Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 12
1.1. Анализ существующих конструкции и тепловой работы скоростных горелок 12
1.2. Аэродинамические процессы смешения струй 20
1.3. Конвективный теплообмен и аэродинамика в нагревательных устройствах с тангенциальным подводом греющих газов 26
1.4. Выводы и постановка задачи исследований 39
2. Разработка и исследование скоростных металлических воздухоохлаядаемых горелок 41
2.1. Технические требования к горелке 41
2.2. Экспериментальный образец горелки 41
2.3. Методика измерений 43
2.4. Оптимизация конструктивных параметров горелки с применением теории математического планирования эксперимента 46
2.5. Программа исследований 53
2.6. Методика обработки экспериментальных данных . 55
2.7. Погрещность измерений 58
2.8. Результаты исследований 59
2.8.1. Смесеобразование в камере горения . 59
2.8.2. Температура и состав продуктов сгорания по длине струи 66
2.8.3. Теплообмен в контуре охлаждения . 75
2.8.4. Гидравлическая характеристика горелки . 80
2.8.5. Аналитическое исследование теплообмена в горелке 83
2.9. Инженерная методика и пример расчета горелки . 94
2.9.1. Расчет смесеобразования и гидравлического сопротивления 94
2.9.2. Расчет максимальной температуры стенки камеры горения 100
2.10. Разработка ряда горелок СБП 106
2. II. Выводы и рекомендации НО
3. Исследование аэродинамики циклонно-вихревой
3.1. Аэродинамическое исследование Н2
3.1.1. Программа исследований Н2
3.1.2. Описание экспериментальной установки и методики исследований Н2
3.1.3. Погрешность измерений Н5
3.1.4. Результаты исследований П6
3.2. Исследование конвективного теплообмена 125
3.2.1. Программа исследований на калориметрах . 125
3.2.2. Конструкция огневой циклонной камеры и тепломеров 127
3.2.3. Методика измерений 129
3.2.4. Погрешность измерений 130
3.2.5. Методика обработки опытных данных . 132
3.2.6. Результаты исследований теплообмена . 137
3.2.7. Сравнение полученных результатов с данными других исследований 149
3.2.8. Аналитическое исследование теплообмена в печах циклонно-вихревого типа . 151
3.2.9. Инженерная методика теплового расчета печей циклонно-вихревого типа 156
3.3. Исследование процесса нагрева металла 166
3.3.1. Программа исследований 166
3.3.2. Методика измерений и обработки экспериментальных данных 167
3.3»3. Основные результаты исследований . 168
3.4. Выводы и рекомендации по применению печей
циклонно-вихревого типа 178
4. Внедрение печей скоростного конвективного нагрева металла с усовершенствованными системами отопления 180
4.1, Печи скоростного нагрева циклонно-вихревого
типа 180
4.1.1. Печь для нагрева штанг под резку . iso
4.1.2. Печь для производства отводов 182
4.2. Печи скоростного струйного нагрева 186
Выводы 192
Список литературы
- Аэродинамические процессы смешения струй
- Оптимизация конструктивных параметров горелки с применением теории математического планирования эксперимента
- Описание экспериментальной установки и методики исследований
- Печь для производства отводов
Введение к работе
В задачах, поставленных ХХЗГІ съездом КПСС, утвердившим "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", обращено особое внимание на необходимость постоянного снижения удельных затрат сырья, топлива, лучшего использования производственных мощностей, повышения качества продукции на основе всемерного использования достижений научно-технического прогресса [і].
Этому генеральному направлению развития экономики должны в полной мере соответствовать как эксплуатируемые, так и вновь разрабатываемые печные агрегаты для нагрева металла.
Современное кузнечно-штамповочное производство предъявляет ряд требований к средствам нагрева, главными из которых являются: быстрый и равномерный нагрев металла с минимальным окислением и обезуглероживанием поверхностного слоя, низкий удельный расход энергоносителя, автоматизация процесса нагрева, малая тепловая инерция печи.
