Studiul Arzatoarelor Utilizabile In Industria Metalurgica

Cuprins

Cap.1.Bazele tehnologiei raționale a încălzirii oțelului……………..5

1.1.Durata încălzirii……………………………………………………..13

1.1.1.Factorii care influențează durata încălzirii……………….13

Cap.2.Elemente ale construcției cuptoarelor metalurgice……………17

2.1.Dispozitive pentru arderea combustibilului……………………17

2.1.1.Arzătoare de gaze………………………………………………17

2.1.1.1.Arzătoare fără flacără…………………………………….18

2.1.1.2.Arzătoare cu flacără………………………………………35

Cap.3.Generatoarele gazodinamice și hidrodinamice de sunet și ultrasunet………………………………………………………………………….44

3.1.Noțiunea de tehnologie sonică…………………………………..44

3.2.Clasificarea generatoarelor sonice……………………………..45

3.3.Scheme constructive ale generatoarelor sonice gazodinamice și hidrodinamice………………………………………………………………….46

3.4.Tehnologii sonice…………………………………………………..50

3.4.1.Exemple de aplicare în practică a sistemelor tehnice cu dispozitive sonice………………………………………………………………..50

3.4.2.Tehnologia sonică de ardere a combustibililor cu randament ridicat și emisii de NOx………………………………………….50

Cap.4.Arzător de gaz cu generator sonic – experimental…………….52

Bibliografie………………………………………………………………60

Introducere

Încălzirea metalului

Încălzirea metalului este un proces care, fie că precede prelucrarea metalului prin presare (laminare, forjare), fie că reprezintă faza principală din procesul tratamentului termic al metalului. De aceea, încălzirea metalului se întâlnește foarte des în practică și are mare importanță. De calitatea ei depinde și calitatea produsului finit și funcționarea instalației de laminare (sau forjare).

Încălzirea metalului trebuie să se efectueze după o tehnologie perfect determinată, aceasta depinzând de scopul în care se face încălzirea.

Procesul de încălzire a metalului este însoțit de unele fenomene supărătoare, dintre care cele mai importante sunt: oxidarea metalului și decarburarea.

Formarea țunderului are o influență extrem de dăunătoare, atât asupra aspectului economic al procesului de încălzire, cât și asupra funcționării utilajului, în special când este vorba de forjare și de matrițare la cald. De aceea este necesar să se caute prin toate mijloacele să se micșoreze oxidarea metalului.

Trebuie să relevăm că durata încălzirii este un factor important al tehnologiei încălzirii și în același timp este mărimea pe baza căreia se determină principalele dimensiuni ale camerei de lucru a cuptoarelor de încălzire.

Cap.1.Bazele tehnologiei raționale a încălzirii oțelului

În timpul încălzirii, diferitele straturi de metal nu se încălzesc în mod egal și există o diferență de temperatură în secțiunea metalului.

De aceea este posibil să apară tensiuni în metal. Straturile exterioare, mai calde ale metalului au tendința de a se dilata mai mult decât cele interioare, mai puțin încălzite. Ca atare, straturile interioare ale metalului împiedică dilatarea straturilor exterioare, din care cauză acestea suferă eforturi de compresiune. Straturile interioare, suferă, însă eforturi de întindere.

Dacă tehnologia încălzirii a mai fost greșit aleasă, se poate întâmpla ca o diferență prea mare de temperatură în secțiunea metalului să provoace apariția unor eforturi excesive și, ca urmare, să se producă fisuri și rupturi. Capacitatea unui metal de a rezista la eforturile care iau naștere în el este determinată de proprietățile lui.

De aceea, o tehnologie corectă a încălzirii trebuie să lege aspectul termic al procesului de încălzire a metalului cu proprietățile elastice ale acestuia.

Regimul tehnologic de încălzire a metalului său, mai pe scurt spus, regimul de încălzire se prezintă sub forma unei diagrame a variației temperaturii metalului în timp, datorită regimului termic de funcționare a cuptorului.

Regimul de încălzire este determinat în principal de temperatura și de viteza de încălzire a metalului.

Se numește temperatură de încălzire temperatura finală la care se scoate metalul din cuptor.

Se numește viteză de încălzire variația temperaturii metalului în unitatea de timp; ea se exprimă în °C/h.

Pornind de la viteza de încălzire admisibilă, se determină elementele regimului de încălzire admisibilă, cum sunt: numărul de etape de încălzire, existența sau lipsa unei zone de egalizare și în sfârșit, durata totală a încălzirii (timpul de preîncălzire).

Temperatura de încălzire și viteza cu care se ajunge la ea determină și uniformitatea încălzirii, care este cel mai important indice a calității încălzirii unui metal.

Temperatura de încălzire a metalului depinde în special de scopul pe care-l urmărește procesul de încălzire.

În cazul tratamentelor termice, temperatura de încălzire se alege în conformitate cu felul tratamentului termic și cu temperaturile critice caracteristice pentru metalul de marca respectivă.

Prelucrarea metalului prin presare necesită o temperatură de încălzire astfel determinată, încât metalul să-și păstreze suficiente însușiri plastice în tot timpul prelucrării, temperatura de încălzire a metalului urmând să fie aleasă, ținându-se seamă de temperatura minimă admisibilă la sfârșitul prelucrării. Acest lucru este necesar, deoarece metalul care trece prin cilindri în procesul de laminare se răcește, dar el nu trebuie să-și piardă proprietățile plastice necesare înainte de a se termina laminarea.

Extrem de important este să se aleagă corect temperatura de încălzire a metalului înainte de prelucrarea prin presare, ceea ce se face contându-se pe condițiile optime și pornindu-se de la următoarele considerente.

Mărimea temperaturii de încălzire a metalului, și deci a plasticității sale are o influență favorabilă asupra modului cum decurge procesul de laminare, întrucât permite să se mărească presiunea cilindrilor și să se reducă numărul de treceri, micșorează eforturile la care este supus utilajul de lamiare (în special, cajele cilindrilor) și mărește economicitatea procesului de laminare.

Ridicarea temperaturii de încălzire a metalului face însă să se mărească în mod exagerat cristalele acestuia, intensifică oxidarea metalului și poate avea ca rezultat și supraîncălzirea sau arderea metalului.

Supraîncălzirea metalului apare atunci când cristalele sale se măresc atât de mult, încât legătura dintre ele slăbește, rezistența mecanică a metalului scade și devine posibilă formarea fisurilor.

Metalul supraîncălzit se poate recondiționa prin recoacere la o temperatură ceva mai ridicată decât Ac3. Arderea metalului însă nu se poate remedia în nici un chip și metalul trebuie dat la retopit.

În cazul arderii are loc pătrunderea oxigenului în interiorul, metalului și, ca urmare, oxidarea și topirea cristalelor sale. În urma arderii metalul își pierde rezistența în așa măsură, încât nu mai suportă deloc prelucrarea mecanică.

Din toate acestea rezultă că temperatura de încălzire, în cazul prelucrării prin presare, trebuie să fie cu 100-150°C inferioară temperaturii care se găsește pe curba solidus din diagrama Fe-C (tabelul 1).

Tabelul 1

Temperatura teoretică de ardere și temperatura de încălzire

În cazul încălzirii, în vederea unui tratament termic, se produce o modificare a structurii metalului, însoțită de o oarecare variație a volumului său.

Această variație a volumului provoacă apariția unor tensiuni interne în metal, care cresc treptat, sunt adesea de semne contrare și micșorează tensiunile care au apărut în metal în legătură directă cu încălzirea.

Nu trebuie să se uite că martensita care rezultă prin călire are proprietăți plastice reduse, ceea ce poate avea drept urmare apariția unor fisuri în metal. De aceea, în cazul călirii, răcirea cu mare viteză este admisibilă numai până la temperaturi corespunzătoare transformării martensitice.

Viteza de încălzire a metalului este un element foarte important al regimului de încălzire. În cursul încălzirii se produce o diferență de temperatură în grosimea materialului care se încălzește, diferență care dă naștere la tensiuni de temperatură. Cu cât viteza de încălzire a metalului este mai mare, cu atât diferența de temperatură este mai mare și cu atât tensiunile termice care iau naștere cu prilejul încălzirii sunt mai importante.

