灭器时,火焰速率低,熄灭产品在被加热物外表的活动为层流,层流的对流换热系数为

      h1-Nu*λ/d

      式中 努谢尔特数Nu=0.332Pr1/3*Re1/2;Pr为普朗特数;Re为雷诺数;λ为气体的导热系数;d为流道当量直径。

      接纳高速气体熄灭器, 火焰放射速率高(100 m/s~300 m/s),被加热体外表活动以紊流为主,紊流附面层部分放热系数为

      h2=Nu*λ/d

      式中Nu=Pr1/3(0.036Re0.8-836)

      设加热炉内腔尺寸为6.45m×2.3m×2.9m,熄灭产品温度为1 790 ℃,被加热体温度为900 ℃。

      接纳平凡熄灭器,熄灭产品流速为5 m/s时,熄灭产品与被加热体外表之间的对流换热比热流为

      q1=h1(tg-tw)=2671X4.18kJ/h*m2

      接纳高速气体熄灭器,熄灭产品流速为150 m/s时,熄灭产品与被加热体外表之间的对流换热比热流为

      q2=h2(tg-tw)=10685X4.18kJ/h*m2

      q2是q1的4倍。

      外洋曾就辐射加热炉和高速对流加热炉举行过比力实验,在0 ℃~1 200 ℃的加热历程中,辐射加热炉所需加热工夫是高速对流加热炉的6倍,在750 ℃~1 200 ℃的加热历程中,辐射加热炉所需加热工夫是高速对流加热炉的10倍。

      1980年,国际引进高速气体熄灭器在井式加热炉上举行技能改革,原有的辐射加热炉从0 ℃~650 ℃升温必要24 h,而接纳了高速气体熄灭器的加热炉从0 ℃~650 ℃升温只需4 h,而且燃料斲丧量也由于接纳了高速气体熄灭器可以节流25%~30%。

      在油田,用高速气体熄灭器改革成三合一加热炉,加热服从进步了1倍,而燃料斲丧量浪费了20%。

      高速气体熄灭器的熄灭产品高速冲进加热炉内,搅动多倍的炉内气体随之掺混,可以大大进步炉内温度匀称度。外洋一家工场用高速气体熄灭器改革加热炉后,炉内温度匀称度可由±15 ℃进步到±2 ℃。国际井式加热炉接纳高速气体熄灭器后,炉温匀称度到达±7 ℃。

      2 高速气体熄灭器设计要点

      2.1 好确构造熄灭

      新研制的高速气体熄灭器,为了到达完多熄灭,使燃气和氛围经过浩繁的喷孔辨别进入熄灭室,燃气射流与氛围射流逐一撞击,匀称混淆,分解射流矢量偏向应与熄灭室主轴线平行,制止一射流穿透另一射流,形成混淆不均。为了增加NOx的天生,接纳分区熄灭,前区熄灭温度低于后区熄灭温度,在熄灭室出口熄灭温度 高。前区是贫氧熄灭,后区增长供氧,在熄灭室出口到达过剩氛围系数α=1。

      云云设计,既可以公道配风,包管完多熄灭,避免CO天生,又可以维持较低的熄灭温度,增加无害气体NOx的天生。

      2.2 熄灭室室壁冷却

      熄灭室内充溢低温的熄灭产品,其金属室壁必需有充足的冷却,才干安多事情。效仿液体火箭发起机的再生冷却,在高速气体熄灭器的设计中,使用氛围在熄灭室外腔活动,吸取室壁传导的热量,包管室壁在安多的温度范畴内事情。同时将氛围预热可以促进完多熄灭和进步实际熄灭温度。

      在熄灭室喷口部分低温区,专门设计有氛围膜掩护金属壁。

      由于接纳了以上的设计,高速气体熄灭器的利用寿命可达3年,而其他单元设计消费的高速气体熄灭器的熄灭室由耐火质料作内衬,利用寿命为几个月,乃至有的产品,其耐火质料内衬事情不敷3个月就开裂。

      2.3 流阻设计

      在高速气体熄灭器设计中,为了使熄灭产品具有充足的动量,熄灭室应该有肯定的压力。依据用户提供的燃气物理化学参数和速率要求,举行熄灭盘算确定熄灭产品的各个热力参数后,熄灭室内熄灭产品的压力可以求出,即

      pc=pa/[1-(k-1)w2/2kRT]k/(k-1)

