Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В МЕТАЛ
ЛИЧЕСКИХ РЕКУПЕРАТОРАХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
I.I. Сравнение методов интенсификации отвода тепла от теплообменной поверхности 9
1.2.Теплообмен при взаимодействии струй с поверхностью (анализ литературных данных) 22
1.3.Постановка задачи исследования 37
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТРУЙНЫХ СИСТЕМ 38
2.1. Экспериментальная установка для исследования моделей струйных рекуператоров 39
2.2.Методика проведения экспериментов и обработка полученных данных 47
2.3.Исследование поля температур теплообменной поверхности 80
Выводы 84
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЬНЫХ СТРУЙНЫХ РЕКУПЕ
РАТОРОВ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МОДУЛЬНЫХ СТРУЙНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ 86
3.1. Модульный принцип конструктивного решения струйных рекуператоров 86
3.2.Исследование аэродинамики воздушного тракта модульных струйных рекуператоров 91
3.3.Экспериментальные исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления модульных струйных рекуператоров 101
3.4.Методика расчета модульных струйных рекуператоров...123
3.5.Сравнение эффективности работы рекуператоров 145
Выводы 151
ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ МОДУЛЬНЫХ СТРУЙНЫХ
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 170
ЛИТЕРАТУРА 173
ПРИЛОЖЕНИЕ 184
- Сравнение методов интенсификации отвода тепла от теплообменной поверхности
- Экспериментальная установка для исследования моделей струйных рекуператоров
- Модульный принцип конструктивного решения струйных рекуператоров
- ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ МОДУЛЬНЫХ СТРУЙНЫХ
Введение к работе
Комплексное и рациональное использование топлива в промышленных технологических процессах в условиях постоянного роста топливо-потребления является задачей первостепенной важности.Экономия топлива и металла - одно из главных проявлений перевода экономики на путь интенсивного развития.Решениями ХХУ1-го съезда КПСС предусмотрено в I98I-I985 годах сэкономить 160-170 млн.тонн условного топлива I J,
Одними из наиболее крупных потребителей топлива в стране являются нагревательные и плавильные печи промышленных предприятий.Они,как правило, имеют низкий термический кпд,не превышающий 20-30%,вследствие большой потери тепла с отходящими продуктами сгорания, которые достигают 50-60% от количества тепла,подводимого в печь/"72 J\
Эффективным способом повышения технико-экономических показателей работы печей является комплексное использование тепла отходящих продуктов сгорания для энерготехнологических целей.
Технико-экономическое сравнение существующих схем энерготехнологического использования тепла отходящих продуктов сгорания высокотемпературных промышленных печей показало преимущество схемы "печь - рекуператор" над схемой "печь - котел - утилизатор" [^ J.
Возврат в печь части тепла отходящих продуктов сгорания путем подогрева компонентов горения в рекуперативных устройствах ' является лучшим методом повышения термического кпд печей.Рекуперация тепла обеспечивает экономию топлива,способствует ускорению технологических процессов, расширяет возможности использования низкокалорийных топлив, вследствие повышения температуры горения топлива.
Задача повышения эффективности работы современных печных рекуператоров, создание новых,более эффективных и менее металлоем - ких .конструкций в настоящее время актуальна в связи с острой необходимостью экономии топлива и металла.
Эффективность работы металлических рекуператоров можно повысить путем интенсификации в них процессов передачи тепла.Однако задачу повышения тепловой эффективности рекуператоров нельзя рассматривать в отрыве от улучшения других технико-экономических показателей, таких, как компактность и технологичность изготовления, затраты энергии на перемещение воздуха и продуктов сгорания, расход жаростойких сталей на изготовление , необходимость уста -новіш на печи дополнительного оборудования (например ,дымососов).
В диссертационной работе проведен сравнительный анализ некоторых из существующих способов интенсификации теплообмена на воздушной стороне рекуператоров. Анализ показал,что при струйном натекании воздуха на теплообменнуга поверхность интенсивность теплоотдачи увеличивается в 2-4 раза по сравнению с другими методами интенсификации теплообмена при одинаковых затратах энергии и равном подогреве воздуха.
Анализ литературных данных по струйному теплообмену позволил определить область поиска оптимальных с точки зре -ния достижения максимума теплоотдачи геометрических характеристик струйной системы. Недостаточность , а часто и разноречивость литературных данных по характеристикам струйного теплообмена , а также отсутствие серьезных исследований по работе струйных систем в условиях высоких ( более 300С ) температур греющей среды привели к необходимости проведения исследований моделей струйных рекуператоров в условиях , максимально приближенных к промышленным.