Atât timp cât metalul nu posedă proprietăți plastice, tensiunile termice sunt periculoase. Pentru oțel sunt periculoase tensiunile în intervalul de temperatură de la 0 la 500°C. Dacă temperatura este mai mare de 500°C tensiunile dispar, din cauza apariției deformațiilor plastice. Când se încălzește oțel moale cu conținut redus de carbon, care posedă o plasticitate mare, tensiunile care apar nu sunt periculoase, chiar la temperaturi sub 500°C.

Dacă materialul care se încălzește are grosime neînsemnată (de exemplu, tablă), nu se poate produce o diferență însemnată de temperatură și prin urmare, nu pot apărea tensiuni. În consecință, când se încălzesc oțeluri carbon și aliate în intervalul de temperaturi de la 0 la 500°C, tensiunile care apar nu trebuie să depășească valori maxime admisibile.

Cu alte cuvinte, viteza de încălzire trebuie să fie aleasă în așa fel, încât să nu ia naștere tensiuni termice exagerate, inadmisibile, care ar putea provoca distrugerea metalului.

Ca tensiune admisibilă trebuie să se ia rezistența reală de rupere, pe baza căreia se poate determina viteza admisibilă de încălzire.

Tensiunea maximă cu valoarea absolută , care se observă la suprafața corpului, se calculează cu următoarele formule:

pentru cilindru:

; (1)

pentru placă

, (1.1)

în care α este coeficientul de dilatare liniară, grd-1;

E – modulul de elasticitate, kgf/cm2;

µ – coeficientul lui Poisson; pentru oțel se ia µ = 0,3;

vi – viteza de încălzire, °C/h;

r – raza cilindrului, m;

s – grosimea plăcii, m;

a – difuzitatea termică;

Δt – diferența de temperatură în materialul încălzit, °C.

Dacă în formulele (1) și (1.1) se va nota cu σa tensiunea admisibilă, viteza admisibilă de încălzire pantru oțel se va determina cu ajutorul expresiilor:

pentru cilindru (1.2)

pentru placă (1.3)

Din formulele (1.2) și (1.3) rezultă că diferența de temperatură admisibilă este:

pentru cilindru; (1.4)

pentru placă. (1.5)

În practică se întâlnește încălzirea unilaterală, bilaterală și uneori și multilaterală (în cuptoare verticale de încălzire) a metalului.

Încălzirea metalului pe două sau mai multe părți accelerează procesul de încălzire și permite încălzirea cu o diferență mai mică de temperatură în secțiunea metalului, asigurându-se astfel o uniformitate mai mare a încălzirii.

Uniformitatea este un indice foarte important al încălzirii. Metalul trebuie să fie încălzit cât se poate mai uniform, pentru ca toate părțile sale să aibă proprietăți plastice identice. Metalul încălzit neuniform se deformează neuniform în cursul prelucrării prin presare și adesea se ivește necesitatea unei remedieri. În unele cazuri, o neuniformitate însemnată a încălzirii poate provoca defectarea utilajului. Este posibil, de exemplu, să apară fisuri în cajele cilindrilor de laminor, din cauza rezistenței exagerate a metalului la caroiaj.

S-a stabilit că diferența admisibilă de temperatură în secțiunea metalului încălzit înainte de laminare este de circa 200°C pe 1m grosime a metalului.

În r – raza cilindrului, m;

s – grosimea plăcii, m;

a – difuzitatea termică;

Δt – diferența de temperatură în materialul încălzit, °C.

Dacă în formulele (1) și (1.1) se va nota cu σa tensiunea admisibilă, viteza admisibilă de încălzire pantru oțel se va determina cu ajutorul expresiilor:

pentru cilindru (1.2)

pentru placă (1.3)

Din formulele (1.2) și (1.3) rezultă că diferența de temperatură admisibilă este:

pentru cilindru; (1.4)

pentru placă. (1.5)

În practică se întâlnește încălzirea unilaterală, bilaterală și uneori și multilaterală (în cuptoare verticale de încălzire) a metalului.

Încălzirea metalului pe două sau mai multe părți accelerează procesul de încălzire și permite încălzirea cu o diferență mai mică de temperatură în secțiunea metalului, asigurându-se astfel o uniformitate mai mare a încălzirii.

Uniformitatea este un indice foarte important al încălzirii. Metalul trebuie să fie încălzit cât se poate mai uniform, pentru ca toate părțile sale să aibă proprietăți plastice identice. Metalul încălzit neuniform se deformează neuniform în cursul prelucrării prin presare și adesea se ivește necesitatea unei remedieri. În unele cazuri, o neuniformitate însemnată a încălzirii poate provoca defectarea utilajului. Este posibil, de exemplu, să apară fisuri în cajele cilindrilor de laminor, din cauza rezistenței exagerate a metalului la caroiaj.

S-a stabilit că diferența admisibilă de temperatură în secțiunea metalului încălzit înainte de laminare este de circa 200°C pe 1m grosime a metalului.

În conformitate cu cerințele tehnologiei încălzirii, se face uz de regimuri care constau dintr-un număr diferit de etape de încălzire.

Încălzirea într-o singură etapă se produce atunci când cuptorul are aceeași temperatură în toată incinta sa, iar metalul se introduce astfel direct într-un mediu cu temperatură foarte înaltă. Această metodă de încălzire este aplicabilă când este vorba de piese subțiri: tablă, blocuri etc. Într-o astfel de piesă nu se poate produce o diferență însemnată de temperatură și nu se pot ivi tensiuni termice mari.

La acest regim de încălzire, în cazul tartamentului termic, uneori se menține metalul la temperatură constantă, pentru ca transformările interne să se poată termina complet.

Încălzirea în două etape se compune deobicei dinrt-o perioadă de încălzire preliminară și o perioadă de încălzire intensă. Acest regim de încălzire se aplică la piesele de oțel carbon și aliat cu grosime însemnată (până la circa 200 mm).

Zona de încălzire preliminară a cuptorului se caracterizează printr-o temperatură relativ joasă, ceea ce permite să se facă încălzirea în intervalul de la 0 la 500°C cu viteză admisibilă, fără ca să ia naștere tensiuni termice excesive.

În zona de încălzire intensă metalul se încălzește până la temperatura finală în regim obligatoriu de uniformitate suficientă a încălzirii (cel mult 200°C pe 1m grosime).

Dacă (în cazul regimului în două etape) nu se asigură o uniformitate suficientă a încălzirii, este necesar să se adauge o a treia etapă de încălzire.

Regimul de încălzire în trei etape cuprinde, pe lângă cele două etape manționate mai sus, și o perioadă de menținere la temperatură constantă și se folosește la încălzirea semifabricatelor mari, cu grosime de 200-400 mm.

Scopul acestei etape este ca, fără a mări temperatura suprafeței metalului, să se încălzească metalul în profunzime; cu alte cuvinte, să se micșoreze diferența de temperatură care se produce în zona de încălzire intensă.

Trebuie să relevăm că, atunci când se încălzește metalul șarjat cald (în cuptoare verticale de încălzire) se folosește încălzirea în două etape constând dintr-o perioadă de încălzire intensă și o perioadă de menținere la temperatură constantă. Când se încălzește metalul care nu s-a răcit, nu mai este necesară zona de încălzire preliminară, întrucât temperatura metalului înainte de introducerea în cuptor depășește 500°C în majoritatea cazurilor.

1.1.Durata încălzirii

În afară de temperatură, de viteza de încălzire și de etapele de încălzire, are mare importanță și durata încălzirii, care se poate determina pentru fiecare etapă de încălzire pornindu-se de la temperatura și viteza de încălzire. În practică, adesea se face uz de indicii: temperatura și durata încălzirii, întrucât cu ajutorul acestor parametri este ușor a supraveghea și controla regimul de încălzire a metalului. Importanța duratei încălzirii este subliniată și mai mult de faptul că ea leagă între ele dimensiunile și productivitatea cuptoarelor.