      式中pc为熄灭室压力;pa为情况压力;k为熄灭产品绝热指数;R为熄灭产品气体常数;T为熄灭温度;w为熄灭产品在喷口处的流速。

      氛围和燃气进入熄灭器,流经各自的通道,颠末喷孔进入熄灭室,沿途存在肯定的流阻。图1给出了熄灭器氛围流量Qk和氛围压降Δpk的干系;图2给出了熄灭器燃气流量Qr和燃气压降Δpr的干系。

       

      图1 熄灭器氛围流路流量与压降的干系(20 ℃) 图2 熄灭器<a id=自然气流路流量与压降的干系(20 ℃)" src="http://m.pvcsuliaoguan.com/static/fbb25eb5afc9922aca793c9b2601be41.jpg" />
      图1 熄灭器氛围流路流量与压降的干系(20 ℃) 图2 熄灭器自然气流路流量与压降的干系(20 ℃)

      熄灭器的氛围入口压力pk是熄灭室压力pc和氛围压降Δpk之和,熄灭器的燃气入口压力pr是熄灭室压力pc和燃气压降Δpr之和。即:

      pk=pc+Δpk
      pr=pc+Δpr

      pk和pr不克不及过高,应该满意用户提供的利用条件。

      高速气体熄灭器在利用自然气作燃气时,熄灭产品速率为100 m/s,其自然气入口压力为2 500 Pa,氛围入口压力为2 100 Pa。

      3 设计盘算

      3.1 熄灭盘算

      经过熄灭盘算确定燃气熄灭的氛围必要量L0、熄灭产品量Vα、熄灭产品密度ρ、气体常数R、绝热指数K和实际熄灭温度T。

      a) 依据选定的燃气,确定低位热值Qyd和构成成份的容积百分比。
      b) 确定熄灭1m3燃气所需的实际氛围量L0为

      L0=4.672/100*[1/2*CO+1/2*H2+(n+m/4)CnHm+3/2*H2S-O2]

      式中 CO,H2,CnHm为燃气成份容积百分比。

      c) 确定熄灭1m3燃气发生的熄灭产品量Vy为

      Vy=αL0+0.38+0.075Qyd/1000

      e) 确定实际熄灭温度T为

      T=(Qyd+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α>1)
      T=(Qy+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α<1)

      式中 Cr,Ck,Cy辨别是燃气、氛围、熄灭产品的均匀比热;Tr、Tk辨别是燃气和氛围的肇始温度;Qy为燃气的无效热量。

      Qy=Qyd-QVy

      式中 Q为熄灭产品所含的热量。

      Q=3022Xco + 2581Xh2

      式中 Xco、Xh2为熄灭CO、H2的容积百分比含量)。

      f) 确定熄灭产品密度为

      α=1 时 ρy=(44Xco2 + 18XH2O +28XN2)/22.4

      α<1 时 ρy=(44Xco2 + 28Xco + 18XH2O + 2XH20 + 28XN2)/22.4

      式中Xco2、Xco、Xh2O、Xh2、Xn2辨别为CO2、CO、H2O、H2、N2在熄灭产品中的容积百分比含量。

      g) 确定熄灭产品气体常数R为

      R=8.314/Meq

      式中Meq为熄灭产品的折合分子量。

      式中Xi为第i种身分在熄灭产品中的容积百分比含量

       

      式中Xi为第i种身分在熄灭产品中的容积百分比含量;Mi为第i种身分的分子量。

      h) 确定熄灭产品绝热指数k为

      式中Cpi为熄灭产品中第i种成份的比热

       

      式中Cpi为熄灭产品中第i种成份的比热。

      3.2 熄灭室布局设计盘算

      a) 选定熄灭器的热负荷Q0。
      b) 确定燃气斲丧量Vr(体积)、Gr(质量)为

      式中 ρr为燃气密度

       

