ФУРМА ДЛЯ ПОДАЧИ АКУСТИЧЕСКИ ВОЗБУЖДЕННЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ В РАБОЧЕЕ ПРОСТРАНСТВО ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ
TUYERE FOR SUPPLY OF ACOUSTICALLY EXCITED GAS JETS TO WORKING SPACE OF POWER TECHNOLOGICAL UNITS

Изобретение относится к области энерготехнологий и может быть использовано для осаждения пыли из газовых потоков и интенсификации тепломассообменных процессов и процессов горения в энерготехнологических агрегатах.
Известна конструкция фурмы для подачи акустически возбужденных газовых струй в рабочее пространство плавильных печей [1]. В этой фурме установлен газоструйный излучатель, имеющий сопло для выхода газа, резонатор и рефлектор, что обеспечивает создание звуковых акустических колебаний в исходящем в рабочее пространство газовом озвученном потоке. Однако недостатком конструкции является расположение оси, связывающей сопло и резонатор, перпендикулярно исходящему озвученному потоку газовой среды. Это приводит к усложнению конструкции излучателя, увеличению его габаритов, а главное к невозможности размещения резонатора вблизи выходного сечения сопел исходящего озвученного газа. При этом излучатель вынуждены выносить за пределы конструкции фурмы, создавать дополнительный газопроводящий тракт на пути от излучателя до выхода озвученного газа из сопла фурмы, что приводит к значительным потерям энергии звуковых колебаний в этих подводящих газопроводах.
Технической задачей настоящего изобретения является снижение потерь энергии звуковых колебаний при вводе в рабочее пространство, уменьшение габаритов и стоимости фурмы и снижение требуемых расходов газовой среды на создание звуковых колебаний.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что фурма для подачи акустически возбужденных газовых струй в рабочее пространство энерготехнологических агрегатов, включающая корпус с водяным охлаждением, газовый струйный акустический излучатель, состоящий из сопла, резонатора и рефлектора, подводящий трубопровод и сопло фурмы для выхода озвученного газа, отличается тем, что газовый струйный акустический излучатель расположен внутри фурмы на одной оси с ней, а расстояние от торца резонатора до выходного сечения сопла фурмы составляет 4-5 диаметров резонатора, при этом выходное сечение сопла фурмы имеет различную ориентировку относительно ее продольной оси в диапазоне угла 0÷45° между осью фурмы и осью ее сопла.
Таким образом, основной особенностью предлагаемого устройства является максимальная приближенность газового струйного акустического излучателя (в дальнейшем акустического излучателя) к выходному соплу фурмы. Как известно, при движении в газопроводе потери акустической энергии вдоль газового тракта пропорциональны длине этого участка газопровода. При расположении акустического излучателя на входе в фурму, как это имеет место в аналоге [1], происходят значительные потери акустической энергии. Это снижает эффект воздействия акустических волн на процессы пылеосаждения, интенсификацию процессов тепломассообмена, приводит к необходимости увеличивать расходы рабочих газовых сред (компрессорного воздуха, кислорода и т.д.) для достижения соответствующего эффекта.
в
p
в
p
Расположение же оси акустического излучателя на одной оси с осью фурмы позволяет, с одной стороны, максимально приблизить излучатель к выходному сечению сопла фурмы, а с другой, обеспечивает лишь небольшое увеличение габаритов излучателя и соответственно фурмы. Конструктивно предлагаемое расположение излучателя обеспечивает возможность расположения торца резонатора на расстоянии L=4-5 диаметров резонатора d от выходного сечения сопла фурмы, т.е. L=(4-5)d (см. фиг.1, 2). При таком взаимном расположении излучателя и выходного сечения сопла фурмы потери акустической энергии практически сводятся к нулю.
Выходное сечение сопла фурмы имеет различную ориентировку относительно продольной оси фурмы. Это зависит от расположения самой фурмы относительно поверхности, с которой взаимодействует струя, выходящая из сопла фурмы. Так, например, при расположении оси фурмы перпендикулярно поверхности (на своде печи) и задаче взаимодействия с потоком пыленесущего газа для осаждения пыли на поверхность ванны металла наилучший угол между осью фурмы и осью выходного сопла составляет α=45° [2, 3]. При этом поток озвученного газа, истекающего из сопла фурмы, взаимодействует с потоком пыленесущего газа и одновременно обеспечивает осаждение коагулированных частиц пыли на поверхность ванны. При торцевом расположении фурмы ее лучшее взаимодействие с потоком газа обеспечивается при совпадении оси фурмы и сопла фурмы, т.е. при α=0. Может быть обеспечено и промежуточное расположение оси выходного сопла - в пределах α=0-45° между осью фурмы и осью ее сопла (см. фиг.1 и 2).
На фиг.1 и 2 представлено устройство фурмы для подачи акустически возбужденных газовых струй в рабочее пространство энерготехнологических агрегатов.
Оно включает водоохлаждаемый корпус 1, трубопровод для подачи рабочего газа (компрессорный воздух, кислород и др.), сопло 3, резонатор 4 и рефлектор 5 акустического излучателя, выходное сопло фурмы 6, корпус акустического излучателя 7, центровое устройство резонатора относительно корпуса акустического излучателя 8, подачу рабочего газа 9 и воды 10, отвод воды 11, патрубки для подачи воды 12 и отвода воды 13.