1.1.1.Factorii care influențează durata încălzirii

Durata încălzirii metalului depinde de o întreagă serie de factori, care pot fi împărțiți în fond în două grupe:

factori care determină schimbul exterior de căldură, adică transferul termic de la gazele și zidăria cuptorului la suprafața metalului. Printre acești factori se numără: temperatura cuptorului, temperatura metalului și a zidăriei cuptorului, dimensiunile camerei de lucru a cuptorului;

2) factori care determină schimbul intern de căldură (în metal), adică cei care caracterizează propagarea căldurii de la suprafața metalului în interiorul său. Printre acești factori se numără: conductivitatea termică și căldura specifică a metalului, grosimea metalului care încălzește și compoziția sa chimică.

În paragraful de față este util să se analizeze doi factori suplimentari care influențează sensibil încălzirea metalului: modul cum sunt așezate semifabricatele în cuptor și variația gradului de negreală a metalului în timpul încălzirii sale.

De modul cum sunt așezate semifabricatele pe vatra cuptorului, în timpul încălzirii lor depinde ce parte din suprafața fiecărui semifabricat poate primi radiațiile termice. Sunt posibile cazuri în care semifabricatele se maschează unul pe altul într-o măsură mai mare sau mai mică și astfel micșorează porțiunea din suprafață care primește căldură. Acest lucru, la rândul său, are ca rezultat o mărire a duratei încălzirii metalului.

V.F. Kopîtov și P.V. Sorokin au făcut cercetări speciale, al căror scop era să stabilească modul cum așezarea diferită a semifabricatelor rotunde și pătrate pe vatra cuptorului influențează asupra duratei de încălzire a acestora.

Rezultatele acestor cerecetări sunt prezentate în fig.1, din care se vede că cel mai repede se încălzește un semifabricat stând singur pe vatră, întrucât el are cea mai mare suprafață capabilă de a absorbi radiațiile termice.

În cuptoarele cu împingător ale laminoarelor (cuptoare continue) semifabricatele sunt așezate în contact strâns și se pot încălzi pe una sau pe două părți, ceea ce are ca rezultat o mărire relativă a duratei încălzirii.

În cuptoarele de forjă, de tipul cu cameră, semifabricatele trebuie să fie așezate la oarecare distanță unul de altul, ceea ce are o influență asupra încălzirii lor (fig.1).

Fig.1 Influența modului de așezare a lingourilor asupra vitezei de încălzire.

Durata încălzirii semifabricatelor, când raportul dintre lungimea și grosimea lor este mai mare de 3, nu depinde de lungimea semifabricatelor. Dacă lungimea semifabricatelor este mai mică decât trei diametre, trebuie să se țină seamă de încălzirea pe la capetele semifabricatului.

Dacă se ia ca unitate timpul de încălzire a unui semifabricat, la care lungimea este de trei ori mai mare decât grosimea, atunci în cazul când raportul dintre lungimea și grosimea semifabricatului este egală cu 2, coeficientul de scurtare a timpului de încălzire este 0,8; dacă raportul este egal cu 1, acest coeficient ese 0,71.

Gradul de negreală al suprafeței metalului se ia de obicei constant în calculul duratei încălzirii. De fapt însă gradul de negreală suferă modificări în cursul încălzirii metalului în cuptoarele cu flacără, în legătură cu formarea țunderului.

Cercetările întreprinse au arătat că, dacă se încălzește oțelul în intervalul de temperatură de 300-450°C, se produce o mărire rapidă a gradului de negreală cu până la 80-90%, indiferent de calitatea prelucrării suprafeței înainte de încălzire.

Această modificare a gradului de negreală are o influență simțitoare asupra duratei încălzirii metalului, încălzindu-se mai repede produsele cu suprafață oxidată neagră.

De obicei, în cazul încălzirii în cuptoare cu flacără, în atmosfera cărora există gaze oxidante, nu numai că se oxidează suprafața metalului, dar se formează un strat însemnat de țunder, care începe să joace rolul de izolație termică. Din această cauză, în cuptoarele continue, de exemplu, coeficientul de cedare termică se reduce la mai puțin de jumătate.

Cap.2.Elemente ale construcției cuptoarelor metalurgice.

2.1.Dispozitive pentru arderea combustibilului

2.1.1.Arzătoare de gaze

După cum s-a arătat, arderea unui combustibil este posibilă numai atunci când există contact între moleculele gazului și ale aerului, adică atunci când se produce amestecarea gazului cu aerul.

Pentru arderea combustibililor gazoși se folosesc dispozitive speciale, numite arzătoare. Scopul arzătoarelor este de a amesteca combustibilul cu aerul și astfel să se producă arderea combustibilului.

Principiul funcționării unui arzător și construcția acestuia sunt determinate de caracterul arderii combustibilului.

Când combustibilul și aerul se amestecă între ele înainte de a intra în cuptor și astfel în zona de ardere se introduce o masă combustibilă dinainte preparată, are loc o ardere cinetică, pe care o asigură arzătoarele de tip fără flacără. Aceste arzătoare se numesc fără flacără deoarece amestecul de combustibil și aer dinainte pregătit arde aproape fără flacără vizibilă. Arzătoarele de tip fără flacără se mai numesc, uneori, și arzătoare cu amestecare prealabilă.

În cazul arderii prin difuziune, când formarea aestecului are loc în același spațiu în care se produce și arderea, se formează (în afară de cazul gazului de furnal) o flacără bine vizibilă. De aceea, arzătoarele care se bazează pe principiul arderii prin difuziune a combustibilului se numesc arzătoare cu flacără.

2.1.1.1.Arzătoare fără flacără

Înainte de a trece la examinarea tipurilor de arzătoare fără flacără, se vor arăta caracteristicile generale care determină avantajele lor și domeniul de întrebuințare.

La arderea combustibililor este foarte important să se aleagă corect valoarea coeficientului de exces de aer, deoarece de cantitatea de aer care revine pe 1m3 combustibil depinde cât de completă va fi arderea și temperatura pe care o poate atinge arderea combustibilului. Cu cât calitatea amestecării este mai bună, cu atât se poate realiza gradul de ardere necesar cu un exces mai mic de aer.

La arzătoarele fără flacără, care produc o amestecare prealabilă bună a combustibilului cu aerul, gradul de ardere necesar se atinge cu un coeficient de exces de aer mult mai mic decât la arzătoarele de alte tipuri.

La arderea unui combustibil cu aceeași putere calorică, micșorarea coeficientului de exces de aer duce la ridicarea temperaturii de ardere. Acest lucru rezultă clar din expresia , întrucât micșorarea coeficientului de exces de aer duce la reducerea cantității de produse de ardere V.

Din cele expuse se poate trage concluzia că arzătoarele cu amestecare prealabilă asigură, pentru un combustibil de același fel, temperatura cea mai înaltă de ardere.

Din cauza arderii fără flacără, arzătoarele de amestecare prealabilă se folosesc la cuptoarele de încălzire la care nu este necesară o flacără luminoasă de lungime prea mare.

Este rațional să se folosească arzătoare de acest tip și la încălzirea cuptoarelor cu combustibil cu putere calorică mică sau cu combustibil care nu poate arde cu flacără luminoasă (gazul de furnal).

Amestecarea prealabilă a gazului cu aerul necesită dispozitive amestecătoare speciale, care pot fi executate fie dintr-o bucată cu arzătorul, fie separat de acesta. Cel mai mult s-au răspândit amestecătoarele cu injecție tip "Stalproekt". Arzătoarele prevăzute cu astfel de amestecătoare se numesc arzătoare cu injecție.

În fig.2 este reprezentat un amestecător cu injecție, executat separat de arzător și alimentând cu un amestec de gaz și aer mai multe arzătoare în același timp. Amestecătorul din fig.2.1 formează corp comun cu arzătorul. În funcție de debit, se folosesc fie arzătoare de un tip, fie de celălalt.