Газовые печи скоростного конвективного нагрева металла, в которых доля конвекции превышает в общем тепловом потоке к нагреваемому изделию 25% [2], а скорость нагрева приближается к скорости нагрева в индукторе, вполне удовлетворяют этим требованиям. Печи обладают малой тепловой инерцией, высоким КПД, имеют низкий удельный расход топлива, малые габариты, поэтому применение печей скоростного конвективного нагрева металла является перспективным.
Работы отечественных авторов [3-7} и зарубежные источники [8, 9] подтверждают высокую технико-экономическую эффективность применения скоростного конвективного нагрева. Удель-
ные расходы топлива на нагрев в печах такого рода существенно ниже расходов в обычных пламенных печах ГіО, її].
Системы отопления скоростных конвективных печей оснащаются горелками, имеющими скорость истечения потока продуктов сгорания 80-200 м/с. Камеры горения скоростных горелок, подвергаемых интенсивному разрушающему воздействию высокотемпературных продуктов сгорания выполняются из керамических и металлических материалов. Срок службы керамических камер, особенно их выходных сопел, сильно ограничен, поэтому обоснованно все большее распространение горелок с металлическими воздухоохлаждаемыми камерами :горения.
Применяемые в печах скоростного нагрева металлические воздухоохлаждаемые горелки полного предварительного смешения типа IB имеют ряд недостатков: высокое гидравлическое сопротивление по воздуху, недостаточную надежность работы в системе автоматического регулирования печей; не приспособлены к работе на подогретом воздухе [[26], т.е. не могут использоваться на современных экономичных рекуперативных печах.
Создание усовершенствованных горелок, работающих на подогретом воздухе, является актуальной задачей.
Печи скоростного конвективного нагрева делятся на два основных типа:
струйного нагрева, при котором струи продуктов сгорания направляются непосредственно на поверхность металла [~5, 6,12-16, 18];
циклонно-вихревого нагрева, при котором создается вращательное движение газов в объеме печи вокруг нагреваемой заготовки (садки).
Печи циклонно-вихревого типа следует рассматривать как более универсальные нагревательные устройства по сравнению
со струйными. Эти печи обеспечивают интенсивный, но более равномерный нагрев за счет весьма равномерного омывания потоком греющих газов поверхности заготовок, приспособлены к обработке изделий в широком диапазоне длин, профилей, диаметров [l7-I8].
Однако, несмотря на имеющиеся экспериментальные и практические данные [і7-25~] остаются недостаточно изученными вопросы конвективного теплообмена в печах циклонно-вихрево-го типа.
Дальнейшее повышение технико-экономической эффективности печей скоростного конвективного нагрева (т.е. снижение удельных расходов топлива, расширение сферы применения печей циклонно-вихревого типа) требует совершенствования системы отопления, применения топливо-сжигающих устройств, работающих на подогретом воздухе.
Применяемые для массового изготовления металлических рекуператоров и скоростных горелок жаростойкие стали с относительно небольшим содержанием дефицитного никеля ограничивают подогрев воздуха в рекуператорах до 400С. Однако и при этой температуре подогрева экономия топлива может достигать 2Ь% [27].
Цель работы - разработка конструкции скоростной металлической, воздухоохлаждаемой горелки, работающей на подогретом до 300-400С воздухе и на ее основе усовершенствование системы отопления печей скоростного конвективного нагрева, разработка методов интенсификации теплообмена и повышение производительности печей циклонно-вихревого типа; внедрение разработанных конструкций в промышленность.
Для осуществления поставленных задач проводилось:
по горелке - исследование смесеобразования, теплообмена и гидродинамики, создание инженерной методики расчета горелок;
по печи - экспериментальное исследование аэродинамики и теплообмена при аксиальном, эксцентричном и двухрядном расположении нагреваемых заготовок, усовершенствование методики теплового расчета печей циклонно-вихревого типа.
В I главе диссертационной работы приведен анализ существующих конструкций и тепловой работы скоростных горелок, изучены процессы смесеобразования в камере горения, пути снижения аэродинамического сопротивления, проанализированы исследования конвективного теплообмена и аэродинамики в нагревательных устройствах с тангенциальным подводом греющих газов, рассмотрены конструкции циклонных печей. На основании литературного обзора сформулированы задачи собственных исследовании.
