Тепловые устройства и инновации на основе термодинамики: Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.А.Черный

ТЕПЛОВЫЕ УСТРОЙСТВА И ИННОВАЦИИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОДИНАМИКИ

Учебное пособие

Пенза 2009

УДК 347

Черный А.А. Тепловые устройства и инновации на основе термодинамики: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 59 с.

Рассмотрены тепловые устройства и инновации на основе термодинамики. Приведены изобретения, контрольные вопросы. Учебное пособие подготовлено на кафедре «Машины и технология литейного производства» и в Научно-исследовательском институте плавки литейных сплавов при Пензенском государственном университете. Оно предназначено для студентов всех форм обучения по специальности «Машины и технология литейного производства» и других инженерных специальностей. Его можно использовать при выполнении творческих работ на уровне изобретений, полезных моделей, промышленных образцов, авторских разработок.

Рецензенты: Научный совет Пензенского научного центра; А.С.Белоусов, главный металлург ОАО «Пензадизельмаш»

©

А.А.Черный, 2009

2

ВВЕДЕНИЕ В технике широко используются устройства, в которых применяется теплота. Теплота – это такая форма передачи энергии, при которой осуществляется обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел. Процесс передачи внутренней энергии без совершения работы называется теплообменом. Теплота, как и работа, являются не видом энергии, а формой ее передачи. Наиболее общие свойства системы описывают три начала термодинамики. Первое начало термодинамики – это закон сохранения энергии. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия (хаос) в замкнутой системе стремится к увеличению. Третье начало утверждает, что по мере приближения температуры к абсолютному нулю энтропия системы стремится к нулю. Теплообменные процессы являются неотъемлемой частью многих производственных процессов. Теплота передается теплопроводностью, конвекцией, излучением. Происходят обратимые и необратимые процессы, круговые процессы (циклы). Широко применяются тепловые двигатели, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. В литейном производстве используются шахтные плавильные печи – газовые вагранки, совершенствование которых на уровне изобретений продолжается. В учебном пособии приводятся сведения о двигателях внутреннего сгорания, газовых вагранках, изобретениях, разработанных с учетом закономерностей термодинамики, теплопередачи, процессов горения, теплообмена, физических и химических взаимодействий. Учебное пособие позволяет выявить новые направления по совершенствованию тепловых устройств, повышению эффективности тепловых процессов.

3

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ Возникновение термодинамики начинается с работы С.Карно (термин "термодинамика" введен Б.Томпсоном). Исследуя практическую задачу получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровым машинам, но к любым тепловым машинам. Был сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного действия тепловых машин, Карно ввел цикл, состоящий из двух изотермических (происходящих при постоянной температуре) и двух адиабатических (без притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа) и определяется температурами теплоотдатчика и теплоприемника. КПД любой тепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла Карно. Теплота может создавать работу лишь при наличии разности температур. По своему смыслу это и составляет содержание второго начала термодинамики. КПД тепловой машины оказался зависимым не от рабочего вещества, а от температуры теплоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карно прийти к признанию принципа невозможности создания вечного двигателя первого рода (т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной, совершала бы работу без притока извне). Карно заложил основы термодинамики как раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться на основе фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов. Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) определенного количества теплоты в общем случае происходит при приращении внутренней энергии системы и она совершает работу против внешних сил. Идея о том, что теплота – не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, в зависимости от условий, выступает в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превращения этой идеи в ясное и точное понятие, необходимо было определить общую меру этой силы. Это сделали, независимо друг от друга, Р.Майер, Д.Джоуль и Г.Гельмгольц. Р.Майер сформулировал закон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты (1842 г.). Д.Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии и определил меру превращения механической 4

работы в теплоту. Г.Гельмгольц в 1847 г. математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Подход всех трех авторов закона сохранения энергии был различным. Майер отталкивался больше от общих положений, связанных с аналогией между "живой силой" (энергией), которую приобретали тела при своем падении в соответствии с законом всемирного тяготения, и теплотой, которую отдавали сжатые газы. Джоуль шел от экспериментов по выявлению возможности использования электрического двигателя как практического источника энергии (это обстоятельство и заставляло его задуматься над вопросом о количественной эквивалентности работы и теплоты). Г.Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь применить концепцию движения Ньютона к движению большого числа тел, которые находятся под влиянием взаимного притяжения. Его вывод о том, что сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается постоянной, является формулировкой закона сохранения энергии в его наиболее общей форме. Механическая работа, электричество и теплота - различные формы энергии. Д.Бернал так охарактеризовал его значение: "Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики - так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной. То, что было установлено, представляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты. Килограммометрами работы и киловаттчасами электричества. Вся человеческая деятельность в целом - промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина - энергия." Второе начало термодинамики - закон возрастания энтропии: в замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Существуют и другие эквивалентные формулировки второго начала термодинамики, принадлежащие разным ученым: невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу, более нагретому, без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р.Клаузиус); невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либо термодинамический цикл, машину, вся работа которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответствующему охлаждению теплового резервуара (В.Томсон, М.Планк); невозможно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного "неисчерпаемого" источника (океана, атмосферы и т.д.) в работу (В.Оствальд). В.Томсон (лорд Кельвин) сформулировав принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода, в 1852 году пришел к формирова5

нию концепции "тепловой смерти" вселенной. Ее суть раскрывается в следующих положениях. Во-первых, во вселенной существует тенденция к расточению механической энергии. Во-вторых восстановление механической энергии в прежнем количестве не может быть осуществлено. Втретьих, в будущем Земля очутится в непригодном для жизни человека состоянии. Через 20 лет Клаузиус приходит к тому же выводу, сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропия вселенной стремится к максимуму. (Под энтропией он понимал величину, представляющую собой сумму всех превращений, которые должны были иметь место, чтобы привести систему в ее нынешнее состояние.) В замкнутой системе энтропия может только возрастать или оставаться постоянной. Во всякой изолированной системе тепловые процессы однонаправлены, что и приводит к увеличению энтропии. Стоит энтропии достигнуть максимума, как тепловые процессы в такой системе прекращаются, что означает принятие всеми телами системы одинаковой температуры и превращение всех форм энергии в тепловую. Наступление состояния термодинамического равновесия приводит к прекращению всех макропроцессов, что и означает состояние "тепловой смерти". Для распространения второго начала термодинамики на другие необратимые процессы было введено понятие энтропии как меры беспорядка. Для изолированных систем (не пропускающих тепло) второе начало термодинамики можно выразить следующим образом: энтропия системы никогда не уменьшается. Система, находящаяся в состоянии равновесия, имеет максимальную энтропию. Понятие энтропии связывают и с понятием информации. Система, находящаяся в упорядоченном состоянии, содержит много информации, а неупорядоченная система содержит мало информации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайный набор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют с отрицательной энтропией (или негэнтропией). При росте энтропии информация уменьшается. Среди множества выдвинутых против этого вывода возражений наиболее известным было возражение Максвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную область применения. Максвелл считал второе начало термодинамики справедливым, пока мы имеем дело с телами, обладающими большой массой, когда нет возможности различать в этих массах отдельные молекулы и работать с ними. Он предложил проделать мысленный эксперимент - представить себе существо, способное следить за каждой молекулой во всех ее движениях, и разделить какой-либо сосуд на две части перегородкой с маленьким отверстием в ней. Это существо (названное "демоном Максвелла"), способное различать отдельные молекулы, будет попеременно то открывать, то закрывать отверстие таким образом, чтобы быстро движущиеся молекулы могли переходить в другую половину. В этом случае "демон Максвелла" без затраты работы смог бы повысить температуру в первой половине сосуда и понизить во второй вопреки второму началу термодинамики. 6

Данный процесс асимметричен во времени - без внешнего вмешательства он не может стать обратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернутся в первоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядок стремится уступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, которые как будто бы противоречат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своем развитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченные этой жидкости и т.д. Однако полная энтропия системы вместе с окружающей средой возрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропии солнечного излучения и т.д. Л.Больцман, предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку, сформулировал H-теорему, являющуюся результатом соединения двух подходов к приближению газа к состоянию равновесия - макроскопического (законов ньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического (исходящего из представления газа как стремящегося к беспорядочному перераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может только возрастать - таково поведение термодинамических систем во времени. Однако с Н-теоремой Больцмана оказался связанным парадокс, вокруг которого возникла дискуссия. Суть заключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика симметрична во времени - любое движение атомов, основанное на законах ньютоновской механики, может быть представлено как происходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что возрастание энтропии асимметричного во времени) не может быть верной - для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметрию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастания энтропии оказывалась несостоятельной. На это первым обратили внимание Й.Лошмидт и Э.Цермело. При выводе Н-теоремы Больцман кроме механики Ньютона опирался на предположение о молекулярном хаосе, которое, однако, не всегда верно. По теории вероятности, возможность того, что молекулы газа в упомянутом ранее сосуде будут двигаться не хаотично, а устремятся в какую-то одну его половину, не является нулевой, хотя и исчезающе мала. Поэтому можно сказать, что в принципе могут быть случаи, когда энтропия убывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом, Н- теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии. Но временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет 7

внутренних беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренних хаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделяясь от окружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окружающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами - в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого воздействия извне. При этом причина асимметрии - не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет. Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника (предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной. Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с "демоном Максвелла" делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим. Третье начало термодинамики (теорема Нернста) : энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость аб8

солютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов. Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет невозможным создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния - энергию, второе начало ввело функцию состояния энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым. Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Двигатели внутреннего сгорания относятся к тепловым двигателям, в которых химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу. Газовый двигатель внутреннего сгорания был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 году немецкий изобретатель Н. Отто построил 4-тактный газовый двигатель внутреннего сгорания. По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания принципиально более прост, так как устранено одно звено энергетического преобразования — парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило компактность двигателя внутреннего сгорания, меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть). 9

В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил бензиновый карбюраторный двигатель. Британский инженер Д. Аткинсон в 1886 году разработал двигатель, который был приблизительно на 10 % более эффективен чем у Отто. В его двигателе такты впуска и сжатия были короче, чем такты рабочего хода и выпуска. Это стало возможно из-за своеобразного кривошипа и механизма связи между поршнем и маховым колесом. Он имел дополнительное преимущество – маховое колесо делало один оборот для каждых двух движений поршня и поэтому клапанами можно было управлять непосредственно от вала махового колеса и отдельный распредвал не требовался. В 1897 году немецкий инженер Р.Дизель, работая над повышением эффективности двигателя внутреннего сгорания, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого двигателя внутреннего сгорания на заводе Л. Нобеля в Петербурге в 1898—99 гг. позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого двигатель внутреннего сгорания становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 году в США был разработан трактор с двигателем внутреннего сгорания. Дальнейшее развитие автомобильных двигателей внутреннего сгорания позволило братьям О. и У.Райт построить первый самолёт с двигателем внутреннего сгорания, начавший свои полёты в 1903 году. В 1903 году русские инженеры установили двигатель внутреннего сгорания на судне «Вандал», создав первый теплоход. В 1924 году по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз. В 1947 году американский инженер Р. Миллер усовершенствовал двигатель Аткинсона. Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода, он принимал меры, чтобы впускной клапан оставался открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя на такте впуска топливо-воздушной смесью заполняется полный объем цилиндра, часть смеси вытесняется через открытый впускной клапан, когда поршень двигается вверх. Настоящий такт сжатия начинается, когда закрывается впускной клапан и смесь становится запертой в цилиндре. Этот двигатель называют «пятитактным», имея в виду, что такт сжатия разделен на такт вытеснения смеси и истинный такт сжатия. Современные двигатели внутреннего сгорания разделяются: По способу смесеобразования : - с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и газовые); - с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров) – дизели. По способу осуществления рабочего цикла : - четырехтактные; 10

- двухтактные. По числу цилиндров : - одноцилиндровые; - двухцилиндровые; - многоцилиндровые. По расположению цилиндров : - с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд; - V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным). По способу охлаждения : - с жидкостным охлаждением; - с воздушным охлаждением. По виду применяемого топлива : - бензиновые; - дизельные; - газовые; - многотопливные. По степени сжатия : - высокого (E=12...18) сжатия; - низкого (E=4...9) сжатия. По способу наполнения цилиндра свежим зарядом : - без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня;

11

- с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя. По частоте вращения : - тихоходные; - повышенной частоты вращения; - быстроходные. Поршневой двигатель внутреннего сгорания устроен следующим образом. Остов двигателя - группа неподвижных деталей, являющихся базой для всех остальных механизмов и систем. К остову относятся блок – картер, головка (головки) цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, передняя и задняя крышки блок - картера, а также масляный поддон и ряд мелких деталей. Основными частями двигателя внутреннего сгорания являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система. Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно- поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм включает в себя поршневую группу (поршни, шатуны, коленчатый вал и маховик). Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Эти функции выполняют кулачковый ( распределительный) вал, приводимый в движение от коленчатого вала, а также толкатели, штанги и коромысла, открывающие клапаны. Клапаны закрываются клапанными пружинами. Система питания осуществляет приготовление горючей смеси из топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в количестве, зависящем от мощности двигателя. Система состоит из топливного бака, топливоподкачивающего насоса, топливного фильтра, трубопроводов и карбюратора, являющегося основным узлом системы. Смазочная система – система агрегатов и каналов, подводящих смазку к трущимся поверхностям. Масло, находящееся в масляном поддоне, подается насосом в фильтр грубой очистки и далее через главный масляный канал в блок - картере под давлением поступает к подшипникам коленчатого и кулачкового валов, к шестерням и деталям механизма газораспределения. Смазка цилиндров, толкателей и других деталей производится масляным туманом, образующимся при разбрызгивании масла, вытекающего из зазоров в подшипниках вращающихся деталей. Часть масла отводится по параллельным каналам в фильтр тонкой очистки, откуда сливается обратно в поддон. 12

Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма. Может быть жидкостной и воздушной. Жидкостная система состоит из рубашек цилиндров и головок, заполненных охлаждающей жидкостью (водой, антифризом и т. п.), насоса, радиатора, в котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и устройств, регулирующих температуру воды. Воздушное охлаждение осуществляется обдувом цилиндров и головок вентилятором или потоком воздуха (на мотоциклах). Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя. В систему входят источники тока - генератор и аккумулятор, а также прерыватель, от которого зависит момент подачи искры. В систему включается распределитель тока высокого напряжения по соответствующим цилиндрам. В одном агрегате с прерывателем находятся конденсатор, улучшающий работу прерывателя, и катушка зажигания, с которой снимается высокое напряжение ( 12-20 кв ). Система пуска состоит из электрического стартера, шестерен передачи от стартера к маховику, источника тока ( аккумулятора ) и элементов дистанционного управления. В функции системы входит вращение вала двигателя для его пуска. Система впуска и выпуска состоит из трубопроводов, воздушного фильтра на впуске и глушителя шума на выпуске.