Amestecătorul funcționează în modul următor: combustibilul gazos este introdus sub o anumită presiune în amestecător prin racordul d și, ieșind cu mare viteză prin ajutajul da, antrenează (injectează) aerul necesar pentru ardere. Aerul este aspirat di natmosfera înconjurătoare prin fanta inelară dintre inelul de reglare A și tubul de amestecare B. Dacă este necesar să se mărească debitul de aer, inelul filetat A se răsucește spre stânga, mărind fanta pentru trecerea aerului. Amestecarea gazului cu aerul are loc parțial în timpul aspirației aerului, dar pentru o amestecare completă este necesară încă o porțiune de conductă, a cărei rol este îndeplinit de tubul amestecător B, a cărui lungime trebuie să fie de cel puțin șapte diametre. Necesitatea unui tub amestecător de lungime atât de mare face ca dimensiunile totale ale arzătoarelor să se mărească mult.

Arzătorul cu amestecător cu injecție (arzătorul cu injecție) este prevăzut cu reglaj automat al alimentării cu aer. Astfel, la diferite debite de același combustibil, dacă poziția inelului A rămâne neschimbată, se asigură un coeficient constant de exces de aer. În acest caz, deplasarea inelului A are ca efect modificarea coeficientului de exces de aer în aceeași măsură pentru toate debitele de combustibil. Așadar reglând o dată poziția inelului A pentru un anumit coeficient de exces de aer, ulterior nu mai este necesar să se atingă arzătorul, deoarece, dacă se modifică debitul de combustibil, se va menține în mod automat regimul fixat. Dacă puterea calorică a combustibilului variază cu 150-250 kcal/m3, se poate lucra cu același diametru da al ajutajului de gaz al arzătorului, reglându-se aspirația aerului cu ajutorului inelului de reglare A.

Dacă variația puterii calorice a combustibilului este mai însemnată, ceea ce duce la o variație considerabilă a debitului de aer pe 1m3 gaz, trebuie să se modifice diametrul ajutajului de gaz.

Un avantaj al folosirii amestecătoarelor cu injecție este posibilitatea de a renunța la conducta de aer și la ventilatoarele pentru alimentarea cu aerul necesar pentru ardere.

Randamentul și stabilitatea funcționării arzătoarelor cu injecție depind, în mare măsură, de presiunea de alimentare cu combustibil gazos. Dacă presiunea este astfel încât viteza cu care amestecul iese din capul arzătorului cu diametrul dc∙a este mai mică viteza de ardere a combustibilului respectiv, se produce o întoarcere a flăcării în tubul amestecător și arzătorul se poate deteriora.

Fig. 2 Arzător cu injecție, cu amestecător separat.

Este posibilă și situația inversă, când presiunea fiind excesivă, viteza de ieșire a amestecului din capul arzătorului întrece cu mult viteza de ardere. În acest caz se observă o întrerupere a arderii, ceea ce reduce randamentul funcționării arzătorului. Viteza normală de ieșire a amestecului din capul arzătorului este cuprinsă între 20 și 50 m/s (la 0°C), iar presiunea minimă a gazului, necesară pentru a se evita întroarcerea flăcării în arzător, va fi următoarea (mm H2O):

pentru gazul de furnal cu kcal/m3 50;

pentru gazul de generator cu kcal/m3 100;

pentru gazul de generator și gazul mixt cu kcal/m3 150;

pentru gazul mixt cu kcal/m3 300;

Fig.2.1 Arzător cu injecție tip "Stalproekt".

La o anumită viteză de ieșire a amestecului va corespunde o sarcină a capului arzătorului, care se determină cu relația:

[kcal/cm2∙h],

în care q este debitul orar de combustibil al arzătorului, Nm3/h;

Sc∙a – secțiunea capului arzătorului, cm2.

Valoarea lui hc∙a variază deobicei între 5000 și 10000 kcal/cm2∙h.

Calculul arzătorului cu injecție este foarte complicat, dar, după o serie de simplificări, caracteristica arzătoarelor pentru combustibili având o putere calorică de 900-2200 kcal/m3 poate fi prezentată, după datele institutului "Stalproekt", în modul următor:

(2)

în care Sg este secțiunea ajutajului de gaz, cm2;

Sc∙a – secțiunea capului arzătorului (când sunt mai multe

arzătoare la un amestecător, secțiunea capetelor

arzătoarelor), cm2;

n – numărul de injecții, raportat la greutate;

γa și γg – greutatea specifică a amestecului și a gazului,

kgf/cm3;

K – un coeficient care caracterizează funcționarea sistemului.

La proiectarea cuptoarelor, consumul q de combustibil care revine unui arzător se determină pornindu-se de la consumul total B de combustibil al cuptorului (luat din bilanțul termic) și de la numărul de arzătoare ales pe considerente constructive de altă natură.

Cunoscând consumul de combustibil pe fiecare arzător sau debitul său caloric (q), trebuie să se afle presiunea necesară și să se obțină dimensiunile constructive ale arzătoarelor. Pentru determinarea presiunii necesare a gazului când hc∙a = 10000 kcal/cm2∙h se poate face uz de datele furnizate de "Stalproekt", care se găsesc în fig.2.1.1.

Fig.2.1.1. Diagramă pentru determinarea presiunii necesare a gazului în arzătoarele cu injecție: a – pentru amestecător lucrând separat de injector; b – idem, împreună cu injectorul.

Dimensiunile constructive ale arzătoarelor cu injecție se referă la arzătoarele cu injecție cu un singur etaj, care se folosesc în cazul când cantitatea de aer necesară pentru arderea a 1m3 de gaz nu depășește 2,5m3.

Când cantitatea specifică de aer este mai mare decît 2,5m3, pentru funcționarea arzătorului cu amestecare într-un singur etaj este necesară o presiune foarte înaltă a gazului, ceea ce este foarte greu de realizat în practică. În astfel de cazuri se pot folosi arzătoare cu amestecare în două etaje. Unul dintre aceste arzătoare este reprezentat în fig.2.1.2.

Acest arzător este calculat pentru arderea gazului mixt și a gazului de cocserie. Gazul se introduce prin racordul de admisie B, și se realizează astfel primul etaj de amestecare, care asigură injectarea a circa 60% din aerul necesar pentru ardere. În al doliea etaj de amestecare fluidul injectant este însuși amestecul de gaz și aer care s-a format în primul etaj al arzătorului.

Unele arzătoare cu injecție pot funcționa nu numai cu aer atmosferic rece, ci și cu gaz și aer preîncălzit, ceea ce este deosebit de important pentru cuptoarele încălzite cu combustibil sărac, de exemplu cu gaz de furnal. În fig.2.1 este reprezentat un injector cu injecție tip "Stalproekt", construit în acest scop. Este important să se aleagă corect temperatura admisibilă de preîncălzire a gazului și a aerului, pentru a se exclude posibilitatea aprinderii amestecului în amestecător.

Fig.2.1.2 Arzător cu injecție, cu două etaje, sistem "Soiuzteplostroi".

Timpul cât rămâne amestecul în amestecător este de ordinul de 0,1s.

Aprinderea amestecului în amestecător se poate produce numai în cazul în care perioada (timpul) de inducție este mai mică decât perioada de ședere a amestecului în amestecător. O perioadă scurtă de inducție se obține când temperatura amestecului este înaltă.

Experiențele făcute de "Stalproekt" au arătat că la temperatura de 585°C a amestecului, gazul de furnal nu se aprinde, dar temperatura maximă a amestecului este de 400°C (puterea calorică a gazului mixt este de 2000 kcal/Nm3).

Fig.2.1.3. Arzător cu injecție pentru aer preîncălzit.

Când se reglează debitul de gaz cu aceste arzătoare, se menține de asemenea o proporție constantă între gaz și aer. Arzătoarele se reglează pentru un anumit coeficient de exces de aer cu ajutorul unor ventile de reducție, montate pe conductele de gaz și de aer înaintea arzătoarelor.

Aceste arzătoare sunt calculate pentru un debit mare și se folosesc, de obicei, la cuptoarele mari de încălzire. Cuptoarele înzestrate cu astfel de arzătoare și de recuperatoare ceramice executate din blocuri de șamotă pot funcționa cu gaz natural, fără alimentare forțată cu aer.

Calculul unui arzător cu un singur etaj pentru gaze sau aer preîncălzit se efectuează în scopul determinării a trei parametri principali: diametrul capului arzătorului dc∙a, mm; diametrul ajutajului de gaze al amestecătorului dg, mm; presiunea necesară a gazului pg, mm H2O.

