Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и направление развития контактных теплообменников.
1.1. Классификация контактных теплообменников с ограничительной решеткой.
1.1.1. Процессы, протекающие в контактных теплообменниках в системе «газо-твердые частицы».
1.1.2. Классификация контактных теплообменников с движущимся плотным продуваемым слоем в системе «газо-твердые частицы».
1.1.3. Основные направления развития контактных теплообменников в системе «газо-твердые частицы»
1.2. Конструкция конвейерной колосниковой решетки ("ЛЕПОЛЬ")
1.3. Решение проблем увеличения долговечности деталей и узлов контактных теплообменников и интенсификации процессов на них
1.4. Анализ существующих методик расчета аэродинамических и тепло массообменных процессов в сложных трубопроводах
1.4. 1.Расчет сложных газопроводов с параллельным соединением
1.4. 2.Обзор методов определения коэффициентов тепломассообмена в зернистом слое
1.5. Цель и задачи исследования
1.6. Выводы
2. Теоретические основы определения конструкторско-технологических параметров запечного теплообменника
2.1. Математическое моделирование аэродинамических процессов, протекающих на конвейерной колосниковой решетке
2.1.1. Математическая модель аэродинамики запечного теплообменника оснащенного конвейерной колосниковой решеткой
2.1.2. Гидравлическое сопротивление слоя сырьевой смеси
2.1.3. Гидравлическое сопротивление перегородок и задвижек
2.1.4. Полное гидравлическое сопротивление запечного теплообменника
2.1.5. Проверка адекватности математической модели аэродинамических процессов
2.2. Математическое моделирование тепло массообменных процессов, протекающих в запечном теплообменнике
2.2.1 Математическая модель нагрева материала на конвейерной колосниковой решетке
2.2.2. Математическая модель испарения влаги из материала с падающей скоростью и декарбонизацией
2.2.3. Математическая модель процессов тепломассообмена при испарении влаги и декарбонизации
2.2.4. Математическая модель потери тепла в окружающее пространство 65
2.2.5. Оценка тепломассообмена при движении газа под перегородками 71
2.2.6. Обсуждение результатов 72
2.3. Выводы 73
3. Методика проведения исследований, характеристика 74 экспериментальной установки
3.1. План экспериментальных исследований 74
3.1.1. Определение количества повторных опытов 76
3.1.2. Проверка гипотезы о воспроизводимости опытов 77
3.1.3. Расчет коэффициентов уравнений регрессии 7 7
3.1.4. Проверка адекватности уравнений регрессии 77
3.1.5. Переход от кодированных переменных к физическим переменным 78
3.1.6. Методики экспериментальных исследований 78
3.1.7. Методика измерений регулируемых параметров 81
3.2. Стендовая установка для проведения экспериментальных исследований и ее характеристика
3.3. Выводы 86
4. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров работы запечного контактного теплообменника оснащенного конвейерной колосниковой решеткой
4.1.. Исследование процессов сушки материала на экспериментальной установке
4.1.1. Исследование процессов сушки материала на экспериментальной стендовой установке с периодическим изменением направления просасывания горячих газов
4.1.2. Исследование процессов сушки материала на экспериментальной стендовой установке с использованием эффекта наложения воздействия электрического поля 4.1.3. Исследование процессов сушки материала на экспериментальной 95 стендовой установке при совместном использовании эффекта прямого и обратного прососа газов и воздействий электрического поля
4.2. Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса сушки и частичной декарбонизации в запечном теплообменнике
4.2.1. Экспериментальные исследования воздействий варьируемых факторов на величину степени декарбонизации материала в запечном теплообменнике
4.2.2. Экспериментальные исследование воздействий варьируемых факторов на величину влажности материала в запечном теплообменнике
4.3. Оптимизация уровней факторов конструктивно-технологических ю параметров запечного теплообменника
4.4. Выводы 109
5. Инженерная методика [ 1 \
5.1. Инженерная методика теплового расчета запечного контактного теплообменника
5.1.1. Материальный баланс запечного теплообменника [ і з
5.1.2. Тепловой баланс запечного теплообменника 116
5.1.3. Полезный расход тепла и КПД кальцина тора Аэродинамическое сопротивление запечного теплообменника
5.1..5. Общее аэродинамическое сопротивление запечного теплообменника 123
5.2. Новая конструкция запечного теплообменника 123
5.3. Практическое применение результатов работы 126
5.4. Расчет экономического эффекта от внедрения конструктивно технологических устройств на запечном теплообменнике вращающейся печи №3 04,5x60
5.5. Выводы 132
6. Основные результаты и выводы 133
Литература 135
Приложения
Введение к работе
Эффективность производства непосредственным образом связана с совершенствованием технологического оборудования, как вновь разработанного, так и модернизированного на основе новейших научно-технических достижений. Всесторонние и критические исследования существующих технологических процессов и оборудования позволяют устранить основные их недостатки, повысить долговечность и эксплуатационную надежность, а также наметить рациональные пути их совершенствования.