Аэродинамические процессы смешения струй
Исследованию струйного движения газов в различных условиях посвящены труды Абрамовича Г. Н. [51, 52], Булиса Л.А. 53, 54], Миткалинного Б.И. [55], Палатника И.Б. [56] и др. авторов.
Процессы перемешивания сжимаемых струй со спутным потоком [53, 54] определяются двумя параметрами - гидродинамическим ГҐ1 = Awf й параметром сжимаемости =pf- Установлено, что смешение струи, развивающейся в спутном потоке, происходит наименее интенсивно в случае совпадения значений
DW2 » т.е. когда параметр ITLw - -1 [бЗ, 54J. Различие в интенсивности смешения изотермических и неизотермических струй определяется степенью начальной турбулентности.
Для практических расчетов горелочных устройств необходимо знание законов изменения максимальной скорости, концентрации и температуры по длине струи.
Абрамович Г.Н. [52] обобщил экспериментальные данные и установил, как для затопленной турбулентной струи, так и для струи, распространяющейся в спутном потоке, подобие безразмерных полей скоростей, избыточных температур и концентраций.
Для определения изменения температуры и скорости вдоль оси струи в зависимости от параметра подогрева струи Ог гг 3-[52] можно воспользоваться графиками, представленными на рис. I.I, 1.2.
При увеличении числа Re наблюдается уменьшение скорости затухания температуры вдоль оси струи и при Ке 10 распределение температуры не зависит от начальной скорости истечения.
В горелочных устройствах широкое распространение получили смесители, в которых быстрое и качественное смешение достигается путем дробления газового потока на отдельные струи и подачи их под углом в сносящий поток окислителя как в центральной части, так и на периферии.
Значительный вклад в создание методики расчета распределения струй газа в сносящем потоке воздуха внес Иванов Ю.Б. [57]. Им была определена роль гидродинамического параметра в случае развития струй в сносящем потоке и указана связь качества смешения: с дальнобойностью струй.
При расчете струйных устройств необходимо определять глубину проникновения струй К. (рис. 2.6), под которой понимается расстояние по нормали от плоскости сопла до оси струи, принявшей направление поперечного потока. Для круглых струй при любом угле атаки = - - » где Ks - коэффициент, зависящий от относительного шага струй, принимает значение от 1,6 до 1,9.
Вследствие больших касательных напряжений на границе струи с потоком интенсивность турбулентности в зоне перемешивания намного выше, чем начальная турбулентность струи. По этой причине начальное распределение скорости в струе практически не влияет на движение струи в сносящем потоке. Поэто не му некоторые исследователи вводят константу структуры струи (X в число определяющих параметров. Иванов Ю.Б. учитывает структуру струи коэффициентом О. , который в случае круглой струи равен 0,07.
Траектория круглой струи в свободном поперечном потоке определяется по экспериментальной формуле [2] где 45 f" 135 - угол атаки струи, отсчитываемый от направления сносящего потока; ХМ - поперечная и продольная координаты развития струи. Здесь под траекторией струи понимается кривая, связывающая точки с максимальным значением скоростей. Исследованиями Иванова Ю.Б. [58] показано, что траектории струй не зависят от температур струи и потока.
Однако, следует отметить, что исследования Иванова Ю.Б. проводились в больших каналах, где влияние струи на скоростное поле сносящего потока несущественно.
Кабаков ГД[5Э],проводя исследования струйных смесителей газа с воздухом в относительно небольшом диапазоне VV2/ Wg =2,4-4,14, обнаружил, что загромождение струями воздушного кольцевого канала ускоряет разворот струй в направлении сносящего потока. Глубина проникновения струй в поперечный поток воздуха в этом случае снижается и описывается
Расчет смешения в горелках по методике [бо] сводится к равномерному распределению струй газа в воздушном потоке при условии неслияния газовых струй. Это условие определяется параметром "коэффициент заполнения" К [бі], который должен быть меньше I и при центральной раздаче газа выражается как Л" 2jr(zomb+h) а при периферийной раздаче Л " aif(R-h) где ГЛ - количество газовых отверстий; Zm$ - наружный радиус газораздающей трубы; С - константа, зависящая от угла раскрытия струи а oi; при с?С - 24, Q-0,66;
АЖ2 Or рхл/z отношение динамических напоров струй газа и воздушного потока; К - радиус горловины горелки. Данный параметр не имеет ограничения по нижнему пределу, что затрудняет его применение при расчете распределения газовых струй в дутьевых горелках и не связан со степенью выгорания.