Acest calcul poate fi efectuat în modul următor, după metoda elaborată la institutul "Stalproekt", B.R. Imenitov. Pentru calcul este necesar să se cunoască:

– puterea calorică a gazului , kcal/Nm3;

– greutatea specifică a gazului γg, kgf/Nm3;

– volumul specific al aerului pentru 1Nm3 gaz – Vs Nm3 aer/Nm3 gaz (cu coeficientul ales de exces de aer);

– temperatura gazului înaintea arzătorului tg, °C;

– temperatura aerului înaintea arzătorului ta, °C;

– debitul unui arzător (în gaz) q, Nm3/h;

– rezistența parcursului de la intrarea din atmosferă în recuperator până la arzător ha, mm H2O, care se calcuează în modul obișnuit, adică prin determinarea succesivă a tuturor rezistențelor întâmpinate de aer în drumul său.

Calculul se efectuează în următoarea ordine:

1.Viteza efectivă (la t°C) cu care iese amestecul din capul arzătorului ωc∙a [m/s] se alege făcându-se uz de datele din tabelul 2.

Tabelul 2

Valoarea de ieșire din capul arzătorului cu injecție Wc∙a, când sarcina capului injectorului este de 8-10000 kcal/cm2∙°C

2. Se determină temperatura amestecului tam:

3. Se determină debitul de amestec de gaz și de aer:

Bam = (Vsq+q) (1+αtam) [m3/h].

4. Se determină diametrul capului arzătorului:

.

5. Se determină greutatea specifică a amestecului γam:

[kgf/m3],

în care: γg la tg;

γa la ta.

6. Se determină presiunea dinamică în capul arzătorului hc∙a:

[mm H2O].

7. Se determină coeficientul de rezistență al drumului parcurs de aer ξa:

8. Se determină numărul de injecții

Numărul de injecții raportat la volum:

m = 1+Vs

Numărul de injecții raportat la greutate:

9. Se determină coeficientul de rezistență δ al arzătorului:

în care δ0 se ia în funcție de produsul m∙n, conform datelor din partea stângă a tabelului 2.1:

Tabelul 2.1

10. Se găsește diametrul ajutajului dg:

[mm]

11. Se determină coeficientul de rezistență al arzătorului:

în care valoarea lui i se alege dintre datele părții din dreapta a tabelului precedent.

12.Se găsește valoarea presiunii necesare a gazului înaintea arzătorului pg:

pg = δ1∙hc∙a [mm H2O].

Toate celelalte dimensiuni ale arzătorului și forma tubului amestecător se stabilesc în mod constructiv, pe baza considerentelor de pierdere cât mai mică de presiune. Lungimea tubului amestecător se ia de 6-7 ori mai mare decât dc∙a.

În funcționarea arzătoarelor cu injecție un rol esențial îl are tunelul, ai cărui pereți se căptușesc, după șabloane speciale, cu materiale foarte refractare, având compoziția următoare: circa 45% magnetit cromic (în pulbere), circa 45% magnezit ars și circa 10% argilă refractară.

În afară de aceasta se folosesc cărămizi fasonate speciale de caolin sau de șamotă clasa A. Secțiunea tunelului poate fi de 7-8 ori mai mare decât secțiunea capului arzătorului, iar lungimea lui se ia egală cu 6-7 diametre ale capului.

Tunelul are rolul de dispozitiv de aprindere a amestecului. În timpul arderii gazului, pereții tunelului se încălzesc la temperatură înaltă, asigurând aprinderea noilor porții de amestec de gaz și de aer și favorizând astfel arderea stabilă. Există dovezi că pereții tunelului exercită o influență catalizatoare asupra procesului arderii.

Cu toate avantajele semnalate, arzătoarele cu injecție au și anumite dezavantaje, printre care următoarele:

– limite reduse de reglare, întrucât modificarea presiunii gazului este limitată de posibilitatea de a se produce întoarcerea flăcării în arzător sau întreruperea ei;

– necesitatea de a se modifica diametrul ajutajului de gaze când puterea calorică a combustibilului variază cu mai mult de 150-250 kcal/m3;

– dificultatea de a funcționa cu aer preîncălzit când se folosesc combustibili cu putere calorică mare, din cauza măririi raportului aer-gaz, care are ca efect o creștere excesivă a presiunii gazului;

– dimensiunile mari ale arzătoarelor, care ajung până la 2-3 m.

Aceste dezavantaje fac uneori irațională folosirea arzătoarelor cu injecție, în special la cuptoarele relativ mici.

În prezent, în uzinele metalurgice și constructoare de mașini se folosesc pe scară mare gazele naturale sau un amestec de gaz natural și gaz de iluminat, a cărui putere calorică este kcal/m3 sau mai mult. Un astfel de gaz se folosește, atât la cuptoarele mari, cât și la cele mici, ceea ce necesită arzătoare de dimensiuni reduse, care să asigure o ardere suficient de completă a combustibilului și limite largi de reglare.

Un mod practic de a se reduce lungimea arzătoarelor este folosirea arzătoarelor cu mai multe ajutaje.

În fig.2.1.4 este reprezentat un arzător cu mai multe ajutaje, conceput de laboratorul termotehnic al uzinei de automobile „Lihacev” din Moscova. Încercările au arătat că acest arzător prezintă o serie de avantaje. Astfel, de exemplu, deși are dimensiuni mai mici, debitul acestui arzător la presiune egală este mai mare decât al injectorului cu injecție corespunzător (fig.2.1.5). Arzătorul se reglează bine în domeniul de presiuni de la 0,2 la 1,6 at, se aprinde și nu are nevoie de apă pentru răcirea părții anterioare.

Fig.2.1.4 Arzător cu injecție, cu mai multe ajutaje

Un oarecare dezavantaj al arzătoarelor cu tunel în peretele cuptorului este lipsa posibilității de a se utiliza radiația suprafețelor incandescente ale tunelului pentru încălzirea materialelor din cuptor.

De aceea, în ultimul timp au început să fie folosite așa-numitele arzătoare ceramice, în care amestecul combustibil se dirijează, sub formă de jeturi foarte fine, cu mare viteză (presiunea amestecului ajunge până la 2000 mm H2O) asupra suprafețelor refractare îndreptate spre materialul care se încălzește și care pot radia liber căldura (fig.2.1.6).

Arzătoarele ceramice permit să se execute întregul cuptor cu dimensiuni extrem de mici și se folosesc cu cel mai mare succes la cuptoarele continue, la care timpul de încălzire este riguros reglementat.

Procentul de radiație la arzătoarele ceramice este foarte mare și se ridică la 70% când puterea calorică a gazelor este de ordinul 9000 kcal/Nm3.

Pe măsură ce puterea calorică a gazului se micșorează, procentul de radiație scade. De aceea, când se folosesc gaze cu putere calorică redusă, arzătoarele ceramice nu se deosebesc de celelalte prin avantaje importante.

Dezavantajele arzătoarelor ceramice se datoresc în special faptului că gazul trebuie să fie foarte bine purificat și că este necesar un utilaj costisitor precum compresie și pentru reglarea proporțiilor.

Fig.2.1.5. Variația presiunii gazului, în funcție de debitul arzătoarelor cu injecție:

1-arzător sistem “Stalproekt”; 2-arzător cu mai multe ajutaje.

Fig.2.1.6. Arzător ceramic.

Arzătoarele fără flacără dau un jet de gaze incandescente cu putere mică de radiație. Radiația unui astfel de jet scade repede, pe măsură ce se depărtează de tunel. De aceea, pentru încălzirea cuptoarelor mari se folosesc adesea arzătoare cu flacără luminoasă, la care jetul de gaze incandescente are dimensiuni suficiente.

2.1.1.2.Arzătoare cu flacără

Se numesc arzătoare cu flacără arzătoarele la care procesul de amestecare a gazului cu aerul se mută în camera de lucru a cuptorului și arderea combustibilului se prelungește foarte mult.

