Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одна из важнейших проблем при производстве керамического кирпича заключается в соблюдении заданного температурного режима на всех стадиях его обработки в туннельной обжиговой печи: в зонах предварительного подогрева, обжига и охлаждения готового продукта.
Для того чтобы избежать растрескивания керамического кирпича вследствие слишком большой разности температур между теплоносителем и изделием, а следовательно, увеличения выхода бракованной продукции, в тепловых схемах туннельных печей обычно предусматривается довольно сложная система рециркуляции, включающая подсос холодного воздуха и переброску горячих продуктов сгорания ниже по потоку. Это позволяет выровнять температуру горячего теплоносителя по длине зоны предварительного подогрева и сократить долю бракованных изделий, но приводит к удорожанию технологической установки и уменьшению глубины утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания.
В промышленности строительных материалов потери теплоты при обжиге керамических изделий иногда достигают 20...30% от подводимой теплоты, а общий потенциал вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) данной отрасли оценивается в несколько миллионов тонн условного топлива. При этом наиболее перспективным является использование теплоты уходящих продуктов сгорания топлива для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Важнейшим недостатком традиционных систем утилизации теплоты дымовых газов, включающих регенеративный подогреватель воздуха, установленный «на выхлопе» печи, является нестабильность температур теплоносителей на выходе из подогревателя, которая не позволяет достичь большой глубины утилизации ВЭР. Поэтому весьма актуальной задачей совершенствования технологии производства керамического кирпича является организация заданного теплового режима его обработки путем рационального размещения теплообменника-утилизатора теплоты отходящих дымовых газов в тепловой схеме процесса и выбора оптимальных параметров его работы.
Для решения данной задачи необходимо разработать математическую модель процессов теплообмена как для всех стадий обработки материала в печи, так и для регенеративного теплообменника-утилизатора.
Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации регенеративных теплообменников является определение наивыгоднейших конструктивных и режимных параметров, при которых достигается максимальное теплоты, полученной единицей массы воздуха. Данные задачи не могут быть решены с помощью известных методов расчета, в которых вместо актуальных значений температур теплоносителей используются значения, осредненные по длине канала и времени цикла, а также ряд других допущений.
Процессы теплообмена между теплоносителем и кирпичной садкой или насадкой регенеративного теплообменника зависят от множества параметров и поэтому весьма сложны для экспериментального исследования. Адекватное ма-
тематическое описание нестационарных температурных полей и тепловых потоков в рассматриваемых процессах не только даст возможность поддерживать в них заданные технологические параметры путем управления процессами подачи теплоносителей в отдельные секции, что позволит уменьшить выход бракованной продукции, но и обеспечит общую экономию топлива.
Для решения этих актуальных технических и экономических вопросов необходима разработка математических моделей процессов нестационарного ра-диационно-конвективного теплообмена, которые могли бы прогнозировать температурный режим обтекаемых газом массивных тел в зависимости от конструктивных и режимных параметров процесса, а также оптимизировать его по различным целевым функциям, решающим для технико-экономических оценок. Это и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - All8 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий), международного договора о научно-техническом сотрудничестве между ИГЭУ и Горным институтом г. Алби, (Франция), и планов НИР ИГАСУ.
Целью работы является повышение эффективности технологических установок производства керамического кирпича, включающих системы утилизации тепла с регенеративными теплообменниками, путем разработки математических моделей происходящих в них теплообменных процессов и оценки по ним рациональных режимов их эксплуатации и управления ими.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель для расчета нестационарных температурных полей в теплоносителях и массивной стенке (садке керамического кирпича и насадке регенеративного теплообменника) для случая радиационно-конвективного теплообмена.
-
Разработана математическая модель для расчета нестационарных тепловых потоков между теплоносителями и стенкой (насадкой), позволяющая рассчитывать оптимальное время цикла, соответствующее максимуму теплоты, полученному единицей массы воздуха, подаваемого в технологический процесс через регенератор за рассматриваемый цикл.
-
Достигнуто увеличение точности теплового расчета тепловых процессов в туннельной печи и в регенераторе путем учёта теплопроводности нагреваемого объекта в продольном и поперечном направлении.
-
По разработанным моделям выполнены численные эксперименты, позволившие выявить влияние конструктивных характеристик регенеративных теплообменников и параметров теплоносителей на оптимальное время цикла.
-
Выполнены экспериментальные исследования температурных полей в садке керамического кирпича, доказавшие адекватность разработанных моделей и методов расчета.
Практическая ценность результатов состоит в следующем: 1. Показано, что размещение регенеративного теплообменника-утилизатора между зонами обжига и предварительного подогрева сырца в туннельной обжиговой печи дает возможность обеспечить более стабильный тепловой режим обработки керамического кирпича, что повышает его предел прочности на сжа-
тие на 1,9%, и увеличить степень утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания топлива до 25%.
-
Разработан компьютерный инженерный метод расчета процессов теплообмена в туннельной обжиговой печи в производстве керамического кирпича, включающей регенеративный теплообменник-утилизатор, и метод расчета оптимального времени цикла для регенеративных теплообменников.
-
Разработана методика оценки эффективности использования теплоты уходящих продуктов сгорания промышленных печей для подогрева подаваемого в них воздуха.
-
Разработанные математические модели, инженерные методы расчета и оптимизации, а также средства компьютерной поддержки моделирования и расчета нашли практическое применение в практике исследовательских и проектных работ в ЗАО «ИВЭНЕРГОСЕРВИС», а рекомендации по реконструкции системы утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания приняты к внедрению на ООО «Ивсиликат».
Автор защищает:
-
Ячеечную математическую модель и метод расчета нестационарного конвективно-радиационного теплообмена термически толстой стенки с обтекающим ее потоком газа.
-
Результаты численных экспериментов по исследованию влияния конструктивных и режимных параметров процесса на прогрев/охлаждение стенки" и газа и циклы прогрева и охлаждения при ее работе в качестве утилизатора теплоты уходящих газов промышленных печей.
-
Инженерный компьютерный метод расчета процессов теплообмена в туннельной обжиговой печи при производстве керамического кирпича и методику оценки их тепловой эффективности.
-
Усовершенствованную тепловую схему туннельной обжиговой печи, позволяющую повысить качество керамического кирпича и тепловую эффективность обжига.
Апробация работы. Основные положения диссертации были обсуждены и получили одобрение на Международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием», Иваново, ИГХТУ, 2007; XIV Международной конференции «Информационная среда вуза», Иваново, ИГ АСУ, 2007, а также на научных семинарах кафедры прикладной математики ИГЭУ и кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения ИГАСУ (2006-2008гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах, в том числе в 2-х изданиях, предусмотренных перечнем ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографического списка и приложения.