Оценка качества смешения в камере горения как в изотермических условиях, так и при горении может производиться по равномерности распределения коэффициентов избытка воздуха. Неполнота смешения 86 в данном сечении характеризуется среднемассовым отклонением коэффициента избытка воздуха от его среднего значения и определяется приближенно по уравнению 48]
Оптимизация конструктивных параметров горелки с применением теории математического планирования эксперимента
Область факторного пространства (варьирования факторов) была выбрана на основе технико-экономических и конструктивных соображений с учетом имеющихся экспериментальных данных по скоростным металлическим горелкам.
В результате реализации матрицы было проведено 8 серий опытов. Каждая горизонтальная строка матрицы, описывающая условия опыта, представляет собой неповторимое сочетание уровней факторов.
Для каждой серии опытов определялись параметр оптимизации (23 и ограничивающие параметры Тк и Др$ (табл. 2.1). По этим значениям были вычислены уравнения регрессии. Был произведен расчет коэффициентов регрессии о і , проведена проверка значимости коэффициентов по критерию Стыодента. Уравнения регрессии имеют вид 29,0-7,23ХгЗ,98Хг-1,ЗЗК3+ 1,Ше (2.3а) S/ =6,92; 54 = /,89, t«=765,7+8/,25X,+ 25X 8,7% ZfX;2.3d) Sg = 78 , Saq =316, АРе =Ш,6+39,/2)(, + +8,6 +/,37 -/3,87 (2 ) 5« =2 78; 54 = /4,29, s! где 5# - Дисперсия воспроизводимости, оценивающая точность воспроизведения эксперимента, которая находится из повторных наблюдений; )ао - дисперсия адекватности, оценивающая точность математической модели процесса. Проверка адекватности математического описания проводилась по критерию Фишера Расчетное значение г- критерия, найденное по формуле 2.4: Fp4,66; РР=4,05;Гр-и
Для доверительной вероятности F з 0,95 и соответствующих степеней свободы табличное значение составляет 4,46, т.е. проверка показала, что уравнение 2.3 адекватно описывает результаты эксперимента.
Анализ литературных данных показал, что с увеличением относительной длины камеры горения степень выгорания в объеме возрастает. Зафиксировав параметр /Ск/Д, на наибольшем уровне, равном 3,5, провели поиск оптимальных конструктивных параметров горелки методом крутого восхождения (табл. 2.3). За параметр оптимизации была принята наименьшая величина химической неполноты горения з 2 качестве базового фактора взято отношение fy/ff+fu, и выбран шаг движения при крутом восхождении 0,05.
В результате оптимизации было получено минимальное допустимое значение С ъ , равное 10,5, при следующих параметрах iKJ?jK 3,5, f /fs+f 0,7, f = ЗО град, dcmS/jJK - »3 и Wr/W = 6,9. При этом кодированные значения параметров V и у равны соответственно 1,75 и 0,6.
Таким образом, применение теории математического планирования эксперимента позволило минимизировать число опытов, получить удобные для анализа математические модели процесса и оптимизировать конструктивные параметры горелки.
Полученные результаты дали возможность разработать конструкцию опытной горелки и перейти к ее исследованию.
При этом, оставляя конструктивные параметры горелки на оптимальных уровнях и варьируя одним из них, можно получить зависимость основных характеристик струи от каждого из конструктивных параметров.
Программа исследований Программой исследований предусматривается изучение следующих вопросов: 1. Выявление основных параметров, характеризующих качество смешения. 2. Определение средних коэффициентов теплоотдачи конвекцией в двухходовом контуре охлаждения горелки. 3. Получение экспериментальных данных и разработка ме 14,7 7, тодики расчета температуры стенки камеры горения.
4. Аналитическое исследование схемы радиационно-конвектив-ного теплообмена в системе: камера горения - двухходовой контур охлаждения.
5. Определение тепловых, режимных параметров работы горелки, диапазона ее устойчивой работы в диапазоне регулирования тепловой мощности.