Pentru arzătoarele cu flacără are mare importanță calitatea amestecării gazului cu aerul, care depinde de gradul de turbulență a curenților. Cu cât turbulența curenților este mai pronunțată, cu atât procesul de amestecare este mai intens. Următorii factori influențează puternic calitatea amestecării:

diferența dintre variația gazului și cea a aerului; cu cât această diferență este mai mare, cu atât curenții se amestecă mai bine și cu atât flacăra este mai scurtă (fig.2.1.7);

Fig.2.1.7

unghiul sub care se întâlnesc jeturile de gaz și de aer; cu cât unghiul de întâlnire (de la 0 la 90º) este mai mare, cu atât amestecarea este mai bună și flacăra mai scurtă (fig.2.1.8);

Fig.2.1.8

raportul dintre energia cinetică a jetului de gaz și a celui de aer; dacă energia cinetică a jetului de gaz și a celui de aer diferă mult ca valoare, are o influență hotărâtoare asupra amestecării și lungimii flăcării jetul care are energie mai mare (fig.2.1.9);

Fig.2.1.9

mișcarea de rotație a unuia dintre jeturi, care îmbunătățește amestecarea și scurtează flacăra (fig.2.2);

Fig.2.2

poziția reciprocă a jeturilor de gaz și de aer. Pentru îmbunătățirea amestecării, trebuie să se așeze jetul de gaz sub jetul de aer. Aerul se încălzește numai prin convecție și acest lucru are loc încet. Gazul, încălzindu-se mai repede, tinde să se ridice, favorizând astfel amestecarea (fig.2.3,2.4).

Fig.2.3

Fig.2.4

Acești factori principali, precum și instalarea unor șicane speciale în calea jetului de gaz și de aer, sunt utilizate în măsură diferită și în diferite combinații de proiectanți, când aceștia creează instalații de arzătoare de tipul cu flacără.

Unul dintre dispozitivele de acest tip, care servesc la arderea combustibililor gazoși, este capul de ardere al cuptoarelor Martin.

La cuptoarele de încălzire se întrebuințează cel mai mult arzătoare de tipul „tub în tub” și arzătoare cu turbulență.

Fig.2.5 Arzător “tub în tub”

Arzătoarele “tub în tub” (fig.2.5) pot funcționa la cele mai diferite cuptoare și cu cei mai diferiți combustibili.

Viteza de intrare a amestecului în gura arzătorului se ia între limitele wam = 10-40 m/s, dacă presiunea gazului și a aerului este de la 10 la 250 mm H2O.

Presiunea necesară a gazului și a aerului trebuie luată cu 10% mai mare decât presiunea dinamică a gazului și a aerului, respectiv în secțiunea Sg și în secțiunea inelară Sa (fig.2.5).

Trebuie, de asemenea, să se aleagă corect raportul dintre vitezele gazului și aerului în secțiunile menționate.

Raportul dintre suprafața inelului de aer Sa și secțiunea tubului de gaz Sg, pentru diferiți combustibili, este următoarea:

kcal/m3 1,1

kcal/m3 1,9

Gaz de cocserie 7

Gaze naturale 14

Arzătorul tip “tub în tub” necesită o presiune redusă și poate funcționa cu debite și presiuni foarte mici, ceea ce permite reglarea lui în limite largi.

Dimensiunile totale ale arzătorului sunt reduse, lungimea lui nu depășește 200-300 mm, iar raportul dintre lungimea L a arzătorului și diametrul său D este egal, aproximativ, cu 5-7.

Arzătoarele de acest tip se folosesc în cazul când gazul și aerul sunt preîncălzite, iar funcționarea lor nu depinde de presiunea din cuptor.

Deși într-un astfel de arzător combustibilul se amestecă prost cu aerul, deși coeficientul de exces de aer este relativ mare și uneori se obține o flacără excesiv de lungă, totuși datorită construcției și exploatării sale simple, în unele cazuri se recomandă folosirea lui în practică.

Calculul unui arzător de tipul “tub în tub” constă din următoarele elemente:

Cunoscând puterea calorică a combustibilului, debitul de gaz și cel de aer, și luându-se în mod arbitrar viteza gazului în secțiunea Sg (până la 40m/s) trebuie, să se determine secțiunea și apoi și diametrul tubului interior de gaz.

Luând raportul , corespunzător puterii calorice a combustibilului, și cunoscând pe Sg, se găsește Sa, iar după aceea și diametrul exterior al inelului de aer. Acest diametru corespunde diametrului D al gurii arzătorului.

Pe baza presiunii dinamice a gazului și a aerului se calculează presiunea necesară.

Fig.2.6 Arzător cu turbulență tip “Stalproekt”.

Arzătoarele cu turbulență sunt foarte diferite în ce privește formele lor constructive, dar ceea ce au comun este că jetul de aer intră tangențial față de jetul de gaz. Aerul care pătrunde tangențial capătă o mișcare de rotație, ceea ce contribuie la imbunătățirea amestecării și la turbulența general a flăcării.

Unul dintre cele mai răspândite arzătoare cu turbulență este arzătorul tip “Stalproekt” (fig.2.6), calculate pentru combustibili, a căror putere calorică este de 900-200 kcal/m3. În acest arzător, aerul capătă o mișcare de rotație datorită formei de melc a părții corpului arzătorului prin care circulă aerul. Gazul pătrunde în gura arzătorului cu o viteză considerabilă, care se obține prin îngustarea treptată a ajutajului de gaz și prin efectul de compresiune al tubului interior. Aerul care se rotește divizează jetul de gaz, asigurând o amestecare relativ bună a gazului cu aerul.

Acest arzător funcționează cu un coefficient de exces de aer egal cu 1,1 și dă o flacără a cărei lungime este de 7-10 ori mai mare decât diametrul gurii arzătorului.

La arzătoarele cu turbulență de acest tip, viteza amestecului de gaz și de aer la gura arzătorului se ia între 15 și 40 m/s, la viteza de 40 m/s presiunea gazului și a aerului fiind cuprinsă în limitele de 500-700 mm H2O.

Așadar arzătoarele cu turbulență se caracterizează prin următoarele avantaje față de arzătoarele de alte tipuri:

presiunea relativ joasă a gazului și a aerului;

posibilitatea de a se asigura o amestecare suficient de bună, deși presiunea este joasă și construcția arzătorului destul de simplă;

posibilitatea de a lucra cu gaz și aer preîncălzit.

Datorită acestor avantaje, arzătoarele cu turbulență au găsit largi întrebuințări la diferite cuptoare de încălzire și pentru tratamente termice.

Arzătorul cu turbulență necesar poate fi ales după nomograma întocmită de “stalproekt” și reprezentată în fig.2.7.

Fig.2.7 Nomogramă pentru alegerea arzătorului cu turbulență

Arzătorul se alege în modul următor:

cunoscând puterea calorică () și consumul de combustibil q pe arzător și pe oră, se determină randamentul termic al arzătorului:

,

luând arbitrar viteza de ieșire a combustibilului din arzător (20-30 m/s), se alege arzătorul (determinându-se D) pe baza randamentului termic, cu ajutorul nomogramei din fig. 95. Alegerea se face urmărindu-se linia punctată ABC din această diagramă;

după ce s-a obținut diametrul D, care caracterizează arzătorul, se găsesc în tabelă toate dimensiunile necesare ale arzătorului;

presiunea necesară se determină cu formulele:

presiunea gazului ;

presiunea aerului ;

în care hg și ha sunt, respective, presiunea dinamică a gazului și a aerului în secțiunile 1și 2 ( fig.94);

ξg și ξa – coeficienții de pierderi, egali, respectiv, cu

ξg = 0,7-0,8; ξa = 2,5-3.

Cap.3.Generatoarele gazodinamice și hidrodinamice de sunet și ultrasunet

3.1.Noțiunea de tehnologie sonică

De-a lungul timpului, pentru îmbunătățirea diferitelor procese tehnologice s-au folosit procedee tradiționale care impuneau creșterea energiilor consumate, fapt ce a determinat reducerea substanțială a posibilităților de perfecționare, generând în prezent o revalorificare a proceselor nestaționare – în general și a celor nestaționare de pulverizare – în particular, ca factori primordiali în apariția și dezvoltarea tehnologiilor noi multifuncționale.