Во многих отраслях промышленности: строительных материалов, химической, металлургической, пищевой и других широко применяют контактные высокотемпературные теплообменные аппараты (контактные теплообменники с плотным продуваемым слоем ).
В этих аппаратах процесс подвода тепла при нагревании или отвода -при охлаждении твердых, кусковых или гранулированных материалов осуществляется при непосредственном контакте теплоносителей или охладителей без соприкосновения их с теплопередающей поверхностью.
Термическая обработка кусковых и гранулированных материалов на контактных теплообменниках является одной из основных в технологических процессах.
Преимущества контактных теплообменников по сравнению с поверхностными обуславливают все более широкое применение этих аппаратов в промышленности и перспективность использования их в объектах новой техники. При высокой интенсивности процессов теплообмена они позволяют выполнять технологические процессы с высокими технико-экономическими показателями. Одним из главных недостатков контактных теплообменников с плотным продуваемым слоем является сложность организации равномерного распределения потока газов, проходящих через плотный продуваемый слой, из за различных гидравлических сопротивлений слоя обрабатываемого материала, обусловленных различной полидисперсностью материала по гранулометрическому составу и равномерностью его укладки на разделительной решетке, а также изменениями химических и физико-механических свойств материала в процессе термической обработки.
Также существенное влияние на процессы теплообмена и распределения газа в контактиых теплообменниках имеют свойства газового потока, а именно содержание твердых частиц, которые в процессе прососа газов через слой материала осаждаются на материале, ухудшая при этом теплообмен и резко увеличивая разницу гидравлического сопротивления в отдельных местах слоя материала на разделительной решетке.
Общая закономерность изменения гидравлического сопротивления слоя материала на разделительной решетке следующая: в местах с большим гидравлическим сопротивлением слоя материала гидравлическое сопротивление потоку газа увеличивается, а в местах с меньшим гидравлическим сопротивлением слоя материала гидравлическое сопротивление потоку газа уменьшается. Это приводит к более интенсивному прососу газов в местах с меньшим гидравлическим сопротивлением, перегреву деталей ограничительной конвейерной колосниковой решетки выше допустимых температур и преждевременному выходу их из строя, а в местах с высоким гидравлическим сопротивлением качество термообработки материала резко снижается и падает производительность.
В настоящей работе объектом теоретического и экспериментального исследования принят контактный теплообменник с ограничительной решеткой типа «конвейерная колосниковая решетка», так как по сравнению с другими контактными теплообменниками процессы, протекающие в нем, носят наиболее полный характер, а именно: подготовка материала, нагрев, сушка, химические превращения и т.д. Процессы, происходящие на других типах контактных теплообменников носят частный характер. Вращающиеся печи, оборудованные, запечными контактными теплообменниками с конвейерной колосниковой решеткой в тепловом отношении очень эффективны и обеспечивают удельный расход теплоты на обжиг около 3300 кДж/кг клинкера. В последнее время созданы печные агрегаты с конвейерной колосниковой решеткой производительностью 3000 тонн в сутки [5]. Такие печи эксплуатируют в ряде промышленно развитых стран мира, включая и страны СНГ. Однако широкому их применению препятствует сложность эксплуатации, обусловленная низкой долговечностью деталей конвейерной колосниковой решетки, работающей в условиях повышенных температур.
В соответствии с технологическим процессом сырьевые материалы для производства клинкера, железорудных окатышей или другой продукции должны быть соответствующим образом подготовлены.
Для производства клинкера такая подготовка включает в себя грануляцию и термическую обработку на конвейерной колосниковой решетке. При термической обработке гранул лимитирующими являются процессы сушки и частичного обжига (декарбонизация), которые должны выполнятся при оптимальных режимах.
Оптимизация и интенсификация этих процессов привела бы к значительной экономии материальных, топливо-энергетических ресурсов, улучшению качества продукции, а также повышению долговечности конвейерной колосниковой решетки.
Не зная сущности процессов, нельзя эффективно ими управлять, поэтому исследование процессов аэродинамики, сушки и теплообмена в гранулах, расположенных на конвейерной колосниковой решетке, представляет несомненный научный интерес.
Исследованиями этих процессов занимались и сейчас занимаются коллективы ученых во многих НИИ и вузах страны. К сожалению, результаты исследований не всегда являются полными, зачастую противоречивыми, а иногда и поверхностными или некорректными. Несмотря на значительное количество работ по вопросам термической обработки гранулированного и кускового материала на конвейерной колосниковой решетке, до сих пор отсутствует четкая физическая картина процессов, и их математическое описание. Все это свидетельствует о том, что проблемы аэродинамики, сушки, частичного обжига (декарбонизации) материала на конвейерной колосниковой решетке являются актуальными и требуют новых решений и исследований.