Рис. 1. Одноцилиндровый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания а) «стакан» в «стакане»; б) поперечный разрез 1 - головка цилиндра; 2 - цилиндр; 3 - поршень; 4 - поршневые кольца; 5 13

поршневой палец; 6 - шатун; 7 - коленчатый вал; 8 - маховик; 9 - кривошип; 10 - распределительный вал; 11 - кулачок распределительного вала; 12 - рычаг; 13 - клапан; 14 - свеча зажигания Основной частью одноцилиндрового карбюраторного двигателя (рис. 1), является цилиндр с укрепленной на нем съемной головкой. Цилиндр вместе с головкой, похож на стакан, перевернутый вверх дном. Внутри цилиндра помещен еще один «стакан», также вверх дном, это - поршень. На поршне в специальных канавках находятся поршневые кольца. Они скользят по зеркалу внутренней поверхности цилиндра, и они не дают возможности газам, образующимся в процессе работы двигателя, прорваться вниз. В тоже время кольца препятствуют попаданию вверх масла, которым смазывается внутренняя поверхность цилиндра. С помощью пальца и шатуна, поршень соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается в подшипниках, установленных в картере двигателя. На конце коленчатого вала крепится массивный маховик. Через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь (смесь воздуха с бензином), а через выпускной клапан выходят отработавшие газы. Клапаны открываются при набегании кулачков вращающегося распределительного вала на рычаги. При сбегании же кулачков с рычагов, клапаны закрываются под воздействием пружин. Распределительный вал с кулачками приводится во вращение от коленчатого вала двигателя. В резьбовое отверстие головки цилиндра ввернута свеча зажигания, которая электрической искрой, проскакивающей между ее электродами, воспламеняет рабочую смесь. Четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами , открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.

14

Рис. 2. Ход поршня и объемы цилиндра двигателя а) поршень в нижней мертвой точке б) поршень в верхней мертвой точке

Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ) (рис. 2), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ). Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R. Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д - диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность. Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. 15

При этом повышается температура газов и давления. Т.к. давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива. Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска. По виду применяемого топлива двигатели подразделяются на карбюраторные, дизельные и газовые. Карбюраторные – это двигатели, работающие на жидком топливе (бензине), с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, топливо перемешивается с воздухом в определенной пропорции с помощью карбюратора. Дизельные - это двигатели, работающие на жидком топливе (дизельном топливе), с воспламенением от сжатия. Подача топлива осуществляется форсункой, а смешивание с воздухом происходит внутри цилиндра. Газовые - это двигатели, которые работают на пропанобутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом в карбюраторе. По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от карбюраторных (бензиновых). Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя представлены на рис. 3.

16

Рис. 3. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск

1. Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 - 0.095 МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь. 2. Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются. 3. Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С. 4. Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод. 17

Рабочий цикл четырехтактного дизеля происходит следующим образом. 1. Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С. 2. Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. 3. Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 - 9 МПа, а температура 1800 - 2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ - происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 - 0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С. 4. Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 - 0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности. Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных двигателей продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. Поэтому двигатель данного вида имеет компрессор (продувочный насос). У двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенные моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет три окна: впускное, выпускное и продувочное, которое сообщается клапаном с кривошипной камерой двигателя. Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта. 1. Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окно. После закрытия поршнем вы18

пускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности создается разряжение, под действием которого из карбюратора через открытое впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру. 2. Рабочий ход. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь. Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов. Рабочий цикл двухтактного дизельного двигателя отличается от рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем, что у дизеля в цилиндр поступает воздух, а не горючая смесь, и в конце процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо. Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60...70%. При работе двигателя внутреннего сгорания из каждых десяти литров использованного топлива только около двух идет на полезную работу, а все остальные - на «согревание» окружающей среды. Коэффициент полезного действия ныне выпускаемых двигателей составляет всего около 20%. Но пока не разработано более совершенное устройство, которое могло бы долго и надежно работать при более высоком КПД. Полезная механическая работа совершается двигателем только в течение одного такта - рабочего хода. Остальные три такта называются подготовительными (выпуск, впуск и сжатие) и совершаются они за счет кинетической энергии маховика, вращающегося по инерции.

19

Рис.4. Коленчатый вал двигателя с маховиком 1 - коленчатый вал двигателя; 2 - маховик с зубчатым венцом; 3 - шатунная шейка; 4 - коренная (опорная) шейка; 5 - противовес Маховик - это массивный металлический диск, который крепится на коленчатом валу двигателя. Во время рабочего хода, поршень, через шатун и кривошип, раскручивает коленчатый вал двигателя, который передает запас инерции маховику. Запасенная в массе маховика инерция позволяет ему, в обратном порядке, через коленчатый вал, шатун и поршень осуществлять подготовительные такты рабочего цикла двигателя. То есть, поршень движется вверх (при такте выпуска и сжатия) и вниз (при такте впуска), именно за счет отдаваемой маховиком энергии. Если же двигатель имеет несколько цилиндров, работающих в определенном порядке, то подготовительные такты в одних цилиндрах совершаются за счет энергии, развиваемой в других, а маховик тоже помогает. Главное достоинство дизельных двигателей - низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, и само горючее дешевле бензина. К числу недостатков дизеля по сравнению с бензиновыми двигателями относятся: сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума. Главной особенностью работы дизельного двигателя является то, что топливо подается форсункой или насос-форсункой непосредственно в цилиндр двигателя под большим давлением в конце такта сжатия. Необходимость подачи топлива под большим давлением обусловлена тем, что степень сжатия у таких двигателей в несколько раз больше, чем у карбюраторных. И так как давление и температура в цилиндре дизельного двигателя очень вы20

соки, то происходит самовоспламенение топлива. Следовательно, искусственно поджигать смесь не надо. Поэтому у дизельных двигателей отсутствуют не только свечи, но и вся система зажигания. Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания дизельного двигателя делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные. Дизельные двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателями с непосредственным впрыском.

Разделенная форкамерРазделенная вихрекамерная камера сгорания ная камера сгорания

Полуразделенная камера Неразделенная сгорания сгорания

камера

Рис. 5. Камеры сгорания дизельных двигателей Дизельные двигатели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследст21

вие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества. Дизельные двигатели с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно - высокий уровень шума. Для полного сгорания топлива изготовитель выбирает оптимальное соотношение между количеством сопловых отверстий у форсунки и интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре - так, чтобы струи топлива полностью охватили весь воздушный заряд. Чем меньше сопловых отверстий, тем более интенсивным должно быть вращательное движение заряда. У четырехтактных дизельных двигателей вращательное движение воздуха во время хода впуска обеспечивается тангенциальным расположением впускного канала, наличием ширмы у клапана, винтовым (улиткообразным) каналом перед впускным клапаном. В процессе сжатия при подходе поршня к ВМТ воздух перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания в поршне, увеличивая интенсивность вращательного движения свежего заряда. Поэтому при ремонте дизельных двигателей необходимо следить, чтобы зазор между днищем поршня и головкой цилиндров соответствовал заданной инструкцией величине. При большем зазоре интенсивность турбулизации заряда будет недостаточна, при меньшем на больших нагрузках может появиться стук поршня от его ударов по головке. Во время сборки дизельного двигателя этот зазор проверяется установкой свинцовых пластинок на днище поршня и про-

Тангенциальное расположение канала

Установка на клапане ширмы

Винтовой канал

Рис.6. Способы создания вихревого движения заряда во время впуска круткой коленчатого вала после затяжки болтов крепления головки.

22

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя происходит следующим образом. Первый такт - впуск, служит для наполнения цилиндра двигателя только воздухом. При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, происходит всасывание воздуха через открытый впускной клапан. Второй такт - сжатие, необходим для подготовки к самовоспламенению дизельного топлива. При своем движении к верхней мертвой точке, поршень сжимает воздух в 18 - 22 раза (у карбюраторных в 8 - 10 раз). Поэтому в конце такта сжатия, давление над поршнем достигает 40 кг/см2, а температура поднимается выше 500 градусов. Третий такт - рабочий ход, служит для преобразования энергии сгораемого топлива в механическую работу. В конце такта сжатия, в камеру сгорания, через форсунку под давлением подается дизельное топливо, которое самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха. При сгорании дизельного топлива (взрыве), происходит его расширение и увеличение давления. При этом возникает усилие, которое перемещает поршень к нижней мертвой точке и через шатун проворачивает коленчатый вал. Во время рабочего хода давление в цилиндре достигает 100 кг/см 2, а температура превышает 20000. Четвертый такт – выпуск отработавших газов, служит для освобождения цилиндра от отработавших газов. Поршень от нижней мертвой точки поднимается к верхней мертвой точке и, через открытый выпускной клапан, выталкивает отработавшие газы. При своем последующем движении вниз, поршень засасывает свежую порцию воздуха, происходит такт впуска и рабочий цикл повторяется. В дизельном двигателе, нагрузки на все механизмы и детали значительно больше, чем в карбюраторном бензиновом, и это закономерно приводит к увеличению его массы, размеров и стоимости. Однако дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества - меньший расход топлива, чем у его карбюраторного «брата» (приблизительно на 30%), а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации. Пуск дизельного двигателя: У дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизельных двигателей с неразделенной камерой. Для облегчения пуска дизельные двигатели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в дизельных двигателей с непосредственным впрыском. Свечи бывают открытого и закрытого типа со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и 23

свечи зажигания. Кожух свечи располагается в камере сгорания дизельного двигателя так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник. В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а бензиновые двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, снижающими содержание СО, СН, NОх на 90-95%, о низкой токсичности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать. Повышенная токсичность дизелей определяется двумя факторами. Первый фактор - низкая эффективность каталитических нейтрализаторов. Это связано с тем, что степень сжатия, а следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше, чем у бензиновых двигателей. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем СО. Второй фактор - повышенный выброс на некоторых режимах, особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом (акролеина, альдегидов и др.), многие из которых являются канцерогенами. Третий - частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс. Поэтому законодатели используют косвенные показатели ограничение выброса углеводородов и твердых частиц. Основные причины повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизельных двигателей следующие: - низкое качество топлива, - нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива), - повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы, - в двигателях с турбонаддувом - слишком низкое давление наддува. Одна из главных характеристик дизельного топлива - это его цетановое число, показывающее способность к самовоспламенению. Оно определяется на одноцилиндровой установке сравнением со смесью эталонного топлива, подбираемого так, чтобы период задержки воспламенения был таким же, как и у испытуемого горючего. Величина цетанового 24

числа должна быть не менее 45. Она зависит от химического состава топлива и наличия в нем специальных присадок. Увеличение цетанового числа достигается повышением содержания в топливе парафиновых углеводородов. При этом улучшаются пусковые качества, однако при цетановом числе 50...55 ухудшается полнота сгорания. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ Разработанное на уровне изобретения устройство для получения парогазовой смеси (патент Российской Федерации № 2344342) относится к строительной индустрии и может быть применено для нагрева строительных материалов, изделий, сооружений, тушения горящих веществ, получения электроэнергии. Известны топочные устройства, горелки для сжигания топлива устройства получения пара в парогенераторах и водогрейных котлах, конструкции котлов с устройствами для нагрева воды путем теплопередачи через их стенки тепла от горящего снаружи топлива. (1. Эстеркин Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980, стр. 64-131. 2. Чепель В.М., Шур И.А. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. – 7-е изд., перераб. и доп. – Л.: Недра, 1980, стр. 284-453). В этих устройствах теплом, образующимся при сжигании топлива в топках, обогревают стенки парогенераторов, водогрейных котлов, теплообменников, по которым проходит вода. От нагретых стенок вода отбирает тепло, нагревается, испаряется, пар перегревается и направляется в тепловые агрегаты или потребителям, используется при производстве строительных материалов и изделий. Недостатками получения отдельно горящих продуктов сгорания и отдельно пара при нагреве стенок парогенераторов горячими продуктами сгорания топлива являются неэкономичность процессов, большие тепловые потери, низкий термический коэффициент полезного действия устройств, сложность процессов и устройств, не достигается экологическая чистота процессов. Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство – камера сгорания с водяным охлаждением для парогазового цикла (Кондак М.А. Фронтовые устройства для камер сгорания газовых турбин // Теория и практика сжигания газа. II /Под ред. Д.Н. Ляховского.-Л.: Недра, 1964.- С.581,582, рис.7). Камера сгорания выполнена сужающейся к выходному сечению. Она полностью экранирована трубками малого диаметра. Снижение температуры газа в камере осуществляется насыщенным паром до температуры 700-750˚С. Смесь газа и перегретого пара направляется в газовую турбину. К камере сгорания в расширенной части присоединена коробка, которая имеет цилиндрическую часть с трубопроводом (с запорным устройством) для подвода воздуха и следующую за цилиндрической частью расширяющуюся коническую часть, которая присоединена к расширенной части камеры сгорания. Цилиндрическая часть коробки имеет крышку, в которой аксиально разме25