Устройство работает следующим образом. По трубопроводу 2 подается рабочий газ 9. Рабочий газ, истекая через сопло акустического излучателя 3, взаимодействует с резонатором 4, в результате чего формируется акустическое поле. Рефлектор 5 служит для обеспечения направленности звуковых волн вдоль оси акустического излучателя между внешним диаметром резонатора 4 и внутренним диаметром корпуса акустического излучателя 7. Далее акустически возбужденный газовый поток движется в направлении выходного сопла фурмы 6 и истекает из его выходного отверстия в рабочее пространство. Через трубопровод 12 и 13 осуществляется подвод 10 и отвод 11 воды, охлаждающей корпус 11 фурмы. Угол α между осью выходного сопла и сопла резонатора изменяется в пределах от 0° (фиг.1) до 45° (фиг.2).
В соответствии с рекомендациями [2] основные размеры устройства рассчитываются следующим образом.
c
Диаметр сопла акустического излучателя d определяется исходя из формулы [2-4]
г
г
г
г
с
где G - расход рабочего газа; K - коэффициент пропорциональности; Р и Т - давление и температура торможения газа; ω - площадь выходного сечения сопла резонатора.
Из формулы (1) получим
Площадь критического сечения выходного сопла 6 Лаваля принимается равной площади выходного сечения сопла резонатора. Диаметр выходного сечения сопла Лаваля принимается равным
кр
c
где d=d - диаметр критического сечения сопла Лаваля.
Диаметр резонатора принимается равным
р
Длина резонатора l определяется требуемой частотой акустических колебаний и вычисляется по формуле (6)
Так как акустический газовый излучатель работает в основном в диапазоне частот 100-2000 Гц, то длина резонатора по формуле (6) может быть определена при средней частоте ν ≅ 1000 Гц.
c
Расстояние от выходного сечения сопла излучателя до входа в резонатор l определяется соотношением
п
п
п
с
Диаметр корпуса излучателя d определяется из условия равенства площади проходного сечения между внешней поверхностью резонатора диаметром резонатора d и внутренней поверхностью корпуса излучателя ω площади выходного сечения сопла излучателя ω, т.е. условием
г
Расход рабочего газа G в соответствии с рекомендациями [3] принимается равным
г
пог
G = 0,1÷0,12 G,
пог
где G- расход основного (несущего) газового потока в рабочем пространстве энерготехнологического агрегата.
Пример расчета конструкции фурмы с акустическим излучателем.
пог
3
Расход несущего потока газовой среды G = 5000 м/ч.
г
Тогда расход рабочего газа - компрессорного воздуха G = 0,1
пог
3
G = 0,1·5000 = 500 м/4 (при н.у.) = 0,139 м/с.
г
г
Давление рабочего газа Р= 0,4 МПа (4 атм), температура Т=243 K.
г
0,5
Для компрессорного воздуха величина K=0,0404 K с/м [4].
Тогда по формуле (2)
и
c
c
кр
Эта величина d равна диаметру критического сечения сопла Лаваля на выходе фурмы d= d= 13,7 мм.
Выходное сечение сопла Лаваля по формуле (4)
т
кр
d= 1,3d= 1,3·13,7 = 17,8 мм
Диаметр резонатора по формуле (5)
p
c
d= 1,5d= 1,5·13,7 = 20,6 мм
При частоте акустических колебаний ν = 2000 Гц по формуле (6) длина резонатора
Расстояние от выходного сечения сопла излучателя до входа в резонатор по формуле (7) при радиусе отражателя R=20 мм
По формуле (8) площадь проходного сечения между внешней поверхностью резонатора и внутренней поверхностью корпуса излучателя
п
с
2
ω= ω= 147,2 мм
Тогда при внешнем диаметре резонатора
вн.р
p
d= d+4 = 20,6+4 = 24,6 мм
получаем диаметр внутренней поверхности корпуса излучателя
в
Расстояние от торца резонатора до выходного сечения сопла L принимаем из конструктивных соображений
в
вн.p
L=5 d=5·24,6=123 мм
Тогда расстояние L от выходного сечения сопла акустического излучателя до выходного сечения фурмы
c
p
в
L = l+l+L= 11,7+85,4+123 = 220,1 мм
При вертикальном расположении фурмы (перпендикулярно поверхности ванны) принимаем угол α = 45°.
При горизонтальном расположении фурмы (параллельно поверхности ванны) принимаем угол α = 0°.
При произвольном расположении фурмы, например, под углом 20° к поверхности ванны, угол α может быть принят также α = 20°.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Лисиенко В.Г., Воронов Г.В., Засухин А.Л. и др. Способ комбинированной струйно-акустической интенсификации тепломассообмена в рабочем пространстве промышленных печей. Патент на изобретение РФ №2203327. Бюл. №12, 22.04.2003.
2. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Плавильные агрегаты: теплотехника, управление и экология. Справочное издание в 4-х книгах. Кн. 2 / Под ред. В.Г.Лисиенко. - М.: Теплотехник, 2005. - 912 с.
3. Гущин С.Н., Лисиенко В.Г., Кутьин В.Б. Моделирование и управление тепловой работой стекловаренных печей. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1997. - 398 с.
4. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебное пособие / Б.И.Китаев, Б.Ф. Зобнин, В.Ф.Ратников и др. / Под ред. А.С.Телегина. - М.: Металлургия, 1970. - 528 с.