С применением метода математического планирования многофакторного эксперимента при поиске оптимальных условий найдена оп- тимальная (применительно к целям и условиям работы промышленных рекуператоров) область геометрических и режимных характеристик струйного теплообмена.
Получена математическая модель (в виде полиномов первой степени )конвективного теплообмена и аэродинамического сопротивления в струйных системах для следующего интервала изменения характеристик систем: 3*d< Ю мм; 1,0 4* А^ 2,9%; 1t54 hfa 9,0; 5
На основании экспериментальных исследований струйного теплообмена создана новая конструкция струйного рекуператора,основан -ная на модульном принципе.
Проведены экспериментальные исследования трех типоразмеров модульных струйных рекуператоров.Полученные эмпирические уравнения теплообмена и аэродинамического сопротивления хорошо согласуются с зависимостями,полученными по методике планирования эксперимента для модели струйного рекуператора.
Данные исследований позволили разработать инженерную методику теплового и аэродинамического расчетов модульного струйного рекуператора.
По разработанной методике рассчитаны и внедрены модульные струйные рекуператоры на ряде предприятий страны.
Совместно с ВНИПЙТеплопроект разработан типовой ряд модульных струйных рекуператоров.
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ,получено 4 авторских свидетельства.Материалы диссертации доложены на 7 всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах.
class1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В МЕТАЛ
ЛИЧЕСКИХ РЕКУПЕРАТОРАХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ class1
Сравнение методов интенсификации отвода тепла от теплообменной поверхности
Утилизация тепла отходящих продуктов сгорания путем подогрева воздуха в рекуператорах позволяет экономить до 40 % топлива,а также положительно влияет на основные теплотехнические показатели работы промышленных печей.
Исследованием различных типов рекуператоров занимались советские ученые Б.П.Тебеньков,Е.С.Раменская,Ю.И.Розенгарт,А.Е.Ери -нов,Б.Д.Сезоненко,Е.Л.Медиокритский,Е.В.Крейнин и др., а также зарубежные - Б.Покорны,А.Биро, Шак ,К.Дойчев и др.
Сравнительные исследования различных типов рекуператоров показали невозможность создания единой универсальной конструкции рекуператора, одинаково эффективно работающего на всех видах промышленных печей/" 23,45,46 7. Выбор типа рекуператора для конкретной печи обуславливается факторами, характеризующими с одной стороны параметры продуктов сгорания ( максимальная температура,колебания температуры, количество и уровень запыленности), а с другой - достоинства и недостатки данной конструкции рекуператора (теплоустойчивость, газоплотность, засоряемость поверхности, габариты,стой -мость и др.) и экономичность ее применения на данной печи.
Основным уравнением для расчета рекуператора и определения его поверхности нагрева при заданной температуре подогрева воздуха и начальной температуре продуктов сгорания, а также требуемых расходах воздуха и продуктов сгорания, является уравнение теплопередачи: где Qg - количество тепла, переданное нагреваемому воздуху,Вт ; Zcp- средняя логарифмическая разность температур,К .
При известных значениях температур воздуха и продуктов сгорания величина / п определяется значением коэффициента теплопереда -чи,который для металлических рекуператоров равен:
Теплоотдача от продуктов сгорания к теплообменной поверхности рекуператора происходит как путем излучения,так и конвекцией.Следовательно, где о(пс 7о(пс - соответственно,коэффициенты теплоотдачи излуче нием и конвекцией ,Вт/м%.
Увеличение конвективной составляющей в теплоотдаче от про -дуктов сгорания связано с увеличением скорости движения последних и ограничено ростом аэродинамического сопротивления дымового тракта. Лучистая составляющая теплоотдачи определяется температурой и степенью черноты продуктов сгорания, а также наличием или отсут -ствием дополнительных излучающих поверхностей (кладки дымового канала, специальных излучающих вставок и т.п.).
При Ьпс 800С теплоотдача от продуктов сгорания определяется в основном конвекцией, а так как скорость продуктов сгорания в дымовых каналах промышленных печей всегда меньше скорости воздуха в рекуператоре, то фактором, лимитирующем величину коэффициента теплопередачи, является коэффициент теплоотдачи на стороне продуктов сгорания. Основным методом повышения теплоотдачи от продуктов сгорания в таком случае является исскуственная турбулизация продуктов сгорания у теплообменной поверхности рекуператора.Для увеличения количества тепла, переданного от продуктов сгорания к нагреваемому воздуху, в рекуператорах конвективного типа приходится идти на увеличение поверхности нагрева. Как показывает анализ ,Л727,при tnc JOOC увеличение подогрева воздуха от 250С до 500С приводит к необходимости увеличивать поверхность нагрева в 4 раза, что не всегда экономически целесообразно.
