Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ..... 9
1.1. Особенности конструкции и тепловой работы камерных термических печей 9
1.2. Особенности тепловой работы туннельных обжиговых печей. 13
1.3. Способы осуществления рециркуляции греющих газов в рабочем пространстве печи. ....... 16
1.4. Конструкции скоростных газогорелочных устройств для рециркуляционных печей ........... 29
1.5. Постановка задач исследования. . 42
Глава 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО КОНТУРА С АКТИВНОЙ СТРУЕЙ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ. 44
2.1. Аналитическое исследование кратности рециркуляции как функции режимных и геометрических параметров рециркуляционного контура 44
2.2. Определение необходимой кратности рециркуляции . 61
2.3. Аналитическое исследование системы дымоудаления рециркуляционной камерной печи .70
2.4. Экспериментальное исследование горизонтального рециркуляционного контура со скоростными горелками 73
2.5. Экспериментальное исследование вертикального рециркуляционного контура со скоростными горелками. . 85
2.6. Выводы по главе 2 93
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ПРЯМОТОЧНЫХ НЕИЗОТЕР-МИЧЕСКИХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СТРУЙ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В СРЕДЕ ДРУГОЙ ПЛОТНОСТИ. . 96
3.1. Постановка задачи и методика эксперимента. 96
3.2. Обсуждение результатов эксперимента ІОІ
3.3. Выводы по главе 3 121
Глава 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПЛАМЕННЫХ ПЕЧЕЙ 123
4.1. Конструктивные признаки и особенности туннельной напорной горелки. .... 123
4.2. Определение режимных параметров горелки 127
4.3. Выбор материала для камеры сгорания напорной горелки. . 134
4.4. Экспериментальное исследование туннельных напорных горелок. 136
4.5. Экспериментальное исследование бестуннельной напорной горелки .157
4.6. Выводы по главе 4. 161
Глава 5. ОПЫТ ПРИІУІЕНЕНИЯ РЕЦИРКУЛЯЩЮННОИ СХШ ДВИЖЕНИЯ ГРЕЮЩИХ ГАЗОВ СО СКОРОСТНЫМИ ГОРЕЛКАМИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ. . 163
5.1. Реконструкция и совершенствование камерных термических печей с внешней механизацией и выдвижным подом 163
5.2. Применение скоростных горелок при обжиге строительной керамики, кирпича и огнеупорных изделий. 204
5.3. Выводы по главе 5 213
Общие выводы 215
Литература .218
- Особенности конструкции и тепловой работы камерных термических печей
- Аналитическое исследование кратности рециркуляции как функции режимных и геометрических параметров рециркуляционного контура
- Постановка задачи и методика эксперимента.
- Конструктивные признаки и особенности туннельной напорной горелки.
- Реконструкция и совершенствование камерных термических печей с внешней механизацией и выдвижным подом
Введение к работе
Промышленные печи являются крупным технологическим потребителем природного газа, используя около 80 млрд.м5 его в качестве топлива /I/. Среди них большое место занимают печи для тепловой технологической обработки изделий и материалов. Это, в частности, камерные термические печи для обработки металла и туннельные печи для обжига различных изделий из керамики, строительных материалов. Только в машиностроении насчитывается около 100 тысяч пламенных печей, в которых обрабатывается более 70$ всего металла отрасли /2/. Несмотря на то, что конструкции этих печей разнообразны они далеки от совершенства и в основном не соответствуют высоким требованиям, предъявляемым к качеству нагрева. Коэффициент полезного действия печей низок, 5*15%, и лишь в отдельных случаях достигает 25% /3/. Средний удельный расход условного топлива в термических печах по стране составляет 160 кг у т на тонну металла, а по туннельным обжиговым печам - 200 кг у т на 1000 шт. условного кирпича. Это значительно превышает показатели многих капиталистических стран /4, 5/.
Расширение номенклатуры изделий высокого качества, неоохо-димость снижения удельных затрат тепла на технологические операции, повышение эффективности тепловой работы печей выдвигают в число важных народно-хозяйственных задач создание современного печного оборудования, соответствующего все возрастающим требованиям технологии.
Настоящая работа посвящена разработке и исследованию эффективного теплотехнологического оборудования с интенсивной циркуляцией греющих газов, в частности, камерных термических печей точного нагрева.
Качественный нагрев обеспечивается созданием равномерного температурного поля вокруг нагреваемого тела в сочетании с регулируемой скоростью нагрева. Однако, несовершенство существующих способов отопления печей, несоответствие аэродинамики греющих газов и интенсивности теплообмена поставленной технологической задаче делают равномерность температурного поля трудно достижимой. В связи с этим актуальными становятся поиск новых принципов создания эффективных термических печей и разработка их конструкций. К числу перспективных направлений в печестроении относится разработка печей с внутренней рециркуляцией греющих газов, заключающейся в интенсивном перемешивании печных газов с поступающим в печь высокотемпературным теплоносителем и получении в течение всего цикла термообработки греющей среды с высокой равномерностью температур во всем объеме. Рециркуляция газов в печи может осуществляться за счет механической энергии встроенных в стенки печи вентиляторов, или за счет кинетической энергии газовых струй
В камерных термических печах обычно используют струйный способ создания рециркуляции. В качестве активного агента,как правило, применяются топливно-воздушные или воздушные струи /7/.Несмотря на известные достоинства таких рециркуляционных печей, они не экономичны. Расход топлива в них увеличен вследствие больших избытков воздуха (3,0 и более). Традиционно это оправдывают невозможностью осуществления интенсивной рециркуляции при снижении тепловой мощности печи на выдержке, особенно низкотемпературной. Выбор агента определяет и обязательные конструктивные решения: рециркуляционные каналы в кладке, инжекционные смесители, воздушные сопла - значительно усложняющие кладку и снижающие эффективность тепловой работы.