Проводится определение максимально допустимой температуры подогрева воздуха, поступающего в систему воздушного охлаждения камеры горения. Фиксируется гидравлическое сопротивление горелки.
Определяется предел регулирования производительности горелки, который по ГОСТу 21204-75 применительно к дутьевым горелкам должен быть не менее 1:4. Это условие также удовлетворяет работе горелки в системе отопления печей скоростного нагрева. Номинальный расход газа на горелку составляет 7 м3/ч при номинальном коэффициенте избытка воздуха ОІ = 1,05, при этом тепловая мощность достигает 70 кВт.
Описание экспериментальной установки и методики исследований
Высокая степень выгорания горючих компонент в горелке предопределяет низкий уровень СО в печном агрегате. Концентрация /V0X в продуктах сгорания, зависящая в большей степени от конструкции горелки, составила на номинальной мощности при работе горелки на холодном воздухе - 180 мг/м3, а на подогретом до 350С воздухе - 240 мг/м3.
1. Создана металлическая скоростная воздухоохлаждаемая горелка, работающая на холодном и подогретом в рекуператоре до 350С воздухе, аэродинамическое сопротивление горелки не превышает 6,.6 кПа, величина степени выгорания на срезе сопла составляет 85-90# при скорости истечения 200 м/с.
2. Экспериментально определены значения параметров сме сеобразования обеспечивающие заданную степень выгорания. Предложен в качестве одного из основных параметров "коэффи циент заполнения поперечного сечения камеры горения К". Оп тимальные значения составляют: гидродинамического параметра ГС\- 0,015-0,025, К 0,9 1,0, максимальной глубины проникновения боковых газовых струй Ъта)( = (0,47-0,54) Ък t JLK/T)K 3 3»5» соотношения скоростей газовых струй и воздушного потока W2/V\4 - 4,5 7. Показано, что при оптимальных параметрах смесеобразования на расстоянии 5-8 диаметров выходного сопла степень выгорания в струе составляет 95#.
3. Получена критериальная зависимость, характеризующая конвективный теплообмен при нагреве воздуха в коротких коль цевых каналах ( c/cl3— 25) при Re = (2-5-9).103 и отно шении ОІЄнут/сІ#„еш = 0,76-0,93 .
4. Разработана методика расчета температуры стенки камеры горения металлических воздухоохлаждаемых горелок, основанная на проведенных экспериментальных и аналитических исследованиях. Показано, что результаты расчета скоростных горелок по предлагаемой методике согласуются с экспериментальными данными.
5. Горелка может быть использована в рекуперативных системах отопления печей скоростного конвективного нагрева.
Разработан ряд горелок тепловой мощностью 70, 100, 140 кВт, которые прошли предварительные и приемочные испытания и выпускаются серийно на Фастовском заводе ІМГУ и ГА ВНПО "Союзпромгаз".
Целью аэродинамического исследования являлось изучение и анализ картины обтекания заготовки, распределения скоростей и давлений по сечению камеры, а также распределения статического давления по поверхности заготовки и стенке камеры (рис. 3.1). Знание характера движения греющих газов необходимо для правильной оценки экспериментальных данных по конвективному теплообмену и сопротивлению камеры при эксцентричном расположении заготовки. Исследования проводились в автомодельной области ( КО 10 ) и изменении скорости от 8,2 до 40,5 м/с при изменении эксцентриситета от 0 до 55 мм (0 0,462). Исследования проводились с заготовкой диаметром 112 мм ( Q2 = 0,32), при относительном диаметре пережима (1) =0,5; 0,57; 0,86), относительная площадь ввода И варьировалась от 0,014 до 0,07.
Схема аэродинамической модели печи показана на рис. 3.1. Металлическая модель имеет диаметр JJK 350 и длину рабочего пространства LK - 395 мм. Воздух подводится восмью соплами (3) тангенциально с противоположных сторон. Ширина входного сопла составляет 35 мм, а высота изменяется от 4 до 20 мм. Сечения, в которых выполнялись замеры полей скоростей и статических давлении, указаны на рис. 3.1.