При температурах продуктов сгорания выше 900-Ю00С коэффициент теплоотдачи на стороне продуктов сгорания растет в основном за счет увеличения теплоотдачи излучением.В таких условиях теплопередача лимитируется теплоотдачей на воздушной стороне 72JT
В последние годы уделяется большое внимание поиску путей интенсификации теплообменных процессов при обтекании поверхностей воздухом с целью создания высокоэффективных, компактных рекупе -раторов, предназначенных для утилизации тепла отходящих продуктов сгорания промышленных печей.
Задача интенсификации конвективного теплообмена в промышленных рекуператорах должна рассматриваться совместно с вопросом о затратах энергии на перемещение теплообменивающихся сред.
Экспериментальная установка для исследования моделей струйных рекуператоров
Исследования проводились на опытном стенде Института газа АН УССР.Принципиальная схема стенда приведена на рис.2.1.Стенд представляет собой топочную камеру 13 размерами 1000x930x1950 мм, в торцевой стенке которой установлена скоростная напорная горелка 14.В боковой стене топочной камеры имеется отверстие,в котором устанавливалась экспериментальная струйная модель.
Струйная модель состоит из теплообменной поверхности I,образующей совместно с боковыми стенками 2 внешних кожух модели, который выполнен из нержавеющей стали марки I2XI8HI0T. Успокоительная камера 3, которая предназначена для выравнивания поля давле -ний воздуха перед перфорированной пластиной 4 с отверстиями 5 , перемещалась внутри внешнего кожуха по опорным салазкам 9 и фиксировалась на заданном растоянии от теплообменной поверхности упорными винтами (на рисунке не показаны) .Модель имела также подводящий б и отводящий 7 патрубки, съемную крышку 8 с отверстиями для отсасывающих термопар 10 и замера давления 12.
Воздух от вентилятора подводился через патрубок 6 (на кото -ром имелось отверстие для замера давления) в успокоительную камеру 3, в которой формировался поток с равномерным профилем скорости на входе в отверстия 5. Воздушные струи, истекая из осесиммет-ричных отверстий, расположенных в шахматном порядке, нормально ударяются о поверхность теплообмена I. Нагретый воздух отводился через верхнюю и нижнюю щели ( двухсторонний отвод ) или только через нижнюю щель ( односторонний отвод ), образованные стенками успокоительной камеры и внешнего кожуха модели, и через патрубок 7 поступал в атмосферу.
Расход воздуха измерялся ротационным счетчиком РГ 100 17 и холодный возрос экспериментальной установки для исследования струйного теплообмена. нормальной диафрагмой (на рисунке не показана).Скорость истечения воздуха из отверстий рассчитывалась по величине расхода воздуха на струйную модель как
При помощи стандартной пневмометрической трубки проведена предварительная проверка равномерности распределения скоростей воз -духа в выходных сечениях отверстий, которая показала незначи -тельные отклонения ( 3%) от среднего значения,рассчитанного по расходу воздуха, замеренному диафрагмой.
Перепад давления воздуха на модели измерялся U- образным манометром с водяным заполнением. Температура в камере измеря -лась оптическим пирометром 0ППИР-0І7, который визировался на стенку топочной камеры,противоположную той,в которой устанавливалась струйная модель, и отсасывающей термопарой (на рис.2.1 не показаны) . Тепловой поток Qn, падающий на теплообменную поверхность струйной модели, рассчитывался по общепринятой методике 6,71_7. Химический анализ продуктов сгорания проводился при помощи газоанализатора ГХП ЗМ.
Температура перфорированной поверхности струйной модели измерялась двумя зачеканенными. хромель-алюмелевыми термопарами 15, температура нагретого воздуха - двумя отсасывающими термопарами 10,которые вводились внутрь модели через специальные отверстия в крышке 8. Температура воздуха на входе в модель измерялась ртутным термометром 21.
class3 . РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЬНЫХ СТРУЙНЫХ РЕКУПЕ
РАТОРОВ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МОДУЛЬНЫХ СТРУЙНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ class3
Модульный принцип конструктивного решения струйных рекуператоров
Результаты экспериментального исследования модели струйного рекуператора легли в основу новой конструкции радиационного рекуператора, разработанной в Институте газа АН УССР и защищенной авторским свидетельством / 25_7.