щены два трубопровода (один в другом) для подвода газа. Через трубопровод большего диаметра горючий газ подается в 6 радиально расположенных распределительных трубок и выходит через 12 отверстий ø 2 мм (по 6 с каждой стороны). Газораспределительные трубки установлены в выходном сечении цилиндрической части воздушной коробки. Газ с воздухом смешивается в расширенной части коробки и газовоздушная смесь поступает в камеру сгорания, куда аксиально через центральную трубку подается дополнительно газ, т.е. камера имеет рассредоточенный подвод газа. В экранирующих камеру трубках малого диаметра образуется насыщенный пар, который поступает периферийно в продукты сгорания, снижая их температуру. Это устройство позволяет получать парогазовую смесь, которую можно направлять в газовую турбину. Но периферийное распределение пара в продуктах горения удлиняет путь образования парогазовой смеси с требуемой температурой, не достигается равномерность распределения температур в парогазовом потоке. Недостатки связаны и с несовершенством газодинамических процессов в сужающейся камере сгорания и периферийной подаче пара в поток горячих продуктов сгорания топлива. Следовательно, существенными недостатками являются неравномерность образования парогазовой смеси в поперечных сечениях камеры, неравномерность состава и температуры получаемой парогазовой смеси в выходном сечении, значительная длина пути перемешивания пара с горячими продуктами сгорания, наличие в выходящей парогазовой смеси капель и воды, недостаточная экономичность процесса и пониженный термический коэффициент полезного действия устройства для получения парогазовой смеси. Кроме того, при экранировании камеры сгорания трубками малого диаметра не достигается эффективное охлаждение стенок камеры, долговечность стенок не может быть высокой; металл стенок перегревается, возникают напряжения в металле, образуются трещины. Техническим результатом устройства для получения парогазовой смеси и является интенсификация горения и образования парогазовой смеси на коротком пути, быстрое перемешивание горячего газа с водой, полное испарение воды, быстрое перемешивание водяного пара с продуктами сгорания топлива на коротком пути, образование на выходе равномерно перемешанной парогазовой смеси с требуемой температурой в выходном сечении устройства, эффективное охлаждение стенок водоохлаждаемой камеры устройства, повышение долговечности и термического коэффициента полезного действия парогазового агрегата. Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси содержит топливо-, воздухоподводящие трубопроводы, сопло, запальник, водоохлаждаемую камеру сжигания и отличается от известного тем, что его водоохлаждаемая камера сжигания сделана ступенчатой, расширяющейся по направлению к выходному сечению и в каждой ступени камеры сжигания во внутренних стенках выполнены радиальные и следующие за ними периферийные аксиальные каналы-отверстия для выхода воды и направления ее в виде струй в горячие продукты сгорания топлива; 26

отличается от известного и тем, что его камера сжигания соединена с турбиной, а турбина соединена с электрогенератором; отличается от известного и тем, что его камера сжигания соединена с турбиной, а турбина соединена с нагнетателем; отличается от известного и тем, что оно снабжено отводными для парогазовой смеси трубопроводами. Такое сочетание новых признаков с известными позволяет интенсифицировать процессы горения и перемешивания горячего газа с водой, испарения воды, образования парогазовой смеси без наличия неиспарившейся воды в смеси. Достигается эффективное охлаждение стенок водоохлаждаемой камеры устройства, повышается долговечность и термический коэффициент полезного действия парогазового агрегата. Можно получать на коротком пути парогазовую смесь с требуемой температурой, равномерного состава, без включений капель воды. Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси показано на рисунке. В устройство (рис.7), содержащее топливоподводящий трубопровод 1, воздухопровод 2, сопло 3, запальник 4, водоохлаждаемую камеру сжигания 5, подают воздух-окислитель и топливо (газообразные углеводороды), с помощью запальника поджигают образующуюся смесь топлива с воздухом и после достижения стабильного горения через трубопровод 6 в пустотелую камеру сжигания 5 подают воду. В связи с тем, что водоохлаждаемая камера 5 сделана ступенчатой, расширяющейся по направлению к выходному сечению и в каждой ступени камеры сжигания во внутренней стенке выполнены радиальные каналы 7 и периферийные аксиальные каналы – отверстия 8 для выхода воды и направления (подачу) ее в виде струй в горячие продукты сгорания топлива, то выходящая струйно вода перемешивается с горячими продуктами сгорания и образуется парогазовая смесь. В горячие продукты сгорания топлива вводят воду чередующимися радиальными и периферийными аксиальными струями (рис.7), в связи с чем образуется парогазовая смесь на коротком пути, интенсивно охлаждаются стенки камеры сжигания, повышается долговечность устройства, увеличивается термический коэффициент полезного действия агрегата. В горячие продукты сгорания вводят воду до достижения на термометре температуры 600◦ С выходящей и используемой парогазовой смеси. При достижении требуемой температуры парогазовой смеси краном стабилизируют подачу воды. Ввод воды в камеру сжигания начинается струями там, где заканчивается окисление топлива и образуется высокотемпературные продукты сгорания (на расстоянии 10-50 диаметров сопла горелки-туннеля в выходном сечении), а заканчивается у выходного сечения камеры (на расстоянии 100-500 диаметров сопла - туннелей в выходном сечении), причем на начальном и конечном участках подача воды производится в минимальном количестве (10-20% от общего расхода воды). Максимальное количество воды поступает в продукты сгорания в средней части камеры сжигания (80-90% от общего расхода воды). Отверстия в стенках камеры сжигания рационально размещать так, что27

бы струи воды выходили в шахматном порядке. Расстояние участка аксиальной водяной струи (от выходного сечения отверстия в стене) до начального участка соседней (последующей) радиальной струи воды находится в пределах 4-25 диаметра аксиальной струи в выходном сечении отверстия в стене. Диаметр каждой расширенной части камеры находится в пределах 1,2-2,5 от диаметра предыдущей, менее расширенной части камеры. Скорость струйного истечения воды из отверстий стенок камеры должна быть в 1,2-4 раза больше скорости парогазового потока в соответствующей расширенной части камеры, в стенках которой размещены отверстия для выхода воды. В отводных патрубках выполнена запорная арматура и краны для слива воды в начальный период работы агрегата и в конце его работы. Ступенчатое расширение камеры сжигания и чередование радиальных и периферийных аксиальных струй воды, проникающей в горячий газовый поток, способствуют образованию водогазовых и парогазовых вихрей, быстрому испарению воды, получению парогазовой смеси на коротком пути, уменьшению тепловых потерь, интенсивному охлаждению стенок водораспределительной камеры. Образующуюся парогазовую смесь можно подавать через отводные трубопроводы 9 на нагреваемый материал, в нагреваемую жидкость, в теплообменник, в теплицу, в помещение и прогревать его поверхности, подавать на горящий материал и тушить пламя, подавать на лопатки турбины 10, причем в последнем случае камеру сжигания надо соединять с турбиной, а турбину – с нагнетателем или электрогенератором 11. Выбор температуры парогазовой смеси обусловлен технологической или конструктивными особенностями устройств, использующих парогазовую смесь. Радиальные 12 и аксиальные 13 струи воды (рис.), сталкиваясь, образуют вихревое движение капель воды и высокотемпературных продуктов сгорания вблизи от факела, выходящего из огнеупорного горелочного туннеля 14 (рис.7), что ускоряет процесс образования парогазовой смеси равномерного состава у выходного сечения. Устройство работает следующим образом. Подают в горелку 3 (рис.7) под давлением воздух, а затем по трубопроводу 1 газообразное (природный газ) или жидкое (керосин) топливо. На выходе из сопла горелки 3 топливо смешивается с воздухом и его поджигают с помощью электрического запальника, проходящего через топливоподающую трубу 4. После стабилизации процесса горения топлива подают воду на охлаждение камеры устройства 5. Вводят сначала небольшое количество воды в виде радиальных и аксиальных струй в горячие продукты сгорания, что способствует при небольшом снижении температуры газов дожиганию горючих веществ, улучшению горения, а затем выводят работу устройства на рабочий режим получения парогазовой смеси. С требуемой температурой подают нагретую парогазовую смесь в турбину или через отводные трубопроводы 9 потребителям. Парогазовую смесь полезно используют, направляя ее на обогреваемые материалы, нагреваемые поверхности. С валом турбины 28

10 соединен электрогенератор 11, позволяющий получать электроэнергию, или соединен нагнетатель для подачи под давлением жидкости или газа, что необходимо при строительстве. Устройство для получения парогазовой смеси испытано и получены положительные результаты: в парогазовой смеси при температуре 500-6000С в выходном сечении устройства нет капель воды, термический коэффициент полезного действия устройства при получении парогазовой смеси с температурой 500-6000С достигает 85-90%, что в 1,5-3 раза больше по сравнению с применением известных устройств для получения перегретого пара и парогазовой смеси. Долговечность предлагаемого устройства, изготовленного из нержавеющей жаропрочной стали, выше долговечности известного устройства в 5-8 раз. Выбор расходов топлива и воздуха-окислителя, скорости сжигания топливовоздушной смеси, температуры продуктов сгорания в факеле, расходов воды для подачи в горячие продукты сгорания в виде радиальных и аксиальных (периферийных) струй производится в зависимости от требуемого расхода получаемой парогазовой смеси и достижения требуемой температуры парогазовой смеси в выходном сечении устройства. Пример. Испытания проводились применительно к устройству для получения парогазовой смеси (рис.7) и известному устройству по авторскому свидетельству СССР № 864898. В этих устройствах сжигали природный газ одинакового состава. Расход природного газа был 70 м3/ч, а воздуха 700 м3/ч. Природный газ подавался из газопровода при среднем давлении, а воздух поступал под давлением из воздуходувки. Расход воды для подачи в виде радиальных и аксиальных (периферийных) струй в горячие продукты сгорания определялся исходя из необходимости достижения температуры парогазовой смеси в выходном сечении устройства 200-6000С. Температура продуктов сгорания в выходном сечении горелочного туннеля из высокоглиноземистого материала была 1500-16500С, температура подаваемой в камеру воды находилась в пределах 40-600С. Скорость газовоздушной смеси в выходном сечении сопла горелки была 40-70 м/с при нормальных условиях. Парогазовую смесь использовали для нагрева воды, воздуха в теплообменнике, нагрева строительных материалов, изделий, стен помещений при строительстве, тушения горящих материалов, подавали в турбину и получали электроэнергию или сжатый воздух из агрегатов, соединенных с валом турбины. Испытывали устройства в условиях дачного строительства, когда возникала необходимость широкого применения парогазовой смеси для различных целей при строительстве. Получали из предложенного устройства парогазовую смесь без включений капель воды. Испытания показали высокую работоспособность и надежность предлагаемого устройства, простоту использования предлагаемых способа и устройства, их преимущества по сравнению с известными способами и устройствами, экономичность, экологическую чистоту, высокую долговечность, повышенный термический коэффициент полезного действия (до 90%). 29

Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси обеспечивает технический эффект и может быть осуществлено с помощью известных в технике средств. Введение новых элементов и связей между ними в устройстве обеспечивает решение поставленной задачи. Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси позволяет интенсифицировать горение и образование парогазовой смеси на коротком пути (в 1,3-3 раза меньше, чем при применении известных способов и устройств). Наблюдается быстрое перемешивание горячего газа с водой, полное испарение воды, интенсивное перемешивание в вихрях водяного пара с горячими продуктами сгорания и усреднение температуры парогазовой смеси в выходном сечении устройства. В связи с эффективным охлаждением стенок камеры устройства в металле стенок не образуются трещины, повышаются долговечность устройства в 5-8 раз и термический коэффициент полезного действия парогазового агрегата в 1,5-3 раза. Важные преимущества предложенного – небольшая металлоемкость устройства, простота работы устройства, малые размеры, быстро можно запускать устройство в работу и быстро останавливать его работу. Можно использовать жидкое топливо (нефтепродукты, спирт), сжиженный горючий газ. Окислителем может быть воздух или кислород, можно подавать и сжигать воздушно-топливную смесь. После длительной работы устройство можно останавливать, прочищать отверстия для выхода воды и отверстия топливно-распределительной системы, заменять горелочный туннель (огнеупорную трубку). Преимуществом устройства является также простой, хороший доступ для осмотра и ремонта стенок камеры, если это необходимо делать. Предлагаемое устройство для получения парогазовой смеси может быть использовано для тушения горящих материалов, пожаров (без порчи материалов, изделий), для получения электроэнергии и приведения в движение мобильных систем, может быть использовано на электростанциях, в резервных установках для получения электроэнергии при авариях, в удаленных и труднодоступных местах, а также с целью улучшения экологических условий. Расход топлива на получение парогазовой смеси меньше в 2-4 раза по сравнению с известными способами и устройствами. После использования парогазовую смесь рационально подавать в теплицы для выращивания растений, где поступающей по трубам парогазовой смесью можно обогревать грунт, а затем направлять в помещение теплицы, где образующийся из пара конденсат может быть использован для увлажнения воздуха и грунта, а углекислый газ при достаточном освещении может использоваться растениями как пища (в связи с фотосинтезом - химическим процессом в зеленых растениях, при котором вода и углекислый газ превращаются в кислород и продукты питания растений при помощи световой энергии). В результате этого можно полезно использовать водяной пар и углекислый газ, обогащать атмосферу кислородом. Применение предложенного устройства на тепловых электростанциях, работающих на газообразном и жидком топливе, позволит резко уменьшить расход топлива, упростить сооружение и эксплуатацию тепловых агрегатов, решить экологические про30

блемы, уменьшить опасность парникового эффекта в природе. Можно упростить и сделать более экологически чистыми мобильные системы (автомобили, трактора, разнообразные транспортные средства).

