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).

 

Эффективная мощность пламени, длина ядра и эффективный КПД
Эффективная мощность пламени, длина ядра и эффективный КПД

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.)

Формула 11

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).

Эффективная мощность пламени простой горелки
Эффективная мощность пламени простой горелки

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).

Распределение удельного теплового потока пламени простой горелки
Распределение удельного теплового потока пламени простой горелки

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
характеристики

Номера наконечников
горелки

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

4

5

6

7

Диаметр сопла мундштука, мм Расход
ацетилена Уд, л/ч . .

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
теплового по­тока
k, см 2

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
с

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

 

Схема нагрева тонкой пластины
Схема нагрева тонкой пластины

(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):

Формула 13Нагрев 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).

Схема нагрева полубесконечного тела поверхностным нормально-круговым источником теплоты
Схема нагрева полубесконечного тела поверхностным нормально-круговым источником теплоты

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.

Рис.16Нагрев 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:

Формула 16

Коэффициенты Θm и nm вибирают из графика (рис.18) в зависимости от критерия скорости

График относительной максимальной температуры
График относительной максимальной температуры

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.

Схема нагрева продольного шва трубы
Схема нагрева продольного шва трубы

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

Номограмма зависимости относительной температуры
Номограмма зависимости относительной температуры

Рис.20 ТекстТемпературу 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 »