Тепловые характеристики газового пламени (температура; эффективная тепловая мощность q, кал/с; распределение теплового потока пламени q2, кал/(см2*с), по пятну нагрева) зависят от теплотворной способности горючего газа, чистоты кислорода и их соотношения в газовой смеси.
Температура газового пламени (°С) неодинакова в различных его частях и достигает наибольшего значения на оси пламени вблизи конца ядра:
|
Ацетилен |
3100—3150 |
|
Метан |
2100—2200 |
|
Пропано-бутановая смесь |
2400—2500 |
|
Коксовый газ |
2000—2100 |
|
Водород |
2000—2100 |
Газовое пламя нагревает поверхность металла вследствие процессов теплообмена — вынужденной конвекции и излучения, интенсивность которых возрастает с увеличением перепада температур пламени и поверхности нагреваемого металла. Поэтому эффективная мощность пламени возрастает с повышением его температуры и падает с повышением
температуры поверхности металла.
Эффективная мощность пламени q (ее предельное значение, соответствующее
установившемуся состоянию процесса при нагреве металла перемещающимся пламенем)
возрастает с увеличением расхода Vc2н2 л/ч газа (рис. 11).
Эффективный КПД ηи процесса нагрева металла газовым пламенем представляет отношение эффективной мощности пламени q к полной тепловой мощности пламени qH, соответствующей низшей теплотворной способности ацетилена 14 600кал/ч (при 20°С и 760 мм рт. ст.)
Параметры режима нагрева, размеры изделия и теплофизические свойства металла также влияют на эффективную мощность, хотя и в меньшей степени, чем расход газа. При правом
нагреве эффективная мощность пламени выше, чем при левом (рис. 12).
С увеличением скорости перемещения пламени его эффективная мощность несколько возрастает. С увеличением толщины нагреваемого металла, а также его температуропроводности эффективная мощность пламени возрастает.
Наибольшая эффективная мощность пламени соответствует определенным соотношениям кислорода и горючего газа, несколько меньшим, чем теоретические соотношения по реакции полного сгорания: 2,3 — для ацетилена; 2,0 — для метана; 0,8 — для коксового газа; 0,4 — для водорода; 3,5 — для пропано-бутановой смеси.
С увеличением средней скорости истечения горючей смеси интенсивность теплообмена и эффективная мощность пламени увеличиваются.
Распределение удельного теплового потока q2 пламени простой горелки по радиусу r пятна нагрева приблизительно описывают соотношением (2) (рис. 13).
Для расчетов удобно характеризовать распределение теплового потока постоянной времени:
Коэффициенты сосредоточенности k пламени простых горелок убывают, а постоян-
ные времени г0 возрастают с увеличением номера наконечника и расхода ацетилена (табл. 3).
Газовое пламя нагревает металл значительно медленнее и плавнее, чем сварочная дуга, так как наибольший тепловой поток на оси ацетилено-кислородного пламени простой горелки в 8—12 раз меньше открытой сварочной дуги примерно одинаковой эффективной мощности.
3. Тепловые характеристики сварочного ацетилене-кислородного пламени простой горелки
|
Тепловые |
Номера наконечников |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
Диаметр сопла мундштука, мм Расход |
1,0 150 |
1,3 250 |
1,6 400 |
2,0 600 |
2,5 1000 |
3,0 1700 |
3,5 2600 |
|
Длина ядра пламени h, мм . . |
9 |
10 |
11 |
12 |
14 |
16 |
17 |
|
Эффективная мощность пламени q, кал/с |
380 |
600 |
720 |
920 |
1270 |
1750 |
2250 |
|
Эффективный КПД при нагревании стали ц |
0,72 |
0,68 |
0,51 |
0,44 |
0,36 |
0,30 |
0,25 |
|
Коэффициент сосредоточен ности удельного |
0,39 |
0,35 |
0,31 |
0,28 |
0,23 |
0,20 |
0,17 |
|
Наибольший удельный тепловой поток q2max, кал/(см2-с) . . |
47 |
67 |
72 |
82 |
93 |
111 |
122 |
|
Постоянная времени при нагревании стали |
8 |
9 |
10 |
11 |
14 |
15 |
19 |
Сложные горелки, многопламенные и щелевые, позволяют регулировать форму и размеры пламени и распределять тепловой поток заданным образом по участкам поверхности металла.