Un mod nou de intensificare a proceselor tehnologice în general, cu consum redus de energie, se bazează pe ideea utilizării energiei pulsațiilor ce apar la curgeri nestaționare a fluidelor tehnologice. Dispozitive tehnice folosite în acest scop pot fi numite după marele savant român George Constantinescu, sonice, deoarece nu au piese mobile mecanice și funcționează în mod normal în regim de autooscilații, deci în regimul sonic.

Sub noțiunea de tehnologie sonică vom înțelege tehnologia în care se utilizează dispozitivele sonice și în care îmbunătățirea sau intensificarea proceselor fizice, chimice sau biologice se obține datorită oscilațiilor de presiune sau de debit introduse în fluxul tehnologic.

3.2.Clasificarea generatoarelor sonice

Generatoarele de pulsații de presiune sau de debit fără piese mobile mecanice și cu funcționare în mod normal în regim de autooscilații se vor numi generatoare sonice.

În dependența de natura fluidului generatoare sonice pot fi divizate în hidrodinamice și gazodinamice.

La generatoarele sonice hidrodinamice generarea pulsațiilor este produsă de însuși lichidul de lucru. Datorită fenomenului de autooscilație la curgeri turbionare instabile a fluidelor se produc pulsații de presiune puternice. Instabilitatea curgerii poate să apară datorită dezechilibrului dintre rețeua de alimentare și generator, sau datorită geometriei speciale a generatorului, care produce dezechilibrul dintre debitul pătruns prin canalele de intrare și cel scurs din duza acestuia.

Generatoarele sonice gazodinamice sau cu altă denumire mai cunoscută – acustice, utilizează undele de șoc ce apar la curgeri nestaționare în jeturi supersonice de gaze, fenomenul cunoscut în acustică ca efectul Hartmann.

Generatoare gazodinamice și hidrodinamice de sunet și ultrasunet existente pot fi clasificate după modalitate de producere a câmpului sonor:

generatoare Hartmann, care utilizează procesele nestaționare în jeturi de gaz supersonice ;

generatoare Helmholtz (sau fluiere acustice), care utilizează procesele nestaționare în jeturi de fluide la interacțiunea cu muchia ascuțită;

generatoare cu vârtej, care utilizează fenomenul de instabilitate a fluxurilor de fluide turbionate

Din cauză că generatorul clasic Hartmann, care reprezintă sistemul “ajutaj – rezonator”, nu este stabil la variații mici ale presiunii gazului de alimentare, Hartmann a propus în 1951 introducerea unei tije centrale în ajutajul convergent pentru fixarea rezonatorului. Sistemul “ajutaj – tijă – rezonator “ s-a dovedit a fi acustic stabil și a obținut răspândirea largă în diferite procese tehnologice, și în primul rând pentru pulverizarea fină a lichidelor.

3.3.Scheme constructive ale generatoarelor sonice gazodinamice și hidrodinamice

Având în vedere că majoritate generatoarelor tehnologice sunt brevetate ca dispozitive destinate pulverizării lichidelor de lucru (generatorul face parte principală din formula de invenție) să prezinte caracteristicile tehnice (tabelul 3) cu domenii de utilizare și anumite construcții (fig.3) ale injectoarelor sonice performante.

Tabelul 3

Specificația tehnică a dispozitivelor sonice de pulverizare

RD-1

AFR – 2

RT

AFR-3 AFR-4

AFR – 5 DRG–1

Fig.3. Dispozitivele de pulverizare sonice

Generatoare sonice hidrodinamice cu vârtej și cu perturbatori cilindrici (fig.3, RT: 1-injector centrifugal, 2-turbionator, 3-perturbatori cilindrici ), cer presiunile de alimentare ridicate (mai mare de 10 bar) și sunt limitate de vâscozitatea agentului lichid de lucru, ceea ce evident nu reprezintă nici o piedică pentru generatoare gazodinamice.

La unii și aceiași parametri geometrici ai sistemului “ajutaj-rezonator” și a presiunii de alimentare, puterea maximă acustică se obține la generatoarele axiale RD-1, AFR-2,AFR-3, AFR-4 cu tijă cu ajutajul cu muchia ascuțită pe fața frontală a ajutajului generatorului (fig.3, RD-1: 1- camera de lichid, 2 – ajutajul generatorului, 3 – rezonator, 4 – tijă). La generatoare radiale (fig. 1, AFR – 5, DRG – 1) debitul masic de aer necesar funcționării generatorului este mai mare decât în cazul generatorului axial, ceea ce este evident dacă luăm în considerație creșterea ariei secțiunii de ieșire a ajutajului. Valoarea maximă a randamentului acustic (care arată raportul puterii acustice cu energia curgerii adiabatice a jetului de ajutaj) se observă la construcții aceste și atinge a = 29,4 %. În cazul generatoarelor banale randamentul acustic este mult mai mic (a =17,4 %).

Avantajul tehnologic deosebit al generatoarelor gazodinamice reprezintă independența de natura mediului tehnologic (lichide sau gaze) și de presiunea ( vid sau suprapresiune) în care trebuie să funcționeze. Capacitatea această de universalitate se datorează fenomenului de „criza curgerii a gazului din ajutaje” bine cunoscută în aerogazodinamică, la care după stabilirea regimul critic de curgere, debitul masic de gaz al generatorului rămâne neschimbat la variații parametrilor de stare a mediului în care are loc scurgere.

3.4.Tehnologii sonice

3.4.1.Exemple de aplicare în practică a sistemelor tehnice cu dispozitive sonice

Fig. 3.1. Arzătorul TRICEM-15cu generatorul sonic în

cuptorul cu vatră mobilă.

3.4.2.Tehnologia sonică de ardere a combustibililor cu randament ridicat și emisii de NOx

Problema reducerii nivelului de emisii poluante la ardere nu este simplă, deoarece soluțiile tehnice eficiente pentru reducerea unor poluanți se dovedesc a fi stimulatori pentru producerea altora. De exemplu, când amestecul carburant este sărac, presiunea și temperaturile în zona de ardere sunt scăzute, emisia de N0x este scăzută.

În aceste condiții, randamentul arderii este mic, produsele arderii incomplete – CO și particule nearse de hidrocarburi au valori maxime. Ridicarea temperaturii de ardere duce la reducerea produselor de ardere incompletă, iar emisii de NOx crește rapid în cantități proporționale cu creșterea temperaturii de ardere.

Un mod nou un mod nou de ardere nepoluantă a combustibililor, care asigură soluții pentru ambele probleme contradictorii este utilizarea generatoarelor sau injectoarelor sonice.

În acest caz periodic apar zonele locale cât supraîmbogățite atât și sărace de combustibil, așa-numite zonele nestoechiometrice, ceea ce duce la micșorarea conținutului de substanțe nocive ( NOx, CO, SOx, SO3, etc. ) în gazele de ardere. Experimente la o secție a camerei de ardere de la o turbină cu gaze efectuate cu funcționarea sonică a injectoarelor au confirmat că la frecvențele de lucru de (750 – 1800) Hz și mai mari randamentul arderii crește în medie cu 20% și se micșorează neuniformitatea câmpului termic la ieșirea din cameră cu 30% în partea de față a turbinei % comparativ cu regimul staționar.

Experimentarea industrială a tehnologiei sonice de ardere s-a efectuat pe cuptorul de tratamente termice cu vatra mobilă nr.34-581 din secția Sculărie, SIDEX-S.A. ,Galați. Cuptorul a cu fost echipat cu arzătoare industriale cu flacără radiantă de tip TRICEM -15, proiectate de I.C.E.M. București și confecționate de I.M.G.M. (Armax) Mediaș, funcționează cu gaze naturale și aer insuflat, generând o flacără radiantă prin autocarburare. Aceste arzătoare nu asigurau amestecarea bună a gazului natural cu aerul insuflat în zona de ardere, aceasta fiind pusă în evidență de depunerea de zgurã pe suprafața frontală a corpului central al arzătoarelor și de acoperirea pieselor metalice din cuptoarele după tratament termic cu o cantitate ridicată de țunder. Echiparea arzătoarelor TRICEM-15, destinate cuptoarelor de încălzire și de tratamente termice la temperaturi de peste 8000C, cu generator sonic înlătură aceste neajunsuri. Generatoarele 2 s-au montat pe corpul arzătoarelor 1 în secțiunea minimă a piesei refractare 3 (fig. 4). S-a experimentat un număr de regimuri termice. Pentru fiecare regim s-a efectuat analiza gazelor de ardere prelevate din zona de ardere a arzătorului (din interiorul piesei refractare).

