Рециркуляционные пламенные печи
Пуговкин А.У.
Машиностроение, 1975 г.
ГЛАВА III
КОНСТРУКЦИИ ПЛАМЕННЫХ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ
Принципы организации работы пламенных печей, основанные на создании внутренней рециркуляции и закручивании газов в рабочем объеме, были положены в основу при разработке конструкций целого ряда рециркуляционных печей — вертикальных, камерных для нагрева слитков перед прессованием, камерных для термической обработки, а также печей для безокислительного нагрева металла открытым пламенем.
Благодаря рециркуляции и закручиванию газов в рабочем объеме эти печи резко отличались по конструктивному оформлению от существующих, имели оригинальную схему движения газов и новые принципы управления тепловым режимом.
8. РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ПЕЧИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ РАБОЧЕЙ КАМЕРЫ
В настоящее время еще на многих предприятиях для термообработки круглых длинных заготовок (валы, роторы, трубы и др.) применяются так называемые полумуфельные печи.
В печах этой конструкции садка в подвешенном состоянии располагается внутри керамического муфеля. Горение топлива (обычно мазута) происходит в кольцевом пространстве между муфелями и наружными стенами. Нагрев изделий происходит за счет перехода теплоты через стенки муфеля, а также за счет теплоты, вносимой продуктами горения, поступающими в рабочий объем через отверстия внизу и вверху муфеля.
Применение муфелей в этих печах вызвано главным образом необходимостью предотвратить местные перегревы изделий, так как введение горячего мазутного (или газового) факела непосредственно в рабочий объем привело бы неизбежно к перегреву отдельных участков садки. В связи с указанным многие авторы [36] считали, что при мазутном отоплении полумуфельные печи являются единственной рациональной конструкцией вертикальных печей.
Основные недостатки муфельных печей — низкая производительность и сложность управления тепловым режимом, так как керамический муфель участвует непосредственно в процессах теплообмена в качестве посредника и имеет большую тепловую инерцию. Были изучены вертикальные полумуфельные печи, работающие на мазуте и газе при нагреве цилиндрических заготовок . При исследовании производилось измерение температур в трех плоскостях по высоте печи (рис. 30): на внутренней поверхности керамического муфеля (точки 1, 2, 3)и газовом (рабочем) объеме печи (точки 4, 5, 6)в нагреваемых изделиях (точки 7—12). Одновременно измерялась температура газов, поступающих в рабочий объем печи (точка 13).
Как видно из рис. 31, где нанесены результаты измерения температуры в средней плоскости печи, управление тепловым режимом полумуфельной печи представляет собой сложную задачу.
Так, например, в процессе нагрева изделий, несмотря на снижение температуры газов, поступающих в рабочий объем
(точка 13), температура внутренней поверхности муфеля (точка 2) и соответственно температура изделий (точки 8 и //) продолжали расти. Причем этот рост температуры продолжался примерно в течение пяти часов после того, как началось снижение температуры газов, поступающих в рабочий объем.
Естественно, что в таких условиях управлять тепловым режимом работы печи, а тем более автоматизировать его,
чрезвычайно трудно и только опытный обслуживающий персонал, достаточно изучивший работу каждой отдельной печи, может обеспечить получение требуемого качества обработки изделий.
Таким образом, при разработке конструкции рециркуляционных вертикальных печей возникла задача, не только создать рециркуляцию газов, но и существенно изменить конструкцию печи, создав условия нагрева изделий, позволяющие отказаться от керамического муфеля.
Следует указать, что применение безмуфельного нагрева в вертикальных печах, основанного на общепринятом способе отопления (ввод греющих газов в рабочий объем в виде горящих факелов), опробовалось в производственных условиях неоднократно и не дало положительных результатов.
Данный способ отопления не обеспечивал требуемую одинаковость нагрева садки и необходимые прочностные свойства обрабатываемых изделий.
Создание безмуфельных вертикальных рециркуляционных печей и исследования велись в двух направлениях: первое предусматривало образование рециркуляции газов в рабочем объеме при помощи специальных вентиляторов и второе — за счет энергии топливовоздушных струй, вытекающих из горелок или форсунок.
На рис. 32 приведена конструкция вертикальной печи, в которой рециркуляция газов создается с помощью специального вентилятора. Как видно из рисунка, печь состоит из двух вертикальных шахт, расположенных в одном кожухе. Большая прямоугольная шахта шириной 1620 мм является рабочей камерой, где размещаются изделия. Меньшая — круглая (0 1250 мм) служит камерой сжигания топлива и в ней перемешивают продукты сгорания со стылыми газами из рабочего объема для придания смеси необходимой температуры. В верхней части камеры расположен вентилятор, который и создает рециркуляцию газов в рабочем объеме печи, перемещая газы из камеры смешения в рабочую камеру.
В целях обеспечения одинаковых условий вверху и внизу рабочей камеры предусмотрено реверсирование, т. е. периодическое изменение направления движения газов в рабочей камере за счет изменения направления вращения вентилятора.
Пробная эксплуатация этой печи показала недостаточную надежность конструкции, а также ненадежность и сложность схем автоматического регулирования теплового режима и режима реверсирования направления движения газов в рабочем объеме. Печь оказалась пригодной только для выполнения низкотемпературных термических операций (500—600° С); даже при этих температурах в рабочем объеме печи нормальная работа вентилятора нарушалась, часто выходила из строя автоматика. Вследствие этого, а также ввиду отсутствия существенных технико-эксплуатационных преимуществ (расходы топлива были примерно такими же, как и в пол у муфельных печах, увеличение производительности составляло 30—40%) данную печь нельзя было рекомендовать для широкого распространения в качестве типового образца автоматической вертикальной печи.
На рис. 33 приведена конструкция вертикальной печи, в которой рециркуляция газов осуществляется за счет энергии топливовоздушных струй.
В этой печи предусмотрена подача топливовоздушных струй из форсунок или горелок не непосредственно в рабочий объем печи, а в специальные инжекционные устройства, расположенные в кладке. За счет энергии этих струй будет происходить подсасывание газов из рабочего объема в инжекционные устройства, что снизит «остроту» факелов пламени, вследствие чего температура греющих газов будет приближена к технологической температуре процесса, чем будет ликвидирована опасность местных перегревов изделий.
Одновременно благодаря отсосу газов в инжекционные устройства и последующему выбросу смеси тангенциально вдоль стенок рабочей камеры будет создаваться рециркуляция, а также закручивание газов в рабочем объеме, что должно обеспечить равномерный и интенсифицированный нагрев садки по всему объему рабочего пространства.
В поперечном сечении печь имеет улиткообразный вид. Садка располагается в центре рабочего пространства. Рециркулирующие газы двигаются вокруг садки вдоль стенок. Отвод продуктов горения осуществляется снизу или сверху печи. Рабочий объем печи представляет собой вертикальную шахту, с двух сторон которой в шахматном порядке расположены топочно-инжекционные устройства с расстоянием друг от друга по высоте равным 1400 мм. Со стороны входа топливовоздушных струй, вытекающих из горелок или форсунок, каждое инжекционное устройство имеет раструб, сюда же подведен канал, через который происходит подсос дымовых газов из рабочего объема печи. Со стороны выхода газов в рабочий объем инжекционное устройство заканчивается отверстием 350x350 мм. Диаметр трубы (горловины) инжекционного устройства принят равным 290—300.мм.