Рис.7. Устройство для получения парогазовой смеси

ГАЗОВЫЕ ВАГРАНКИ И РАЗРАБОТАННЫЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К НИМ РЕКУПЕРАТОРЫ Длительное время в нашей стране и за рубежом не решался вопрос перевода печей непрерывного действия для плавки с твердого топлива – кокса на газообразное топливо – природный газ. Многочисленные опыты не давали положительных результатов – не достигалась требуемая температура чугуна, велики были потери металла в связи с окислением, термический коэффициент полезного действия печей был низким, нестабильными были показатели печных процессов. Поэтому актуальной была разработка рациональных конструкций газовых вагранок и эффективных способов сжигания газообразного топлива в таких чугуноплавильных печах. Первоначально выявлялась эффективность многофакельного сжигания смеси природного газа с воздухом и подсвечивания продуктов сгорания при 31

плавке чугуна в газовой вагранке с уступами в шахте. Эта газовая вагранка имеет шахту, нижняя часть которой служит камерой сжигания газообразного топлива и перегрева металла. К камере примыкает копильник. В шахте вагранки имеются нижний уступ и верхний уступ, оборудованные системой водяного охлаждения. Над нижним уступом выполнено в футеровке шахты полукольцевое поднутрение, а на подине нижнего уступа сделан из огнеупоров разделительный барьер. На подине камеры перегрева имеется бассейн для перегрева жидкого металла. Над бассейном размещены сопла и туннели многосопловой горелочной системы. Многосопловая горелочная система состоит из смесителя, коллектора, распределительных труб, чугунных сопел. На каждой распределительной трубе установлены кран для отключения сопла от коллектора и гляделка для наблюдения за процессом горения. На сопла надеты высокоглиноземистые огнеупорные трубки, внутренняя полость которых служит горелочными туннелями. Выше двух рядов горелочных туннелей располагается третий ряд огнеупорных трубок системы подачи дополнительного природного газа. Принцип работы газовой вагранки заключается в следующем. Продукты сгорания, образующиеся в горелочных туннелях и за их пределами, омывают поверхность бассейна, затем поднимаются вверх и через канал между уступами заходят в зону плавления, где плавят металл, а далее по мере движения к выходу из шахты подогревают твердую шихту. Из зоны плавления жидкий металл в виде капель и струек стекает в бассейн, образующийся в углублении подины камеры перегрева. Перегрев металла осуществляется при прохождении падающими каплями и струйками противотока горячих газов в камере перегрева, при стекании капель и струек по раскаленной футеровке камеры перегрева, а также благодаря разбрызгиванию металла при падении капель и струек в бассейн и передаче тепла от горячих газов и футеровки к поверхности металла в бассейне. Шлак также попадает в бассейн, но по поверхности жидкого металла непрерывно уходит в копильник. Капли и струйки металла, падая в виде «дождя» с уступа на металл в бассейне, разбрызгивают его, в результате чего жидкий металл попадает на раскаленную футеровку у горелочной системы, а в бассейне создается «кипящий» слой. «Кипение» неглубокой ванны в условиях движущихся над ней высокотемпературных газовых потоков способствует более высокому перегреву металла. Промышленные испытания прошли газовые вагранки с уступами в шахте, рассчитанные на производительность 1,5, 3 и 7 тонн жидкого чугуна в час при расходе природного газа на 1 тонну получаемого жидкого чугуна 100 м3/ч для нормальных условий. В процессе испытаний было установлено следующее: а) многосопловая горелочная система с двухрядным размещением сопел и, соответственно, туннелей в шахматном порядке при круглой камере сжигания, диаметре горелочного сопла в выходном сечении 0,03 м, скорости истечения газовоздушной смеси при нормальных условиях 70 м/с, обеспечении оптимальной величины коэффициента расхода воздуха, рационального 32

размещения факелов и высокого теплового напряжения объема камеры сжигания позволяет получать над перегреваемом металлом 1973-20430 К; б) без применения дополнительной подачи природного газа в продукты сгорания расчетная производительность по полученному жидкому металлу обеспечивается только в течение первого часа работы вагранки с загруженной металлической шихтой шахтой, а далее производительность вагранки снижается в связи с зашлакованием шахты в зоне плавления продуктами окисления металла, причем по расчету за второй час работы вагранки производительность приблизительно в 2 раза меньше, чем за первый час, а через 3 часа работы вагранки плавка проходит нестабильно и становится нерациональной; в) непрерывная дополнительная подача природного газа в пределах 5 ÷ 10% от расхода газа на сжигание приводит к стабилизации ваграночного процесса, достижению близкой к расчетной производительности вагранки в течение всей плавки при термическом коэффициенте полезного действия плавильного агрегата 39,35 ÷ 41,19%, уменьшению потерь металла в связи с окислением, получению жидкого чугуна с температурой 1653-17230 К, удлинению периода плавки до величин, характерных для соответствующих коксовых вагранок; г) достаточно стойкой к воздействию высокотемпературных газов и образующихся шлаков была футеровка камеры сжигания из высокоглиноземистых материалов; д) обнаруженные недостатки были связаны со сложностью выполнения и ремонта футеровки уступов и медленным охлаждением массивной футеровки уступов после плавки. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и испытаны шахтно-камерные плавильные печи – газовые вагранки с выносной камерой перегрева. Газовая вагранка с выносной камерой перегрева состоит из шахты и примыкающей к ней камеры перегрева, которая служит и копильником. В нижней части шахты в футеровке выполнено поднутрение, способствующее улучшению распределения потоков горячих газов по сечениям шахты. Набивная подина имеет уклон в сторону камеры перегрева. На подине шахты выполнен из огнеупоров разделительный барьер. В камере перегрева имеется уступ со слегка наклонной полкой, соединенной с наклонной подиной шахты. Образованная огнеупорными стенками камеры ванна имеет глубину до 0,4 м. Над ванной расположены туннели, в которые входят горелочные сопла. Газовые горелки имеют индивидуальные смесители. Применялись горелки двух модификаций. Газовые горелки первой модификации имели сопла с изогнутыми щелевыми каналами. Горелка второй модификации имела водоохлаждаемое восьмиканальное сопло. Для достижения производительности 2-2,5 тонны жидкого чугуна в час газовые вагранки оборудовались четырьмя горелками первой модификации или двумя горелками второй модификации. Газовые горелки устанавливались так, что осевые линии противоположных сопел не совпадали. При этом соблюдались условия развития вихревых зон 33

факелов и компактного размещения факелов в камере перегрева. Камера перегрева футеровалась высокоглиноземистыми огнеупорами, а шахта – шамотными. В газовую вагранку с выносной камерой перегрева металлическая шихта загружается после предварительного разогрева футеровки камеры до 197319230 К, причем перед загрузкой шихты уменьшается коэффициент расхода воздуха до оптимальной величины и выдерживается стабильным системой автоматики. Над подиной шахты омываемая горячими газами шихта плавится, и образующиеся жидкие компоненты стекают в бассейн, перегреваясь при движении по наклонной полке уступа и при падении с уступа на поверхность бассейна. Падающий с уступа жидкий металл разбрызгивает металл в бассейне, причем небольшой толщины слой жидкоподвижного шлака на его поверхности не создает препятствий этому процессу. По мере накопления перегретый жидкий металл выпускается из бассейна. Примененные в газовых вагранках с выносной камерой перегрева эффективные способы сжигания газообразного топлива позволили стабильно проводить длительные непрерывные плавки чугуна и получать жидкий металл с температурой выше 16730 К при сжигании «холодной» смеси природного газа с воздухом. Термический коэффициент полезного действия газовых вагранок с выносной камерой перегрева в среднем равен 40%. При производственной эксплуатации газовых вагранок с выносной камерой перегрева достигнут значительный экономический эффект, связанный с тем, что при использовании природного газа для плавки чугуна не применяется дорогой и дефицитный кокс, не требуются устройства для очистки уходящих газов от пыли, поскольку при применении газовых вагранок не превышаются допустимые нормы выброса пыли в атмосферу. Качество получаемого чугуна из газовых вагранок более высокое, чем при плавке на коксе, так как в металле газовой плавки не увеличивается, а уменьшается содержание серы. Для применения в условиях металлургического производства были разработаны конструкции газовых вагранок с водоохлаждаемыми перемычками в шахте производительностью 6, 10 и 15 тонн жидкого чугуна в час, а также техническая документация на горелочные устройства для газовых вагранок и миксеров. Две газовые вагранки с перемычками в шахте производительностью 6 т/ч были построены на металлургическом предприятии и прошли промышленное испытание в условиях производства. Кроме газовых вагранок прошли промышленные испытания миксеры, вмещающие 12 тонн жидкого чугуна и работающие по способу пламенных камерных печей. Эти плавильные агрегаты работали по 16 часов в сутки. Газовая вагранка с водоохлаждаемой перемычкой в шахте представляет собой шахтную печь со стационарным копильником – камерным миксером, обогреваемым продуктами сгорания газообразного топлива. В шахте с прямоугольными горизонтальными сечениями имеется перемычка из труб водяного охлаждения, облицованных огнеупорами. Перемычка располагается 34

между двумя противоположными стенками шахты так, что между ней и другими противоположными стенками шахты создаются каналы, по которым горячие газы могут проходить из камеры перегрева в шахту. Над каналами на боковых стенках шахты выполнены водоохлаждаемые выступы, предназначенные для создания препятствий проникновению твердой шихты в камеру перегрева и улучшения газодинамического процесса в шахте над перемычкой. В камере перегрева над бассейном расположены туннели, в которые входят горелочные сопла. Между камерой перегрева и миксером имеется переходная летка. Газовая вагранка и миксер оборудованы горелками с индивидуальными смесителями. В газовой вагранке установлено пять горелок, а в миксере три горелки. Для газовых горелок были разработаны съемные чугунные литые сопла трех разновидностей: 1) с одним изогнутым щелевым каналом; 2) с четырьмя изогнутыми щелевыми каналами в компактном расходящемся пучке; 3) с восемью каналами в компактном расходящемся пучке. При подаче в пять горелок газовой вагранки 600 м3/ч природного газа скорость истечения горючей газовоздушной смеси из горелочного сопла с учетом того, что 11,11% природного газа поступает через аксиальный канал, была равна 83 м/с. Для газовой вагранки и миксера были применены отдельные системы автоматического регулирования расходов природного газа и воздуха, соотношения «газ-воздух», а также автоматики безопасности. Способ работы газовой вагранки с перемычкой в шахте такой же, как газовой вагранки с уступами в шахте. При проведении промышленных испытаний в горелки миксера подавалось 378-396 м3/ч природного газа и 3600 м3/ч воздуха, а в горелки газовой вагранки 630-660 м3/ч природного газа и 6000 м3/ч воздуха при нормальных условиях. Плавка чугуна в газовых вагранках проходила стабильно. Выпускаемый из летки миксера чугуна имел температуру 1723-17530 К по замерам термопарой. Производительность газовой вагранки была в среднем 6 т/ч. В полученном чугуне содержалось 3,45% углерода, 0,015% серы. При расходах на вагранку 660 м3/ч природного газа и 6000 м3/ч воздуха, а на миксер 396 м3/ч природного газа и 3600 м3/ч воздуха была проведена плавка металлической шихты, содержащей 30% стального лома, 30% передельного чугуна, 40% чугунного лома, для получения малоуглеродистого полупродукта, который можно было бы использовать для заливки в мартеновскую печь с целью повышения ее производительности при производстве стали. Выпущенный из миксера металл содержал 2,19-2,32% углерода. Температура металла по замерам термопарой, установленной около выпускной летки миксера, была 17830 К. При эксплуатации газовых вагранок производится следующее. Сначала в течение трех часов разогревается футеровка миксера и вагранки, а затем загружается шихта и начинается плавка. Плавка длится две рабочие смены. Полученным чугуном, содержащим 3,8-3,9% углерода, заливают формы. 35