Compoziția gazelor de ardere (CO2, O2, CO, NOx) și coeficientul de exces de aer λ au fost determinate cu analizorul tip TESTO-350.

În urma experimentării industriale a arzătorului TRICEM-15 cu generatorul sonic au rezultat următoarele:arzătorul cu generatorul GR-1 asigură o ardere chimic completă spre deosebire de arzătorul TRICEM-15, aceasta ducând la obținere unei economii de combustibil de circa 1,2 – 2,1)%; coeficientul de exces de aer este de (1,06-1,15); arzătorul cu generatorul sonic are o funcționare corespunzătoare din punct de vedere ecologic, concentrația oxizilor de azot (NOx) în gazele de ardere fiind de maxim 39 pm, mult sub normele ecologice în vigoare.

Rezultatele obținute au evidențiat următoarele aspecte al eficienței economice: creșterea rapidității atingerii regimului nominal a cuptorului la pornire; asigurarea condițiilor de realizare a încălzirii mai uniforme a pieselor metalice;micșorarea pierderilor de material supus tratamentelor termice prin oxidare în timpul încălzirii și implicit creșterea productivității cuptorului.

Cap.4.Arzător de gaz cu generator sonic – experimental

Partea principală a unui cuptor ce respectă toate normele de poluare este arzătorul cu amestec de gaze-aer la nivelul capului de ardere. Arzătoarele din această categorie pot echipa orice fel de focar, în depresiune sau cu presiune, în domeniul de lucru prevăzut.

Fig.4

Fig.4.1

Arzătoarele trebuie completate cu rampă de alimentare cu gaze care se adaptează cel mai bine la instalația căreia îi este destinat arzătorul. Alegerea rampei de gaze se va face cu consultarea diagramelor de cădere de presiune după presiunea gazelor în sistem, debitul de gaze necesar instalației pe care se montează și contrapresiunea din camera de ardere. Toate componentele arzătorului sunt ușor de inspectat și nu necesita debranșarea arzătorului de la rețeaua de gaze.

Combustibilul gazos este de obicei transportat din punctul de depozitare-exploatare către utilizator printr-o linie de conducte, ce pot fi mai mult sau mai puțin ramificată numită rețea de alimentare cu gaz. În interiorul conductelor, gazul are o presiune variabilă cu câteva zeci de bari pentru conductele de alimentare principale, și cu câteva zeci de mbar pentru conductele de alimentare finală a gazului către utilizator.

Principala problemă a rețelelor de distribuție a combustibililor gazoși este variația presiunii de alimentare. Orice instabilitate de presiune în cadrul rețelelor de distribuție face ca arzătorul să funcționeze incorect.

Pentru a evita astfel de probleme, presiunea de alimentare a combustibilului gazos către capul de combustie va fi:

mai mare decât o valoare minimă care poate depăși pierderea de presiune datorată capului de combustie și contrapresiunea din camera de combustie a generatorului de căldură

mai mică decât valoarea presiunii maxime permise declarate de fabricant

stabilă și repetitivă cu privire la reglări

Pentru obținerea unor randamente de ardere excelente și pentru protejarea mediului ambiant se recomandă efectuarea controlului și reglajului arderii cu instrumente corespunzătoare. Trebuie avute în vedere următoarele valori fundamentale:

CO2 arată cantitatea de aer în exces prezentă în procesul de ardere. Mărind cantitatea de aer, concentrația de CO2 scade, iar dacă diminuăm aerul pentru ardere, valoarea CO2 crește. Valorile acceptabile sunt 8,5-10% gaz metan, 11-12% gaze lichefiate B/P.

CO indică existența gazelor nearse; prezența CO arată nu numai scăderea randamentului arderii dar este și periculos, fiind toxic. El indică o ardere proastă, care se manifestă în general în cazul când aerul este insuficient. Valoare maximă admisă: CO = 0,1% volumetric.

Temperatura gazelor arse. Este o valoare care reprezintă pierderile de căldură pe coș. Cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât pierderile sunt mai importante și randamentul arderii mai slab. Dacă temperatura este prea ridicată, trebuie diminuată cantitatea de gaze pentru ardere. Temperaturile acceptabile sunt cuprinse între 160°C și 220°C.

Datele asupra temperaturii flăcării produse de arzătorul de gaz cu generator sonic au fost obținute cu ajutorul unui multimetru digital de tip MAS – 34X și a unui termocuplu de tip K (fig.4.2)

Fig.4.2

Fig.4.3 Gaz pe exterior – cu adaos de aer la jumătatea și la vârful flăcării

Fig.4.4

Fig.4.5. Gaz pe exterior – cu solicitare

Fig.4.6

Fig.4.7.Gaz pe exterior – fără adaos de aer

Fig.4.8

Încăperea unde va fi amplasat arzătorul trebuie să aibă deschideri către exterior, conform normelor locale în vigoare. Pentru verificări privind circulația aerului, se măsoară mai întâi concentrația de CO2, cu arzătorul în funcțiune, la debit maxim și cu încăperea ventilată numai cu deschiderile care trebuie sa alimenteze arzătorul cu aer; apoi se măsoară valoarea CO2 a doua oară, de data aceasta cu ușa sau geamurile încăperii deschise. Concentrația CO2 măsurată în ambele cazuri nu trebuie să prezinte diferențe semnificative. Dacă în aceeași încăpere sunt mai multe arzătoare și ventilatoare, testul trebuie efectuat cu toate aparatele funcționând în același timp.

Nu trebuie obstrucționate deschiderile de aer ale încăperii arzătorului, deschiderile de aspirație ale ventilatorului arzătorului și orice traseu de aer sau grile de aerisire existente, pentru a evita:

formarea de amestecuri de gaze toxice / explozive în încăperea arzătorului;

combustia în condiții de aer insuficient, care duce la o funcționare periculoasă, costisitoare și poluantă.

Încăperea arzătorului trebuie să fie permanent curată și în nici un caz nu trebuie să conțină substanțe în suspensie care pot fi aspirate în interiorul ventilatorului și pot obtura traseele interioare ale arzătorului sau ale capului de ardere.

Praful se poate acumula pe spatele discului de stabilizare a flăcării în capul de ardere și provoca formarea unui amestec sărac de aer și combustibil.

Conducta de combustibil care alimentează arzătorul trebuie sa fie perfect etanșă, realizată rigid, cu intercalarea unui compensator de dilatare metalic prevăzut cu flanșe sau racorduri filetate.

Trebuie urmărit cu mare atenție ca nici un material exterior sau murdărie să nu pătrundă, în timpul montajului, în conducta de alimentare cu combustibil.

Bibliografie

Aurel Ciurea, Nicolae Hauk, Marian Bordei – "Managementul calității și al producției – Agregate și utilaje tehnologice Vol. 2", Editura Aius, Craiova 2005.

Bălan G., " Principii de elaborarea a sistemelor tehnice cu injectare sonice ", Teza de Doctor Habilitat, U.T.M, Chișinău, 2001.

Bălan G., " Aerogazodinamică ", Ed. Tehnica – INFO,Chișinău,2003

Constantinescu G.," Teoria sonicității ",Ed. Acad. Române, ed.2,vol. 2, 1985

Iulian Oproescu, Cezar Bălescu, ș.a, "Instalații pentru tratamente termice ale materialelor metalice", Editura Matrix-Rom, București 2004.

Krivadin, V.A,"Cuptoare metalurgice", Editura Tehnică, București 1963.

Samoilă C.,Drugă L., Stan L., "Cuptoare și instalații de încălzire", Editura Didactică și Pedagogică, bucurești 1983.

Chiriac F., "Procese de transfer de căldură și masă în instalațiile industriale", Editura Tehnică, București 1982.

Samoilă C., Ionescu M.,"Tehnologii și utilaje moderne de încălzire în metalurgie", editura Tehnică, București 1986.