Нагрев тонких металлических лист (с полным выравнивание температуры по толщине ) плазменной струей и пламенем простой горелки ( с ось перпендикулярной к поверхности листа) прямолинейно неподвижным или перемещающимся с постоянной скоростью Ʋ см/c описвается схемой подвижного нормально-кругового источника теплоты в тонкой пластине с теплоотдачей nемпературное поле в процессе теплонасыщения, отнесенное к подвижной схеме координат XOY с центром в фиктивном сосредоточенном источнике О, движущемся на расстоянии Ʋt0 впереди центра С истинного источника (рис. 14), выражается соотношением
где:
-безразмерные критерии расстояния и времени ,коэффициент насыщения определяется из графика
(см. рис. 7, б),
— коэффициент теплообмена, который выбирают как среднее из значений коэффициентов теплообмена между пламенем и верхней поверхностью листа αn= 0,01 0,015 кал/(см2-с-°С)] и между нижней
поверхностью листа и спокойным воздухом [ас = 0,001 кал/(см2-с-°С)].
С приближением к предельному установившемуся состоянию процесса первое слагаемое в квадратных скобках стремится к единице.
По мере повышения скорости перемещения нормального источника температурное поле в листе приближается к полю быстродвижущегося нормально-полосового источника (рис. 14, б):
Нагрев поверхности массивного тела (например, листа толщиной более 40 мм) плазменной струей или неподвижным пламенем простой горелки с осью,перпендикулярной к нагреваемой поверхности, описывается схемой нормальнокругового источника теплоты на поверхности полубесконечного тела (рис. 15).
Температура в центре источника С в процессе теплонасыщения, являющаяся максимальной температурой нагреваемого тела, выразится
Первый сомножитель выражает максимальную температуру центральной точки при предельном состоянии процесса.
Второй сомножитель является коэффициентом теплонасыщения ψ (рис. 16), который стремится к единице в предельном состоянии процесса нагрева.
Нагрев поверхности массивного или пламенем горелки при большой скорости перемещения описывается выражением температурного поля быстродвижущегося нормальпо-линейного источника (рис.17)
где время t отсчитывают от момента когда центр источника пересек рассматриваемую плоскость.
При нагреве поверхности массивного тела плазменной струей или пламенем простой горелки при прямолинейном перемещении с постоянной скоростью Ʋ максимальная температура Тmах предельного состояния в точке М на оси перемещения источника и расстояние f точки М от центра источника выражается:
Коэффициенты Θm и nm вибирают из графика (рис.18) в зависимости от критерия скорости
Нагрев металлических листов толщиной δ,см, пламенем линейной горелки (например,при газопрессовой сварке продольных швов труб)описывают схемой нормально-полосового источника длиной L, см с линейной мощностью qi, кал/см, и коэффициентом сосредоточенности k в направлении оси OY,быстро двигающегося с постоянной скоростью Ʋ, см/с ,в направлении оси ОХ (рис. 19) при коэффициенте теплообмена пламени с металлом αп.
Температура листа Т(t) в точках оси перемещения горелки под пламенем т.е в стадии нагрева T <L/ Ʋ(область 11 на рис. 19), выряжается
Относительную температуру Θ выбирают по номограмме на рис. 20 в зависимости от относительной длительности нагрева t/t0 и безразмерной постоянной
Температуру листа Т1 (t) в точках оси перемещения горелки позади пламени (см. рис. 19, область III), т. е. в стадии охлаждения t > l/v, вычисляют как разность температур по формуле (18) при разных значениях аргумента
Примеры расчета приведены в монографиях [1,2].
« Назад [Нагрев металла газовым пламенем] Далее »