При плавке высокоуглеродистого чугуна производительность газовой вагранки вместо 6 т/ч достигается в среднем 8 т/ч, а температура получаемого жидкого металла равна около 16230 К. В связи с тем, что применяется водяное охлаждение кожуха вагранки, перемычки, выступов, то термический коэффициент полезного действия вагранки в среднем равен 38,56%. Для газовой вагранки с водоохлаждаемой перемычкой в шахте проблемой был подбор более стойких к воздействию горячих газов, жидкого шлака и металла огнеупорных материалов. Удовлетворительную стойкость в условиях высокотемпературного ваграночного процесса показала футеровка из высокоглиноземистых изделий. Благодаря оптимизированному сжиганию смеси природного газа с воздухом при компактном размещении факелов в миксере достигается температура 1873-19230 К, а в камере перегрева перед загрузкой шихты наблюдается температура 1973-20430 К. Эффективная работа газовых вагранок с водоохлаждаемыми перемычками в шахте стала возможной в связи с применением разработанных на основе исследований рациональных способов сжигания газообразного топлива. Испытание газовых вагранок с уступами в шахте, с выносной камерой перегрева, с водоохлаждаемой перемычкой в шахте показало, что необходимо повышение термического коэффициента полезного действия шахтных плавильных печей. На основе расчета тепловых балансов и теоретического анализа процессов теплообмена было установлено, что для увеличения термического коэффициента полезного действия шахтной плавильной печи необходимо, во-первых, увеличить площадь теплоизлучающей поверхности в зоне, где происходит перегрев жидкого металла, во-вторых, применить рекуперацию тепла уходящих после участия в теплообмене газов, в-третьих, создать условия для более равномерного распределения горячих газов по сечениям плавильного агрегата. Значительное увеличение площади тепловоспринимающей – теплопередающей поверхности достигается, если в камере перегрева газовой вагранки разместить огнеупорную насадку. Но в таком случае можно не выполнять в газовой вагранке уступ или водоохлаждаемую перемычку, так как опорой для металлической шихты может быть огнеупорная насадка (колоша). Экспериментами на небольших шахтных плавильных печах была подтверждена целесообразность создания производственных газовых вагранок с огнеупорной колошей. Для проведения промышленных испытаний была переоборудована газовая вагранка с прямоугольными горизонтальными сечениями шахты, в которой раньше выполнялась водоохлаждаемая перемычка. После демонтажа перемычки, выступов, замены газовых горелок, футеровки в газовой вагранке можно было проводить экспериментальные плавки на огнеупорной насадке. Реконструированная газовая вагранка была оборудована многосопловой горелочной системой, предназначенной для сжигания подогретого природного газа в горючих воздушных потоках. Но в связи со сложностью об36

служивания и ремонта эти горелочные устройства были заменены более простыми, но эффективными газовыми горелками. Конструкция газовой вагранки, прошедшей промышленное испытание, проста. В нижней части шахты над подиной установлено восемь газовых горелок (по четыре горелки на противоположных удлиненных стенках шахты). В горизонтальном сечении шахты газовые горелки размещены в шахматном порядке. К шахте примыкает стационарный копильник, который соединен с ней переходной леткой. Ниже переходной летки расположена подина. На подину после розжига горелок и разогрева футеровки у горелочных туннелей загружается холостая огнеупорная колоша. При выполнении футеровки шахты из шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров для создания огнеупорной насадки применяется бой шамотных кирпичей, высокоглиноземистых изделий, углеродсодержащих электродов. Вначале на подину загружается бой углеродсодержащих электродов для создания слоя 0,15-0,3 м, а затем производится загрузка боя шамотного кирпича, высокоглиноземистых изделий углеродсодержащих электродов в виде смеси, в которой приблизительно одинаковое количество указанных компонентов по объему. Материалы огнеупорной насадки загружаются при работающих газовых горелках последовательно кусок за куском и так, чтобы поверхностные слои кусков успевали нагреваться до температуры не ниже 10730 К. После регулировки коэффициента расхода воздуха до получения необходимой величины в зависимости от температуры подаваемого воздухаокислителя и требуемой температуры в огнеупорной насадке производится загрузка металлической шихты при работающих газовых горелках. Через 1015 минут начинается плавление шихты над огнеупорной насадкой. Через переходную летку расплав поступает в копильник, откуда выпускается по мере накопления и используется для заливки форм. При расходе природного газа 600 м3/ч, температуре подаваемого воздуха 6730 К, коэффициенте расхода воздуха 0,95 достигается производительность вагранки 6-8 т/ч в зависимости от состава шихты. Температура выпускаемого из копильника жидкого чугуна выше 16730 К. При плавке чугунной шихты термический коэффициент полезного действия вагранки в среднем равен 54%. На основе исследований разработан эффективный рекуператор для шахтных печей, к которым относятся вагранки. Рекуператор предназначен для нагрева подаваемого в вагранки воздуха. Рекуператор содержит соосно установленные наружную и внутреннюю обечайки, которые образуют центральный канал для подачи горячих дымовых газов и кольцевую камеру для нагрева воздуха. В центральном канале расположены обращенные вершинами навстречу потоку отражатели. Последние жестко крепятся к аксиально размещенным патрубкам, которые свободно вставлены в трубу, имеющие поперечные отверстия, и зафиксированы клиньями, проходящими через поперечные отверстия в патрубках и поперечные отверстия в трубе. Последняя размещена в центральном канале ак37

сиально, зафиксирована клином на патрубке, который жестко крепится к ребрам, опирающимся на верхнюю часть кольцевой камеры. Поскольку отражатели подвешены на трубе и весь этот комплекс посредством ребер опирается на верхнюю часть камеры, то, во-первых, легко извлекать этот комплекс из центрального канала путем подъема лебедкой вверх или после извлечения клина путем опускания вниз (в шахту вагранки), а, во-вторых, в связи с пониженными температурами дымовых газов, в верхней части центрального канала ребра не теряют прочность, не деформируются и вся подвеска надежно удерживается в требуемом положении. Рекуператор работает следующим образом. В центральный канал из шахты вагранки поступают горячие дымовые газы, которые отражателями отклоняются к поверхности внутренней обечайки. Так как отражатели подвешены, то горячие газы равномерно распределяются у поверхности внутренней обечайки. Через стенку внутренней обечайки тепло передается в кольцевую камеру, в которой нагревается поступающий непрерывно воздух. Нагретый воздух также непрерывно отводится из кольцевой камеры. При использовании рекуператора для оборудования вагранок его рационально монтировать над шахтой вагранки выше загрузочного окна вместо трубы вагранки. Обычно дымовые газы вагранок содержат пыль и мелкие частицы жидкого шлака, причем эти частицы могут налипать на поверхности внутренней обечайки и отражателей, что вынуждает периодически производить чистку этих поверхностей. В разработанном рекуператоре такую чистку можно выполнять сравнительно просто. Выполняется это следующим образом. С помощью лебедки приподнимают трубу, скользящую в патрубке, затем извлекают клин и трубу опускают до тех пор, пока отражатель не появится в зоне загрузочного окна вагранки, где в удобном положении производят чистку поверхностей отражателя. Каждый раз по мере появления очередного отражателя в зоне загрузочного окна выполняют чистку его поверхностей. После очистки последнего верхнего отражателя трубу вместе с подвешенным на ней очищенными отражателями опускают в шахту вагранки, после чего нетрудно производить чистку поверхности внутренней обечайки и ремонт стенок рекуператора со стороны центрального канала. Выполнив все операции чистки и ремонта, трубу вместе с зафиксированными на ней отражателями поднимают вверх и устанавливают в рабочее положение. Применяя указанный способ, можно футеровать стенки отражателей, что повышает их долговечность в высокотемпературных условиях работы. Демонтаж отражателей можно выполнять, опустив трубу так, чтобы нижний отражатель оказался на полу цеха под шахтой вагранки. Выбив клин, приподнимают трубу до появления второго при рассмотрении снизу отражателя в зоне загрузочного окна вагранки. Здесь отражатель фиксируется на шахте вагранки, удаляется клин, труба поднимается до совпадения нижнего отверстия с отверстием в патрубке второго отражателя, вставляется клин, после чего труба сначала поднимается вверх для расфиксации отражателя по 38

отношению к шахте, а затем опускается вниз для демонтажа второго отражателя. Так последовательно производится демонтаж всех отражателей. Монтаж отражателей выполняется в противоположной демонтажу последовательности, то есть внизу последний отражатель занимает место первого отражателя, а в зоне загрузочного окна он устанавливается на свое место, и так последовательно перемещаются на свои места все отражатели, занимая первоначальное место первого (нижнего) отражателя. Радиационные рекуператоры типа «труба в трубе» с отражателями эффективны, решается проблема упрощения ремонта и чистки внутренней обечайки, снижения трудоемкости ремонта, очистки, замены и монтажа отражателей. Разработана и другая конструкция более совершенного теплообменника для нагревания воздуха. Этот теплообменник содержит соосно установленные наружную и внутреннюю обечайки, которые образуют центральный канал для подачи горячих газов и кольцевой канал для подачи воздуха. Между наружной и внутренней обечайкой установлена перфорированная обечайка, которая крепится к торцевым стенкам и расположена так, что она разделяет кольцевой канал на подключенную к подводящему холодный воздух коллектору наружную камеру и подключенную к отводящему горячий воздух коллектору внутреннюю кольцевую камеру. Перфорированная обечайка отстоит на оптимальном расстоянии от внутренней обечайки. Отверстия в перфорированной обечайке могут быть как одинакового, так и разного диаметра, а также могут иметь некруглое поперечное сечение при выполнении отверстий штамповкой. Наружная и внутренняя обечайки могут быть выполнены гофрированными. В этом случае перфорированную обечайку рационально также выполнять гофрированной. Для улучшения газодинамики по оси центрального канала расположены обращенные вершинами навстречу потоку отражательные полые конусы. Теплообменник работает следующим образом. В центральный канал поступают горячие газы, которые отражательными полыми конусами отклоняются к поверхности внутренней обечайки. Через стенку внутренней обечайки тепло передается во внутреннюю кольцевую камеру. Из коллектора в наружную кольцевую камеру поступает холодный воздух. Поскольку в кольцевой камере, образуемой наружной обечайкой, перфорированной обечайкой и торцевыми стенками, находится холодный воздух, то металлоконструкция существенно не расширяется и не сужается, что создает условия для сохранения ее повышенной прочности и долговечности. Не требуется теплоизоляция наружной обечайки, поскольку эта обечайка охлаждается находящимися снаружи и внутри в наружной кольцевой камере холодным воздухом. Из наружной кольцевой камеры через отверстия в перфорированной обечайке воздух в виде многочисленных струй попадает на поверхность внутренней обечайки, отбирает тепло и в виде турбулентных потоков уходит в коллектор, из которого горячий воздух отводится. 39

Применение такого теплообменника позволяет уменьшить расход теплоизоляционных материалов, так как не требуется теплоизолировать наружную обечайку, повысить строительную прочность и долговечность конструкции, так как наружная кольцевая камера не подвергается нагреву, увеличить экономичность, так как происходит интенсивный отбор тепла от всей поверхности внутренней обечайки в пределах внутренней кольцевой камеры. Применительно к газовой плавке материалов разработано много изобретений. Изобретения в СССР и Российской Федерации: 187251; 209656; 236716; 240946; 257699; 238105;260103; 247466; 257700; 256930; 236494; 228052; 269947; 269948; 245156; 250936; 251775; 249405; 243155; 241353; 244567; 249406; 251776; 251777; 243153; 250369; 243151; 243154; 243152; 250368; 250063; 293486; 297309; 293485; 299181; 293487; 303909; 293488; 295497; 309954; 441440; 304822; 384459; 422302; 393537; 422304; 409541; 422303; 469033; 460751; 470170; 472977; 516293; 514515; 514514; 494582; 494583; 494565; 473043; 491806; 499462; 606069; 582291; 569807; 606070; 594809; 655880; 601524; 649244; 625106; 1021233; 949294; 950005; 941823; 676839; 690886; 732624; 733404; 780620; 807752; 835190; 820347; 828794; 873739; 953371; 837124; 845536; 898830; 878009; 890815; 886567; 926437; 934755; 959495; 1028146; 1093065; 1038717; 1185016; 1445340; 1629691; 1630436; 1690453; 1665694; 1722120; 1735686; 1827511; 2002810; 2029194; 2075692; 2076290; 2092568; 2137845; 2194932; 2191832. На ряд перечисленных изобретений выданы патенты в США, Англии, Японии, Германии, Франции, Канаде, Италии, Испании и в других зарубежных странах. В заключение можно констатировать следующее. 1. На основе исследований выявлены рациональные конструкции газовых вагранок для плавки чугуна. Процесс плавки чугуна основывается на применении шахтной плавильной печи (вагранки) с использованием в качестве технологического топлива вместо кокса экологически чистого природного газа. В газовой вагранке можно получать чугун требуемого химического состава без удорожания шихты, с механическими свойствами, удовлетворяющими любой марке серого чугуна. В газовой вагранке значительно облегчается получение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Технологический процесс плавки чугуна в газовой вагранке отличается минимальными затратами по сравнению с другими процессами плавки, экономным энергохозяйством, минимальными вредными выбросами (SO2, CO и пыли), гибкостью и возможностью работы с получением требуемого для литейного производства количества металла, причем требования по качеству всегда могут быть учтены. 40