Цель работы. Разработка контактного теплообменника с улучшенными конструкторско-технологическими параметрами и методики расчета аэродинамических и тепломассообменных процессов, протекающих в нем. В соответствии с поставленной целью в работе рассматриваются следующие задачи:
Исследование процессов, протекающих в высокотемпературных контактных теплообменниках с плотным движущимся продуваемым зернистым слоем, оснащенных конструкторско-технологическими устройствами с улучшенными схемами аэродинамических и тепломассообменных процессов;
разработка методики расчета аэродинамических и тепломассообменных процессов протекающих в контактных теплообменниках оснащенных конвейерной колосниковой решеткой;
оценка влияния различных схем прососа и распределение газовых потоков через слой гранулированного материала, расположенного на конвейерной колосниковой решетке;
разработка и внедрение в промышленность устройств для интенсификации процессов тепломассообмена в конструкциях контактных теплообменников с конвейерной колосниковой решеткой с использованием устройств для интенсификации процессов тепломассообмена.
Объектами исследований являлись промышленные и стендовые контактные теплообменники с конвейерной колосниковой решеткой, оснащенные конструкторско-технологическими устройствами, позволяющими в широких диапазонах изменять и распределять потоки горячих газов, поступающих из вращающейся печи, оптимизируя при этом процессы термической обработки материала и исключая нагрев деталей конвейерной колосниковой решетки выше допустимых температур.
Научная новизна работы. Представлена математическая модель, описывающая аэродинамические процессы, протекающие в контактном теплообменнике, оснащенном конвейерной колосниковой решеткой,
разработанная на основе теории тепломассообмена учитывающая: высоту слоя гранулированного материала; соотношение прямого и обратного прососа газа через слой материала; скорость движения конвейерной колосниковой решетки; напряжение электрического поля над материалом; температуру просасываемых газов через слой материала, позволяет достигать уменьшение влажности и увеличение степени декарбонизации материала.
Результаты экспериментальных исследований, представленные в виде уравнений регрессии, позволяют дать оценку эффективности различным конструктивно-технологическим устройствам контактных теплообменников.
Создана патентно-чистая конструкция нового запечного контактного теплообменника вращающейся печи, оснащенного конвейерной колосниковой решеткой.
Автор защищает следующие основные положения:
[.Математическую модель расчета аэродинамических процессов, протекающих на конвейерных колосниковых решетках, оснащаемых различными конструктивно-технологическими устройствами.
2. Математическую модель расчета тепло массообменных процессов, протекающих на конвейерных колосниковых решетках, на основе постановки и решения задачи Стефана.
3.Оптимизацию аэродинамических и тепло массообменных процессов, протекающих в запечных контактных теплообменниках, с оценкой влияния различных схем прососа и распределения газовых потоков.
4,Результаты экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и промышленных условиях на ограничительных колосниковых решетках с эффективными схемами аэродинамических и тепломассообменных процессов.
5.Конструкцию запечного контактного теплообменника, обеспечивающего повышение качества термической обработки материала и увеличение долговечности устройства в 1,5-2 раза.
Практическая ценность работы. Разработана методика и соответствующее программное обеспечение расчетов аэродинамических и тепло массообменных процессов, протекающих на ограничительных колосниковых решетках с улучшенными схемами аэродинамических и тепло массообменных процессов, с использованием эффекта интенсификации тепломассообмена наложением энергетических полей.
Внедрение результатов работы. Запечной контактный теплообменник с улучшенными схемами прососа и распределения отходящих газов, а также использованием эффекта наложения энергетических полей, внедрен и эксплуатируется с 2000 года на Рыбницком цементно-шиферном комбинате при производстве клинкера во вращающейся печи размером 0 4,5 60 м, оснащенной конвейерной колосниковой решеткой размерами 4x32м.
Результаты его эксплуатации показали снижение удельного расхода топлива на 8%, уменьшение удельного расхода электроэнергии на-2,1кВт ч/т, при увеличении производительности печи на 3,8 т/ч.
В настоящее время планируется внедрение и на остальных вращающихся печах этого предприятия.
Апробация работы. Основные положения диссертации и практические результаты обсуждались и получили одобрение на; научно-технических конференциях в БГТУ им. В,Г. Шухова , технических советах Рыбницкого цементно-шиферного комбината ЗАО РЦШК .
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работы, получен патент РФ № 2171438 на изобретение "Запечной теплообменник вращающейся печи". Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложений, которые включают результаты теоретических и экспериментальных исследований, акты внедрения промышленных испытаний, расчет экономической, эффективности.
Общий объем диссертации 144 страницы, содержащих 32 рисунка и 14 таблиц.