      式中 ρr为燃气密度。

      c) 确定氛围斲丧量Vk(体积)、Gk(质量)为

      Vk=L0Vr
      Gk=Vkρk

      式中ρk为氛围密度。

      d) 确定熄灭产品天生量Gy为 Gy=Gr+Gk
      e) 依据利用条件选定熄灭产品在喷口的速率we。

      f) 确定熄灭室出口截面积Fe、直径de为

      Fe=GyWe/ρy(1+T/273)

      g) 确定熄灭室圆筒段截面积F1、直径d1为

      确定熄灭室圆筒段长度L1为 L1=(1~1.4)d1

       

      h) 确定熄灭室圆筒段长度L1为 L1=(1~1.4)d1

      3.3 熄灭室喷孔设计盘算

      3.3.1 燃气喷孔设计盘算

      a) 燃气放射速率wrj的选定。

      选定的准绳是:燃气射流与响应的氛围射流撞击后,分解射流偏向与熄灭室轴线平行。

      b) 确定燃气喷孔总面积Frj为 Frj=Vr/wrj
      c) 确定燃气放射流量沿燃气喷管长度的百分比散布。

       

      依据图3,燃气流量在熄灭室混燃区的百分比散布,确定燃气放射流量沿燃气喷管长度的百分比散布。

       

      熄灭室内氛围燃气流量的分派

      图3 熄灭室内氛围燃气流量的分派

      d) 确定燃气喷孔沿燃气喷管长度的散布。

      沿燃气喷管长度偏向共有n组燃气喷孔,间距约为20 mm;沿燃气喷管圆周偏向,每组共有m个喷孔,m=12~24。

      e) 确定各组燃气喷孔直径。

      依据燃气流量沿喷管长度的百分比散布,可以晓得喷孔的面积百分比散布,晓得每组喷孔的总面积,设同组喷孔直径相反,则该喷孔直径可求。

      3.3.2 氛围喷孔设计盘算

      a) 氛围放射速率wkj的选定。

      选定的准绳同3.3.1,在额外设计形态下,发起wkj≈15m/s。

      b) 确定氛围喷孔总面积Fkj为 Fkj=Vk/wkj
      c) 确定氛围放射流量在熄灭室内壁的散布。

      依据图3确定氛围流量,在额外设计形态下,发起在焚烧区的氛围过剩系数α≈0.6;在混燃区末了α≈0.8;在尾燃室末了α≈1。图4为熄灭室内气体流程图。

      熄灭室内气体流程图

       

      图4 熄灭室内气体流程图

      d) 混燃区氛围喷孔分组。

      依据燃料喷孔分组确定氛围喷孔分组,每组氛围喷孔个数为m。

      e) 尾燃区氛围喷孔确实定。

      尾燃区氛围流量约占氛围总流量的20%~30%,氛围喷孔应该直径小、数目大,在尾燃区筒内壁构成匀称的氛围冷却膜。

      4 熄灭实验

      高速气体熄灭器经自然气熄灭实验,证明其事情牢靠、操纵轻便。

      4.1 焚烧方法

      熄灭实验接纳了两种电焚烧方法,一种是高能

      焚烧器DHZ-103,焚烧频率1.5次/s,贮能12J/次;另一种是火焰监测焚烧器HJ-1,焚烧电压15 000 V,焚烧嘴为汽车火花塞。

      4.2 焚烧步伐

      a) 按额外负荷所需总氛围量的1/4供风;
      b) 电焚烧器通电;
      c) 翻开自然气开关,在α≈0.6时,即可乐成焚烧。

      4.3 热负荷调治

      额外热负荷为30 m3/h的熄灭器,在实验中,自然宇量增加至1.6 m3/h时,仍能维持熄灭(α≈14)。

      4.4 氛围系数调治

      实验中,熄灭器的氛围系数调治范畴为0.5~20,均可维持熄灭。

      4.5 燃气温度调治

      实验中,熄灭器出话柄测温度变革范畴为90 ℃~1 300 ℃(α≥2)。

      5 结 论

      高速气体熄灭器是使用液体火箭发起机的熄灭技能为产业加热炉开辟的一种高效、节能、低净化熄灭器。经自然气熄灭实验,证明其事情牢靠、操纵复杂、热负荷调治范畴大、氛围过剩系数及燃气温度调治范畴大。该熄灭器现在已乐成地使用在油田、陶瓷、钢铁等行业的加热炉上。



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