2. Выявлены закономерности процессов в горящих факелах и при взаимодействии факелов, что позволило разработать эффективные горелочные системы для газовых вагранок. 3. Разработаны эффективные экономичные рекуператоры для газовых вагранок и воздухоподогреватели. Способ работы этих теплообменников основан на приближении горячих газов и воздушных потоков к тепловоспринимающим стенкам, на многоструйном распределении воздушных потоков. Теплообменники долговечны, имеют строительную прочность, высокий КПД, позволяют нагревать воздух до 5000С. При использовании горячего воздушного дутья повышается на 15-20% производительность газовых вагранок, уменьшается путь сгорания горючих веществ в факелах и в холостой огнеупорной колоше, повышается температура получаемого жидкого металла, снижаются потери металла в связи с окислением при плавке. 4. Плавка чугуна на газообразном топливе решает проблему улучшения экологических условий в чугунолитейных цехах. Разработаны способы плавки в чугуноплавильных агрегатах, позволяющие уменьшить расход топлива на 15-20%; повысить термический коэффициент полезного действия печей на 18-25%, снизить потери металла в связи с окислением на 10-14%. Основой этих способов плавки является применение горячего воздушного дутья с регулированием в зависимости от температуры воздуха величины коэффициента расхода воздуха и температуры газообразного топлива, подаваемого на сжигание, с учетом состава шихты. Выявлены математические модели, позволяющие управлять процессом плавки чугуна в газовых вагранках с достижением эффективности способов. 5. Исследованы тепловые процессы в газовых вагранках. В газовых вагранках созданы оптимальные условия для теплообмена между горячими продуктами сгорания газообразного топлива и расплавляемым металлом. На основе исследований подобран рациональный состав холостой огнеупорной колоши. Нагрев металла в противотоке горячих газов и перегрев расплава при стекании по нагретым до 16500С кускам огнеупорных материалов позволяют получать жидкий чугун с температурой до 15000С при термическом коэффициенте полезного действия чугуноплавильного агрегата до 50%. Разработана рекуперация тепла отходящего ваграночного газа на основе новых, эффективных многоструйных рекуператоров. Достигнута экономия топлива при плавке чугуна. 6. Выявлены особенности металлургического процесса при плавке чугуна на газообразном топливе – природном газе. Установлено, что рационально сжигать природный газ в газовых вагранках в горячих воздушных потоках при коэффициенте расхода воздуха, величина которого меньше единицы, и оптимум которой зависит от температуры в печи. Оптимальные температурные условия в печи и состав горячих газов с наличием в продуктах сгорания водорода и сажистого углерода приводят не только к улучшению теплопередачи, к повышению КПД печи, но и уменьшению потерь металла в связи с окислением, снижению угара углерода, кремния, марганца, железа в 41

чугуне в 2-2,5 раза по сравнению с обычными условиями плавки металла на газообразном топливе, достигается значительный экономический эффект. 7. Разработаны рациональные составы шихты для плавки в газовых вагранках. Выявлено, что в газовых вагранках рационально плавить чугунный лом (до 50%), передельный чугун (до 40%), стальной лом (до 10%). В этом случае достигаются экономичность процесса плавки, высокий КПД плавильного агрегата, минимальный угар полезных элементов в металле. 8. Разработаны эффективные технологии плавки чугуна применительно к использованию газовых вагранок в промышленности. Применение новых технологических процессов плавки чугуна на газообразном топливе в промышленности позволяет улучшить качестве отливок, повысить механические свойства металла. разработаны конструкции газовых вагранок производительностью до 20 тонн жидкого чугуна в час и рациональные способы плавки металла в потоке горячих продуктов сгорания природного газа. Выявлены математические модели, позволяющие оптимизировать ваграночные процессы в зависимости от ряда факторов, влияющих на показатели процесса. Экологически чистые процессы плавки чугуна на газообразном топливе внедрены в производство. Результаты выполненной фундаментальной работы по газовой плавке чугуна используются в учебном процессе. СПОСОБ СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ВАГРАНКЕ Изобретение (патент Российской Федерации № 2340855) относится к производству строительных материалов и может быть применено при плавке неметаллических материалов в вагранке для получения из расплава каменного литья, шлаковаты. Известно сжигание горючих газов в топочных устройствах (1. Сжигание горючих газов в топочных устройствах / Н.В. Лавров, В.М. Попов, Л.И. Истомин, А.К. Шубников. – М.- Л.: Издательство «Энергия», 1966, стр. 105119; 2. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива: Справочное руководство. – Л.: Недра, 1980, стр. 137-193; 3. Использование газа в промышленных печах: Справочное руководство /Я.С. Глозштейн, Д.В. Карпов, Л.Н. Муромский, Н.В. Арапов. – Л.: Издательство «Недра», 1967, стр. 129-167; 4. Телегин А.С., Авдеева В.Г. Теплотехника и нагревательные устройства. – М.: Машиностроение, 1985, стр. 128-130; 5. Чепель В.М., Шур И.А. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. – 7-е изд., перераб. и доп. – Л.: Недра, 1980, стр. 320-334). Применяются в промышленности способы сжигания горючих газов, при которых обеспечивается контакт горючих составляющих газа с кислородом воздуха путем смешения газа с воздухом в горелке или в процессе горения, организовывается воспламенение смеси путем начального зажигания и непрерывное воспламенение новых порций газовоздушной смеси, создаются условия протекания процесса горения. Однако при известных способах сжигания газообразного 42

топлива остаются пока проблемными получение устойчивого пламени, обладающего необходимыми для протекания технологического процесса свойствами и имеющего определенную длину, жесткость, светимость, уровень и поле распределения температур; согласование подвода тепловой энергии в технологический процесс с потребностью в ней; осуществление процесса сжигания газообразного топлива с наивысшим коэффициентом полезного действия. Нет рекомендаций по рациональным способам сжигания углеводородного топлива в вагранках. Известен способ сжигания углеводородного топлива в вагранке, включающий подачу воздуха и углеводородного топлива в горелку, перемешивание топлива с воздухом и поджигание газовоздушной смеси (Новые, не выделяющие пыль металлургические печи / В.А. Грачев, А.А. Черный. – Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, № 8, 1992, стр. 6063). При этом способе сжигания углеводородного топлива в газовой горелке вагранки газораспределительные трубы омываются горячим воздухом, в связи с чем движущийся по трубам горючий газ нагревается. Многоструйное распределение подогретого горючего газа в потоке горячего воздуха способствует стабилизации процесса горения, уменьшению длины факела и повышению температуры в нем. Недостатком является то, что природный газ не нагревается в газораспределительных трубах до такой температуры, при которой начинается разложение углеводородов на водород и углерод, а, следовательно, не была выявлена возможность дальнейшего улучшения показателей процессов сжигания и плавки. Наиболее близким аналогом является способ сжигания углеводородного топлива из SU 1725020 А1, F23D14/00, 07.04.1992. Известный способ сжигания углеводородного топлива осуществляется при использовании газовой горелки, содержащей воздушную камеру и сужающееся к выходному сечению воздушное сопло. К воздушной камере со стороны, противоположной выходному сечению воздушного сопла, присоединена газовая камера, футерованная изнутри теплоизоляционными и огнеупорными материалами, с установленными в ней электродами для подвода электрического тока, между которыми помещен электродный кусковой материал, например, бой углеродсодержащих электродов, причем с одной стороны газовая камера снабжена трубой для подвода газообразного топлива, а с другой – трубой для отвода нагретого газа, проходящей через воздушную камеру и воздушное сопло. (Патент SU 1725020 А1, Газовая горелка, F23D 14/00, Бюл. № 3 от 07.04.92). Осуществляемый при использовании этой газовой горелки способ – сложный, не позволяет получать стабильные показатели по длине факела, и его излучательной способности, температуры в нем. Электродный углеродсодержащий кусковой материал расходуется неравномерно, на нем образуются частицы сажи при разложении углеводорода, уменьшающие размеры проходов для газов, между кусками углеродного материала образуются нестабильные электрические дуги, что снижают работоспособность устройства, следовательно, не достигается требуемое уменьшение длины факела, повышение температуры, 43

необходимой для плавки в вагранке тугоплавких материалов и перегрева вязких расплавов. Техническим решением является уменьшение длины факела, повышение температуры в вагранке для плавки тугоплавких материалов и перегрева вязких расплавов. Предлагается способ сжигания углеводородного топлива в вагранке, включающий подачу воздушного потока и углеводородного топлива в горелочную систему, разложение углеводородного топлива на водород и углерод путем его нагрева, отличающийся от известного тем, что разложению на водород и углерод подвергают 3-28% углеводородного топлива путем нагрева его до температуры 325-550 º С, перемешивают полученные горячий водород и нагретые частицы углерода с неразложенным углеводородным топливом с образованием реакционно-активной топливной смеси, которую подают в воздушный поток при отношении скорости реакционно-активной топливной смеси к скорости воздушного потока 1,2 -3 и поджигают полученную смесь Такое сочетание новых признаков с известными позволяет интенсифицировать процессы горения, уменьшить длину факела, повысить тепловое напряжение и температуру в факеле, увеличить температуру в вагранке, что позволяет плавить тугоплавкие материалы и достигать требуемого перегрева вязких расплавов для заливки неметаллических отливок. Предлагаемый способ сжигания углеводородного топлива осуществляется следующим образом. В газовую горелку подают углеводородное топливо (природный газ). Стенки трубопроводов, по которым движется горючий газ, нагревают так, чтобы температура углеводородов (Т) повышалась до 325550ºС. При этом разлагается (G) 3-28% углеводородов от массы подаваемого топлива на водород и углерод. В трубопроводах турбулизируют потоки, перемешивают горячий водород и нагретые частицы углерода с углеводородами топлива, образовывают реакционно-активную топливную смесь и эту смесь вводят в воздушный поток при отношении скорости горючей газовой смеси к скорости воздуха (W) 1,2-3. В газораспределительных трубах горелочной системы ускорение нагрева газа, интенсификация турбулизации газовых потоков и перемешивания производилось за счет направления газов в трубопроводы переменного сечения. Нагрев газораспределительных труб производился горячими продуктами сгорания, нагретым воздухом, или применялся электронагрев. Реакционноактивная смесь вводилась в воздушный поток многоструйно. Газовые горелки располагались в нижней части газовой вагранки над подиной. Плавка шихты происходила на водоохлаждаемых, покрывающихся теплоизоляционным слоем колосниках, размещенных в шахте выше горелочных туннелей. На подине ниже горелочных туннелей образовывался бассейн, где высокотемпературными факелами перегревался расплавленный материал. Короткие высокотемпературные факела омывают расплав в бассейне, перегревают материал до требуемой температуры для получения необходимой жидкотекучести расплава, а далее поступают в зону плавления шихты, где плавят материал, затем поднимаются вверх, нагревая загруженную твер44

дую шихту. Поскольку предложенный способ позволяет достигать в нижней части шахты над бассейном температуры 1700-1850 ºС, то плавятся материалы с температурой выше 1680 ºС. При температуре нагрева углеводородов природного газа до 300325ºС мало образуется водорода и мелкодисперсного углерода, эффективность в повышении температуры продуктов сгорания, уменьшении длины факела, повышении температуры в вагранке не достигается. Но начиная с температуры нагрева углеводородов 325 ºС и выше (до 550ºС) разлагается от 3 до 28% углеводородов, что приводит к резкому ускорению процессов горения, повышению теплового напряжения и температуры в факеле и в вагранке. При температуре нагрева углеводородов выше 550ºС разлагается больше 28% углеводородов и активный атомарный водород соединяется, образовывая молекулу, а углерод, образующийся при разложении углеводородов из молекул и скоплений молекул, создает крупные частицы сажистого углерода, которые осаждаются на стенках нагреваемых газораспределительных труб, снижают теплопередачу, уменьшают сечения выходных для газа каналов, а это приводит к резкому ухудшению процессов горения и даже к прекращению горения, когда скопления частиц сажистого углерода полностью перекрывают выходные для газа каналы. Образующиеся при температуре нагрева углеводородов выше 550ºС молекулы водорода не способствуют активизации процессов горения, так как при горении они должны разлагаться и образовывать атомарный водород, на что дополнительно расходуется теплота, в связи с чем снижается температура в факеле. При Т в пределах 325-550ºС и G 328% образуются преимущественно атомарный водород и молекулярный или в виде скоплений молекул углерод, которые при перемешивании с неразложенными горячими углеводородами топлива образовывают реакционноактивную топливную смесь. Ввод этой смеси в воздушный поток при отношении скорости горючей газовой смеси к скорости воздуха W 1,2-3 достигается эффективное, на коротком пути перемешивание горючего газа с воздухом-окислителем, что приводит к короткофакельному горению газовоздушной смеси. При W < 1,2 струи газа не глубоко проникают в воздушный поток, эффективность не достигается, а при W > 3 наблюдается неравномерное перемешивание газа с воздухом, факел удлиняется. Рационально выдерживать W в пределах 1,2-3. При применении предложенного способа в горелку можно подавать холодный воздух или горячий. При подаче холодного воздуха-окислителя нагрев газа производят продуктами сгорания дополнительной горелкизапальника, размещенной вблизи от газораспределительных труб основной горелки. Подача в горелку горячего воздуха с температурой 600-700ºС позволяет обогревать стенки газораспределительных труб за счет частичного отбора тепла от воздуха, обтекающего газораспределительные трубы. Газораспределительные трубы можно обогревать, размещая вблизи от их стенок электронагреватели. Сочетание новых признаков с известными позволяет достигать высоких температур в печи, плавить и перегревать тугоплавкие материалы (неме45