Струйный рекуператор состоит из отдельных модулей,которые устанавливаются в дымовом канале печи, образуя одну из его стенок. Такая схема установки позволяет увеличить теплоотдачу от продуктов сгорания к теплообменной поверхности,так как в теплообмене участвует косвенный излучатель - кладка дымового канала.
На рис. 3.1. представлена схема модуля струйного рекуператора. Холодный воздух через подводящий патрубок I и диффузор 2 поступает в успокоительную камеру 3 откуда через отверстия 4 натекает отдельными струями на теплообменную поверхность , нагревается и отводится через щели б и 7 в П-образный воздухосборник 8 и через отводящий патрубок 9 выходит из рекуператора.
На рис.3.2. представлены возможные схемы соединения струйных модулей и установки их на промышленных печах.Схема установки выбирается в зависимости от конструкции печи и реализуемого в ней технологического процесса.
Принцип конструирования рекуператора на модульной основе позволяет по известным характеристикам одного модуля проектировать рекуператоры требуемой производительности, облегчает монтажные и ремонтные работы на промышленной печи.
Промышленное внедрение модульных струйных
Внедрение модульных струйных рекуператоров на нагревательных печах черной металлургии. Институтом газа АН УССР при участии автора в 1981 году проведена работа по совершенствованию системы утилизации тепла продуктов сгорания 42-х секционной печи цеха бесшовных труб Днепропетровского трубопрокатного завода им.Ленина.На этой печи производится нагрев труб перед редуцированием.Сжигание природного газа осуществляется двухпроводными горелками низкого давления ГНП-3,производительностью 16 м3А каждая.По тепловому режиму печь разделена на 6 зон,в каждой зоне по 7 секций.
Продукты сгорания после рекуператоров собираются в два общих борова,отдельных для зон 1,2,3 и 4,5,6 и с помощью двух дымососов типа Э-4 выбрасываются через две трубы высотой 25м в атмосферу.
До реконструкции подогрев воздуха осуществлялся в трех отдельно стоящих сдвоенных рекуператорах типа "Термоблок".Такие рекуператоры обладают рядом существенных конструктивных и эксплуатационных недостатков, основными из которых являются низкая газо -плотность,громоздкость, большой относительный вес,склонность к засорению дымовых каналов сажистым углеродом.
Опыт эксплуатации "термоблоков" показал,что они часто выходят из строя из-за перегрева поверхности рекуператора на стороне входа продуктов сгорания. Поэтому в дымовой канал перед "термоблоками" подается холодный воздух , что снижает температурный потенциал продуктов сгорания. Кроме того,вследствие неравномер -ности распределения воздуха и продуктов сгорания по каналам рекуператора , возможны местные перегревы и прогары поверхности нагрева и , как следствие , утечки воздуха . Это делает невоз -можным применение системы автоматического регулирования теплового режима печи.
Институтом газа АН УССР разработан и внедрен на секционной печи комбинированный рекуператор, состоящий из трубчатого рекуператора с двойной циркуляцией воздуха /J1ZJ] и модульного струйно -го рекуператора.
Первая очередь реконструкции предусматривала установку ком -бинированных рекуператоров на 3-й и 4-й зонах печи. Схема установки рекуператоров представлена на рис. 4.1. Воздух подается сначала в конвективную часть - трубчатый рекуператор,а потом догре-вается в радиационной части - двух соединенных параллельно струйных модулях,которые устанавливаются первыми по ходу продуктов сгорания.
Программой исследований работы рекуператоров на печи предусматривалось определение аэродинамического сопротивления воздушного и дымового трактов и определение тепловых характеристик рекуператоров. Исследования проводились во время холостого хода печи и при нагреве труб 0 83 х 3,5.
В дымовом канале перед радиационной частью рекуператора отбирались пробы для анализа состава продуктов сгорания на газоанализаторе ГХП-ЗМ.
В период исследований температура в рабочем пространстве 3-й зоны изменялась от 1300 до 1370С, в 4-й зоне - 1250-1300С.
Несмотря на высокую температуру уходящих из печи продук -тов сгорания,температура в дымовом канале перед модульными струйными рекуператорами не превышала 900С. Это объясняется подсосами холодного воздуха через неплотности кладки печи вокруг транспортирующих роликов и неплотности кладки дымовых каналов.