Печь для производства отводов
Совместно с ВНИПИ Теплопроект разработан проект высокоэффективных автоматизированных циклонно-вихревых печей скоростного конвективного нагрева металла, с использованием разработанных скоростных газовых горелок СВПІ20, работающих на подогретом воздухе (проект ТР39809). Печи предназначены для нагрева штанг под резку на прессножницах в заготовительном отделении кузнечного цеха Тутаевского завода дизельных агрегатов (объединение "Автодизель").
Печи предназначены для нагрева штанг диаметром от 50 до 150 мм и & 180 мм до температуры 450-650С (рис. 4.1).
Разработаны два типоразмера секционных печей циклонно-вихревого типа.
Секция каждой печи представляет собой цилиндрическую камеру с торцевыми выходными отверстиями (пережимами) и оборудуется 4 скоростными горелками СВПІ20, работающими на подогретом в рекуператоре до 300-350С воздухе. Горелки устанавливаются тангенциально к внутренней поверхности кладки, диаметрально, в шахматном порядке.
Из рабочего пространства продукты сгорания удаляются в тамбуры между секциями и поступают в расположенный над тамбурами рекуператор, транспорт штанг через печь производится по роликам, устанавливаемым в тамбурах.
Основные расчетные параметры печи сведены в табл. 4.1. Печь работает в садочном режиме, т.е. заготовки входят на всю длину в освободившуюся печь, греются до заданной температуры и выдаются из печи, располагаясь на рольганге перед пре с с-ножницами.
Подогревательные печи Тутаевского завода дизельных агрегатов отличаются повышенной производительностью и пониженным расходом топлива. Удельная продолжительность нагрева в зависимости от диаметра заготовки колеблется от 0,3-0,8 мин/см. По сравнению с аналогичной печью фирмы "ЯГМБЕРТ", установленной на БАЗе, удельная продолжительность нагрева запроектирована на 40$ ниже [Ші].
Первые 4 печи подготовлены к пуску. Гарантированный годовой экономический эффект от внедрения одной печи определен в сумме 42,3 тыс.руб. (Приложение 4). Внедрение печей позволит экономить до 3 млн.м3 природного газа в год.
На Рижском заводе монтажных заготовок в 1982 г. пущена в эксплуатацию газовая нагревательная печь для изготовления отводов 3)j/- 250-350 мм (рис. 4.2).
Для современного гидравлического пресса К.25.QI3, имеющего повышенную по сравнению со старым прессом П.102 скорость протяжки, впервые применена печь циклонно-вихревого типа, отличающаяся от заменяемой меньшими тепловыми потерями, повышенной производительностью и КПД.
Печь построена по проекту, разработанному совместно БНИИ-Промгазом и БНЙПИТеплопроект (проект печи ТР 38700). Конструктивные параметры печи выполнены согласно рекомендациям, полученным в главе 3.
Печь имеет внешние размеры 3,05x1,93x1,8 м. Форма рабочего пространства печи в значительной мере повторяет форму сердечника. Циклонная камера имеет внутренний ддаметр 800 мм, длину 1800 мм и толщину кладки 348 мм. Печь имеет съемный свод.
Скоростные горелки располагаются на печи диаметрально в шахматном порядке, тангенциально к внутренней поверхности кладки» По оси печи устанавливается цилиндрический сердечник с рогообразным окончанием, по которому с помощью траверсы пресса проталкиваются трубные заготовки. Заготовки нагреваются до заданной температуры, формируются в отводы и сходят с сердечника вниз.
Тепловая работа новой печи заключается в следующем. Рассредоточенный тангенциальный ввод греющих газов организует в печи интенсивное вращательное движение печных газов. Ре-цирку лиру ющие газы с высокими скоростями омывают поверхность кладки и заготовки.
Это позволяет резко интенсифицировать конвективную теплоотдачу от греющих газов к металлу, достичь высокой равномерности нагрева.
Тепловой режим печи автоматизирован. Печь разделена на две зоны автоматического регулирования. Система регулирования теплового режима состоит из термопары, автоматического потенциометра с регулятором и регулирующего органа с исполь-нительным механизмом. Предусмотрен автоматический перевод печи на холостой ход при остановке или перезарядке пресса.