таллические материалы при получении из расплава каменного литья, шлаковаты). Пример. В вагранке, имеющей водоохлаждаемые трубы в шахте и газовую горелку над подиной ниже водоохлаждаемых труб, сжигали углеводороды в воздушном потоке. Углеводороды – природный газ, содержащий более 95% метана, до входа в воздушный поток, нагревали в газораспределительных трубах горелки от 300 до 570ºС. Воздух-окислитель подавали в горелку или холодный (при 20ºС) или горячий с температурой до 670ºС. При подаче холодного воздуха в горелку газораспределительные трубы обогревали продуктами сгорания отъемной малой горелки-запальника, а при вводе в горелку горячего воздуха выдерживали такую температуру воздуха, чтобы достигалась требуемая температура газа в газораспределительных трубах. Температуры газа и воздуха замерялись термопарами, вмонтированными в элементы газораспределения и подачи воздуха горелочной системы. Исходя из расходов газа и воздуха, площади выходных сечений газовыпускных каналов и выходного сечения горелки определялись скорости воздушных потоков и газовых струй, внедряющихся в воздушные потоки. Эти скорости пересчитывались на нормальные условия. Расход углеводородов – природного газа был 100 м3/ч при нормальных условиях. Расход воздуха (Q) был максимальным 1000 м3/ч в расчете на нормальные условия, причем он изменялся с 1000 м3/ч при температуре воздуха-окислителя Т3 = 20ºС до 805 м3/ч при Т3 = 670ºС в соответствии с зависимостью Q = 1006 – 0,3 · Т3 , что позволяло уменьшить потери тепла в связи с диссоциацией продуктов сгорания при их высоких температурах и достигать максимально возможных температур Т1 и Т2 при принятых условиях экспериментов. Количество разложившихся углеродов на водород и углерод определялось по температуре газа в газораспределительной трубе, исходя из зависимости, что метан начинает разлагаться при 300ºС и полностью разлагается на водород и углерод при температуре 1200ºС. После розжига горелки в течение 1 часа производили прогрев шахты вагранки продуктами сгорания, после чего, регулируя расходы воздуха и газа, выводили вагранку на рабочий режим. На водоохлаждаемые трубы загружали шихту и начинали плавку загруженного материала. Плавили куски шамотных огнеупоров и куски ваграночного шлака, температура плавления которых была 1650-1730ºС. Для снижения огнеупорности этих материалов и повышения жидкотекучести расплава в шихту добавляли 1-5% известняка от массы загружаемой шихты. Материалами шихты (бой шамотного кирпича и куски шлака) были отходы, образующиеся при работе и ремонтах производственных вагранок. Плавящаяся шихта изолировала расплавом водоолаждаемые трубы вагранки и по образующейся неметаллической корке, расплав стекал на подину вагранки, где создавался неглубокий бассейн в связи с приподнятой над подиной переходной (выпускной) леткой. Глубина бассейна была 30-50 мм. Расплав в бассейне омывался выходящими из горелки горячими газами, перегревался и выхо46

дил из вагранки в заливочное устройство. Полученным неметаллическим материалом заливали плиты, предназначенные для дачных дорожек. Эти плиты имели высокие показатели твердости, прочности, износостойкости. При работе горелки и вагранки производился замер термопарами температур в факеле (Т1) и над бассейном с жидким расплавом (Т2). В табл.1 приведены результаты испытаний. Таблица 1 Варианты испытания предложенного споТ, ºС G, % W T1, ºС T2, ºС соба При горячем газе и 1,2 1700 1680 холодном воздухе 325 3 2 1720 1710 3 1710 1700 1,2 1750 1730 450 15 2 1760 1750 3 1740 1720 1,2 1770 1750 550 28 2 1780 1760 3 1760 1750 При горячем газе и 1,2 1730 1720 горячем воздухе 325 3 2 1750 1730 3 1740 1730 1,2 1780 1770 450 15 2 1800 1780 3 1770 1760 1,2 1790 1750 550 28 2 1860 1850 3 1800 1780 Исследования показали, что при 325 ≤ Т ≤ 550ºС, когда 3 ≤ G ≤ 28%, достигаются высокие температуры в факеле Т1 = 1700-1860ºС и в вагранке над бассейном с жидким расплавом Т2 = 1680 - 1850º С в пределах изменения 1,2 ≤ W ≤ 3. Следовательно, изменение факторов Т, G, W в указанных пределах позволяет достигать оптимальных результатов по температурам Т1 и Т2. Это связано с тем, что уменьшается длина горящего факела и повышается тепловое напряжение в его объеме. Достигается положительный эффект как при горячем газе и холодном воздухе, так и при горячем газе и горячем воздухе. При Т < 325ºС, в частности при Т = 300ºС не происходит разложение углеводородов природного газа и Т1, Т2 были ниже 1600º С. При Т > 550 ºС (при Т = 570 ºС) образовывались скопления сажистых (углеродных) частиц, которые перекрывали газовыпускные каналы, в связи с чем процесс горения нарушался. При W < 1,2 (W = 1,1) газ неглубоко проникал в воздушный поток, не происходило на коротком пути перемешивание газа с воздухом, в связи с чем факел резко удлинялся, температура в нем снижалась, а 47

при W > 3 (W = 3,2) струи газа проскакивали через воздушный поток, происходило неравномерное распределение газа в воздухе, в связи с чем также удлинялся факел и снижалась температура в нем. Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Предлагаемый способ может быть использован при плавке чугуна и высокоуглеродистой стали (полупродукта) в газовой вагранке, а также может быть применен в высокотемпературных нагревательных подовых печах металлургической и стекольной промышленности. СПОСОБ ПЛАВКИ В ГАЗОВОЙ ВАГРАНКЕ ПРИ СЖИГАНИИ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА Предлагаемый способ (патент RU 2 253 076) относится к металлургии и может быть применен в литейном производстве при плавке материалов для производства отливок. Известен способ плавки в газовой вагранке, содержащей водоохлаждаемую шахту с встроенными газовыми горелками и водоохлаждаемые балки, на которые загружается огнеупорная насадка, состоящая из тугоплавких и термостойких материалов. (см. Авторское свидетельство СССР № 1610209, кл. F27B 1/08, Б.И. № 44, 1990 г.). Недостатком известного способа является то, что он не позволяет проводить плавку тугоплавких шихтовых материалов, так как при повышении температуры в зоне расположения огнеупорной насадки выше 16500С наблюдается деформация насадочных тел, они начинают подплавляться и слипаются, что приводит к уменьшению проходного сечения шахты, затрудняет процесс горения и ведет к срыву плавки. Из известных наиболее близким по технической сущности является «Способ плавки металла в газовой вагранке» (см. Авторское свидетельство СССР № 269947, кл. С21С; В22в, Б.И. № 16, 1970 г.), согласно которому плавку осуществляют в газовой вагранке с уступами в шахте таким образом, что природный газ сжигают над поверхностью расплава с коэффициентом расхода воздуха α ≈ 0,9 ÷ 0,98. Выше горелочных туннелей состав газовой фазы в камере перегрева меняют за счет подачи природного газа и α ≈ 0,6 ÷ 0,7, а в зоне плавления α ≈ 0,4 ÷ 0,5. Однако этот способ не позволяет создавать высокую температуру в вагранке, приводит к увеличенному расходу энергоносителя, так как значительное количество тепла затрачивается на диссоциацию метана. Техническим результатом предлагаемого способа является снижение энергоемкости процесса плавки, повышение температуры в печи и возможность плавки тугоплавких материалов. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что плавку материала, включающую сжигание в печи газообразного топлива, нагрев, плавление и перегрев материала продуктами сгорания согласно предлагаемому изобретению осуществляют таким образом, что в качестве топлива исполь48

зуют водород, к которому добавляют углеродсодержащие вещества, например, газообразные, жидкие углеводороды или мелкодисперсный углерод в виде дробленного графита, древесного угля, термоантрацита в количестве 2 ÷ 19% от массы водорода. Такое сочетание новых признаков с известными позволяет снизить энергоемкость процесса плавки, повысить температуру в печи, что обеспечивает проведение плавки тугоплавких материалов, так как водород имеет большую, по сравнению с природным газом теплоту сгорания и жаропроизводительность, факел при горении водорода более короткий, а, следовательно, тепловое напряжение выше и не затрачивается энергия на диссоциацию метана. Так как продукты горения водорода обладают малой светимостью, необходимо наличие в печной атмосфере мелких частиц углерода, что делает газовые потоки светящимися и повышает эффективность теплопередачи в зоне перегрева расплава и в зоне плавления шихты. Предлагаемый способ плавки в газовой вагранке иллюстрируется чертежом (рис.8), где показана схема его осуществления. На фигуре представлено: 1 – опорная часть, 2 – шахта вагранки, 3 – камера перегрева, 4 – газовые горелки, 5 – верхний уступ, 6 – нижний уступ, 7 – трубы водяного охлаждения, 8 – копильник. Футеровка выполнена из циркониевых изделий, имеющих огнеупорность 25000С.

Рис. 8. Газовая вагранка

49

Способ осуществляется следующим образом. В газовые горелки 4 подают топливо - водород и воздух в качестве окислителя. Кроме того, для повышения светимости продуктов горения водорода в горящий факел подают углеродсодержащие вещества в количестве 2 ÷ 19% от массы водорода, что повышает эффективность теплопередачи в камере перегрева 3 и шахте вагранки 2. В течение 20 ÷ 30 минут прогревают камеру перегрева 3, шахту вагранки 2 и копильник 8. Затем на нижний уступ 6 загружают шихтовые материалы. Поднимаясь вверх подсвеченные продукты сгорания водорода нагревают и плавят шихту. Расплав в капельно-струйном режиме стекает с нижнего уступа 6 в камеру перегрева 3, где дополнительно перегревается в ванне, образованной на подине камеры перегрева, и затем поступает в копильник. Применение в качестве топлива водорода позволяет повысить температуру в печи и обеспечить плавку тугоплавких шихтовых материалов. Ввод углеродсодержащего вещества в количестве 2 ÷ 19% от массы водорода обусловлен необходимостью повышения эффективности теплопередачи за счет увеличения светимости продуктов сгорания водорода. Если количество углеродсодержащего вещества будет меньше 2%, то светимость продуктов сгорания не обеспечит эффективной теплопередачи, снижаются производительность плавильного агрегата и температура расплава. Увеличение количества углеродсодержащего вещества свыше 19% не приводит к дальнейшему увеличению эффективности теплопередачи. Пример осуществления способа следующий. Плавки проводили в экспериментальной газовой вагранке с водоохлаждаемыми уступами в шахте. В качестве топлива использовали технический водород, который сжигали в воздушной среде. Непосредственно в горящий факел вводили углеродсодержащее вещество в виде мелкодисперсного углерода, количество которого изменяли от 0,5% до 21% от массы водорода. После прогрева футеровки вагранки и копильника загружали шихту, содержащую чугун и до 65% стального лома. Расход водорода во всех плавках сохранялся постоянным. Доводку расплава по химическому составу производили в индукционном миксере. Результаты плавок представлены в таблице (2).

50

Таблица 2 Условия плавки

Известный способ. Топливо – природный газ. Предлагаемый способ. Топливо – водород.

Температура продуктов сгорания в камере перегрева,0С

Температура расплава, 0С

1700

1450

1900 1900 1900 1900 1900 1900 1870 1850

1480 1490 1535 1540 1540 1540 1530 1520

Расход углеродсодержащего вещества,% от массы водорода

Производительность печи,т/ч

Удельный расход топлива,кг/т

Примечание

0

0,5

143,4

В расплаве образовалось 30% FеО

0,5 1,0 2,0 7,0 13,0 19,0 20,0 21,0

0,7 0,75 0,96 0,98 1,0 0,97 0,95 0,95

42,9 40,0 31,25 30,6 30,0 30,9 31,6 31,6

Как видно из таблицы (2) применение в качестве топлива водорода позволяет вести плавку шихтовых материалов, имеющих высокую температуру плавления, а добавка в продукты горения 2 ÷ 19% углеродсодержащих веществ снижает энергоемкость процесса плавки. Добавка в высокотемпературную зону горящего факела водорода менее 2% углеродсодержащих веществ не обеспечивает необходимую светимость факела, температура расплава понижается, производительность вагранки падает, а удельный расход топлива увеличивается. При добавке в продукты горения более 19% мелкодисперсного углерода снижается температура расплава, так как большее количество тепла затрачивается на нагрев частичек углерода, а производительность печи и удельный расход топлива не изменяются. Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Значительно улучшается экологическая обстановка в связи со снижением содержания оксидов углерода в выбросах из вагранки. Предлагаемый способ плавки может быть использован при плавке тугоплавких неметаллических материалов, содержащих оксиды кремния, алюминия, магния, хрома, при плавке минерального сырья (тугоплавких природных минералов) для получения минеральной ваты (в промышленности строительных материалов), литых огнеупорных изделий, каменного литья, причем, конструкция печи может быть с водоохлаждаемыми элементами в шахте, с выносной камерой перегрева, с холостой огнеупорной колошей.

51

СПОСОБ ПЛАВКИ МАТЕРИАЛА В ВАГРАНКЕ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ПОДАЧЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Способ (патент РФ № 2333437) относится к металлургии и может быть использован в литейном производстве при плавке материала в вагранке. Известен способ плавки чугуна в вагранке, согласно которому в шахту загружают твердое топливо – кокс, разжигают кокс, создают холостую колошу, продувают ее воздухом, доводят температуру в холостой колоше до 1700ºС и выше, на разогретую холостую колошу заваливают шихту, подают в фурмы воздух до 1000 м3 при нормальных условиях из расчета получения 1 тонны жидкого чугуна при стабильной, постоянной подаче воздуха на сжигание топлива, плавят чугун, выпускают его из вагранки и используют для заливки форм. При этом способе плавки образуются продукты сгорания топлива прямо пропорционально количеству вдуваемого воздуха, причем продукты сгорания движутся в шахте между кусками шихты по пути наименьшего сопротивления преимущественно у стенок шахты (Ладыженский Б.Н., Орешкин В.Д., Сухарук Ю.С. Литейное производство. Под ред.к.т.н. В.Д. Орешкина. – М. – Свердловск, 1953, стр. 92-97; Леви Л.И., Мариенбах Л.М. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов. – М.: «Машиностроение», 1970, стр. 171-182; Литейное производство. Под ред. И.Б. Куманина. – М.: «Машиностроение», 1971, стр. 226-234; Баринов Н.А. Водоохлаждаемые вагранки и их металлургические возможности. – М.: «Машиностроение», 1964, стр. 22-38.). Недостатком известного способа является неэффективное использование тепла продуктов сгорания топлива, преимущественное движение газов у стенок шахты, оплавление огнеупорной футеровки шахты, необходимость применения водяного охлаждения шахты, что приводит к увеличению тепловых потерь и снижению термического коэффициента полезного действия плавильного агрегата. Известны способы плавки материала в коксовых и газовых вагранках с оптимальной формой шахты типа доменной ( Грачев В.А., Черный А.А. Современные методы плавки чугуна. – Саратов: Приволжское книжное издательство, 1973, стр. 26-31; Опыт плавки чугуна в газовой вагранке/ Е.Д. Сосновский, Н.А. Горелов, В.Н. Моргунов, В.П. Гуськов// Литейное производство, 1996, № 5, стр. 9-10; Черный А.А. Газовая вагранка. Авторское свидетельство СССР №873739, Кл.3 F27В 1/08). В этих вагранках изменение формы шахты с цилиндрической на более сложную, типа доменной, позволяет улучшить распределение горячих продуктов сгорания по сечениям шахты, сделать более равномерным движение горячих газов, повысить производительность плавильных агрегатов, но эффективность работы этих агрегатов уменьшается по мере увеличения диаметров шахты. Техническим результатом предлагаемого способа является достижение многократного перераспределения горячих газов в шахте вагранки, интенсификации турбулизации газовых потоков в слоях нагреваемого материала, улучшение теплопередачи от горячих газов шихте, уменьшение тепловых по52

терь, увеличение производительности вагранки, повышение температуры получаемого жидкого материала, экономия топлива, повышение термического коэффициента полезного действия теплового агрегата. Сущность предлагаемого способа плавки материала в вагранке заключается в том, что сжигают топливо, нагревают и плавят материал поступающими в шахту продуктами сгорания, но в отличие от известных способов, продукты сгорания топлива подают к нагреваемому материалу попеременно, то увеличивая, то уменьшая расход в пределах 2-60 процентов от средней величины расхода с частотой изменения этого расхода 3-120 колебаний в минуту, причем, чем меньше величина изменения расхода продуктов сгорания, тем больше частота колебаний расхода этих продуктов во времени. Такое сочетание новых признаков с известными позволяет достигать многократного перераспределения горячих газов в шахте вагранки, интенсифицировать турбулизацию газовых потоков в слоях нагреваемого материала, улучшить теплопередачу от горячих газов шихте, уменьшить тепловые потери, увеличить термический коэффициент полезного действия (к.п.д.), повысить производительность теплового агрегата, уменьшить расход топлива на 1 тонну получаемого жидкого материала. Способ осуществляется следующим образом. Продуктами сгорания топлива нагревают материалы (куски) холостой колоши в шахтной печи, повышая постепенно температуру до 1650-17000С. Затем загружают шихту, устанавливают средний расход продуктов сгорания, исходя из требуемой производительности плавильного агрегата. После стабилизации процесса плавки и выпуска жидкого материала с требуемой температурой подают продукты сгорания к нагреваемому материалу в шахте попеременно, то увеличивая, то уменьшая расход R в пределах 2-60 процентов от средней величины расхода с частотой N изменения этого расхода 3-120 колебаний в минуту. Чем меньше величина изменения расхода продуктов сгорания, тем больше может быть частота колебаний расхода этих продуктов во времени. Расход продуктов сгорания определяют по расходу воздуха, подаваемого на сжигание топлива. При изменениях расхода продуктов сгорания и прочих одинаковых условиях изменяется глубина проникновения струй газа в шахте, перераспределяются газовые потоки, турбулизируются горячие газы у нагреваемого материала, интенсифицируется теплопередача, достигается экономичность процесса плавки. При R < 2 резко уменьшается турбулизация в слоях шихты, а при R > 60 нарушаются процессы дожигания газов. При N < 3 не наблюдается улучшение процессов теплопередачи, а при N > 120 происходит интенсивная вибрация теплового агрегата. Оптимальные величины находятся в пределах 2 < R < 60, 3 < N < 120. При плавке чугуна в коксовых вагранках изменение величины R, N в оптимальных пределах приводит к увеличению производительности плавильного агрегата, уменьшению расхода топлива, повышению термического к.п.д., а при плавке в газовых вагранках достигаются уменьшение расхода природного газа, повышение к.п.д., снижение угара элементов в чугуне. 53

Поскольку расход продуктов горения прямо пропорционален расходу воздуха, подаваемого на сжигание топлива, то изменениям подвергается расход воздуха путем автоматического регулирования. При использовании твердого топлива в вагранках кислород подаваемого в холостую колошу воздуха окисляет углерод, образуются преимущественно горячие оксиды углерода, нагревается поступавший с воздухом азот, и эти горячие газообразные продукты, омывая загруженную в шахту шихту, нагревают, плавят и перегревают материал. Изменение указанных расходов приводит к изменению глубины проникновения горячих газов в холостой колоше, перераспределению потоков в шахте, интенсификации теплопередачи. Это же происходит и в газовой вагранке с холостой колошей. Но при газовой плавке материала топливом преимущественно являются газообразные углеводороды (природный газ), и для достижения положительного эффекта при изменениях расходов воздуха необходимо изменять расход горючего газа, выдерживая оптимальную величину коэффициента расхода воздуха, при этом прямо пропорционально расходам воздуха и газа изменяются расходы продуктов сгорания, проходящих через холостую колошу и слои шихты в шахте. Эффективность предлагаемого способа повышается с увеличением диаметров шахты вагранки, так как в таких вагранках глубже по направлению от стенок шахты проникают горячие газы в кусковые материалы, больше шихты смывается горячими продуктами сгорания. Испытания проводились при плавке чугуна в универсальной вагранке с шахтой типа доменной. Эта вагранка могла работать на твердом или газообразном топливе. Пример осуществления способа. Производили плавку чугуна в вагранке, производительность которой выдерживали в обычных условиях производственного процесса 7 тонн жидкого чугуна в час. Средний расход воздуха в коксовом и в газовом вариантах работы вагранки был 7000 м3 в час в расчете на нормальные условия. При газовой плавке чугуна средний расход природного газа был 700 м3/ч для нормальных условий. Эксперименты проводили при величинах 1,7 < R < 62, 2,7 < N < 123. Полученные результаты приведены в таблице (3). В таблице (3) при применении предложенного способа по сравнению с известным способом Q – увеличение производительности вагранки, раз; ∆Т – повышение температуры получаемого жидкого чугуна, град.; G – экономия топлива на 1 тонну полученного жидкого чугуна, %; D – повышение термического коэффициента полезного действия вагранки, раз.

54

Таблица 3 Факторы R; N R=2;N=3 R=2;N=60 R=2;N=12 0 R=30;N=3 R=30;N=6 0 R=30;N=1 20 R=60;N=3 R=60;N=6 0 R=60;N=1 20 R=1,7;N= 2,7 R=1,7;N= 123 R=62; N=2,7 R=62; N=123

Показатели процесса плавки чугуна предлагаемым способом по сравнению с известным Плавка на твердом топливе Плавка на газообразном топливе Q,раз ∆Т,гр G,% D,раз Q,раз ∆Т,гр G,% D,раз ад ад 1,025 10 1,04 1,02 1,03 15 1,035 1,025 1,1 15 1,06 1,07 1,09 20 1,1 1,09 1,15 20 1,07 1,1 1,13 25 1,15 1,11 1,21 1,25

25 30

1,09 1,15

1,2 1,25

1,25 1,27

25 35

1,3 1,32

1,21 1,27

1,17

20

1,14

1,07

1,18

20

1,25

1,09

1,28 1,11

25 20

1,16 1,08

1,27 1,12

1,29 1,1

35 25

1,33 1,11

1,28 1,11

1,02

10

1,05

1,03

1,04

10

1,05

1,04

экономическая эффективность не достигается, показатели такие же, как и при применении известного способа экономическая эффективность не достигается, происходит вибрация кожуха вагранки экономическая эффективность не достигается, показатели резко не увеличиваются экономическая эффективность не достигается, происходит вибрация кожуха вагранки

В оптимальных пределах величин 2 < R < 60; 3 < N < 120 достигается эффективность, так как при плавке чугуна в вагранке на твердом топливе Q = 1,02-1,28; ∆Т = 10-30; G = 1,04-1,15; D = 1,02-1,27, а при плавке на газообразном топливе Q = 1,03-1,29; ∆Т = 10-35; G = 1,035-1,33; D = 1,025-1,28, то есть выше, чем при известном способе плавки. Рационально увеличивать N по мере уменьшения R. При использовании предлагаемого способа уменьшаются потери металла в связи с окислением, ускоряются процессы горения топлива и дожигания горючих компонентов продуктов сгорания, устраняется зависание шихты в шахте вагранки. Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств, его можно применять не только в литейном производстве, но и при нагреве, и обжиге, и плавке металлических и неметаллических материалов в шахтных печах металлургической промышленности и строительной индустрии.

55

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что изучает наука «Термодинамика»? 2. Какие основные формы передачи энергии в термодинамических системах? 3. В чем заключается термодинамический подход к изучению и описанию явлений, какие преимущества данного подхода? 4. Что подразумевается под термином «тепловое движение микрочастиц» в различных веществах? 5. Какой термодинамический процесс относится к равновесным процессам? 6. Чему равна совершаемая работа в круговых прямых и обратных термодинамических циклах? 7. В чем заключается физический смысл первого, второго, третьего законов термодинамики? 8. При каких условиях и в каких формах происходит изменение внутренней энергии термодинамической системы? 9. Как выполняется расчет теплообменных устройств? 10. Какие выполняют расчеты и как представляют материальные и тепловые балансы тепловых устройств, зачем это необходимо делать? 11. Как развивалась наука «Термодинамика» и почему она основана на результатах практики? 12. Как устроены и работают тепловые двигатели? 13. Какие преимущества достигаются при получении и использовании парогазовой смеси? 14. Почему газовые вагранки необходимо применять в промышленности, какие преимущества имеет газовая плавка материалов? 15. О чем свидетельствуют новые изобретения по сжиганию углеводородного и водородного топлива? 16. Можно ли изобретать тепловые устройства специального назначения? 17. Как определяется экономичность тепловых устройств? 18. Почему не достигнуты успехи в создании вечных двигателей? 19. Как происходит теплообмен в газовых вагранках? 20. Какие усовершенствования способствуют улучшению показателей работы плавильных печей? 21. Можно ли использовать моделирование для выявления эффективных процессов и устройств?

56

ЛИТЕРАТУРА 1. Теплотехнический справочник. Под общ.ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В 2-х т. Т.2. Изд.2-е, перераб. – М.: Энергия, 1976. – 896с. 2. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т.1. Теоретические основы: Учебн. для вузов/В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, Б.С. Мастрюков и др. Под науч.ред. В.А. Кривандина. – М.: Металлургия, 1986. – 424с. 3. Теплотехника: Учебник для студентов вузов/А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ.ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432с. 4. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. Под ред. Ю.А. Чизмаджева. – М.: Изд-во «Мир», 1979. – 512с. 5. Техническая термодинамика: Учебник для вузов/Под ред. В.И. Крутова. – 2-е изд.перераб. и доп. – М.: Высш.школа, 1981. – 439с. 6. В.А. Грачев, А.А. Черный. Применение природного газа в вагранках. – Саратов: Приволж. кн. изд., 1967. – 172 с. 7. В.А. Грачев, А.А. Черный. Современные методы плавки чугуна. - Саратов: Приволж. кн. изд., 1973. – 342 с. 8. Черный А.А. Особенности сжигания природного газа в газовых вагранках // Литейное производство. – 1996. - № 5. 9. Черный А.А. Планирование экспериментов и математическое моделирование процессов / А.А. Черный. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1977. – 80 с. 10. Черный А.А. Газовые вагранки и плавка в них чугуна: Учебн. пособие. – Пенза: Изд-во пенз. гос. ун-та, 2006. – 44 с. 11. Черный А.А. Термодинамика (Сборник рефератов): Учебн. пособие. – Пенза: Пензенский государственный университет, 2009. – 71 с.

57

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….. 3 Основные положения термодинамики…………………………………. 4 Тепловые двигатели……………………………………………………… 9 Устройство для получения парогазовой смеси…………………………25 Газовые вагранки и разработанные применительно к ним рекуператоры…………………………………………………………….. 31 Способ сжигания углеводородного топлива в вагранке………………. 42 Способ плавки в газовой вагранке при сжигании водородного топлива………………………………………………………48 Способ плавки материала в вагранке при переменной подаче продуктов сгорания к нагреваемому материалу……………………….. 52 Контрольные вопросы……………………………………………………. 56 Литература………………………………………………………………….57

58

Анатолий Алексеевич Черный ТЕПЛОВЫЕ УСТРОЙСТВА И ИННОВАЦИИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОДИНАМИКИ Учебное пособие

________________________________________________________ Издательство Пензенского государственного университета. 59

440026, Пенза, Красная, 40.

60