Опыт применения внутренней поперечной рециркуляции газов в туннельных обжиговых печах ограничивается, в основном зоной подогрева, где при температуре греющей среды 323-773 К используется механическая энергия встроенных в стенки печи вентиляторов /8/.
Эффективным способом создания рециркуляции является использование в качестве инжектирующего агента высокотемпературной скоростной струи продуктов сгорания. Широкое распространение этого способа сдерживается отсутствием обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных режимных и геометрических параметров такого рециркуляционного контура и надежных горелок, создающих струи с высокой кинетической энергией.
В основу выполненных в настоящей работе разработок положены следующие принципиально новые соображения:
Источником энергии для приведения греющих газов в интенсивное круговое движение вокруг садки в течение всех периодов термообработки может быть струя высокотемпературных продуктов сгорания.
Генератором высококинетических струй продуктов сгорания могут служить специальные газогорелочные устройства - скоростные горелки.
Рециркуляционный контур такой печи должен выполняться без рециркуляционных каналов в боковых стенах и специальных инжекци-онных смесителей.
Интенсивность и эффективность рециркуляции греющих газов в печи является функцией энергетических параметров струй продуктов сгорания, геометрических параметров проточной части горе-лочных устройств, проходных сечений для греющей среды и дымо-отводящей системы.
При снижении тепловой мощности печи равномерность температур должна поддерживаться только за счет энергии струй продуктов сгорания близкой к стехиометрической газовоздушной смеси при создании и поддержании небольшого избыточного давления на уровне пода.
В диссертационной работе показаны: высокая эффективность рециркуляционных печей со скоростными горелками, возможность снижения удельных затрат тепла на термообработку и уменьшения капитальных затрат по сравнению с применяемыми традиционными схемами рециркуляционных печей.
Экспериментально получены аэродинамические и температурные характеристики струй продуктов сгорания и дана оценка их применимости в рециркуляционных контурах камерных термических и туннельных обжиговых печей.
Разработаны конструкции скоростных горелок для рециркуляционных термических и туннельных обжиговых печей.
Создан ряд скоростных горелок типа ГН /ГНН/ и ГНБ для среднего и низкого давления газа производительностью от 2 м3/ч до 50 иг/ч природного газа. Предложен и подтвержден экспериментально метод расчета скоростных горелок с керамическим огнеупорным туннелем.
Разработан и исследован рециркуляционный контур со скоростными горелками с учетом энергетических и геометрических параметров горелки, проточной части рабочего пространства печи и дымоот-водящей системы.
Создана пламенная камерная термическая печь точного нагрева. Основные положения и выводы настоящей работы использованы при реконструкции камерных термических печей Уральского завода химического машиностроения, Никопольского южнотрубного металлургического завода и др., при строительстве роликовой печи Харьковского плиточного завода, на туннельной обжиговой печи завода-автомата ПО "Победа" (г.Ленинград) и ряде других заводов.
Результаты работы используются проектными институтами СО ВНИПИТеплопроект, Южгипростром и др.
По теме диссертации опубликовано 17- статей, I брошюра, получено 3 авторских свидетельства. Материалы диссертации обсуждены на II конференциях и семинарах, в том числе 7 всесоюзных.
Диссертация состоит из оглавления, введения, 5 глав, выводов. Содержит 244 страниц, в том числе 69 таблиц, 29 рисунков. Список литературы включает 177 наименований, из них 59 иностранных источников. Внедрение результатов работы подтверждено документами, приведенными в приложении.
Особенности конструкции и тепловой работы камерных термических печей
Камерные термические печи являются универсальными теплотех-нологическими агрегатами периодического действия и широко используются для термической обработки труб, листовой стали, поковок и других изделий из черного и цветного металла. По способу загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий они делятся на печи с внешней механизацией и печи с выдвижным подом.
Печи с внешней механизацией в большинстве случаев имеют канализированный под, топочные устройства располагаются на уровне этих каналов и продукты сгорания поступают в рабочее пространство печи через отверстия в подине. Изделия через загрузочное окно укладываются с помощью шаржир-машины прямо на подину или в бугеля.
В печах с выдвижным подом газогорелочные устройства или выносные топки имеют непосредственный выход в рабочее пространство печи, где садка состоящая из отдельных или уложенных в бугеля деталей устанавливается на выдвижной под с помощью крана на специальные подставки. Факел направляется под садку и под свод так, чтобы избежать прямого попадания на садку и исключить местные перегревы металла. Размеры и форма проточной части рабочего объема печи зависят от формы и габаритов садки и степени загруженности печи.
Технологические режимы для камерных печей задаются температурными графиками и могут быть простыми или сложными в зависимости от вида термообработки и марки металла. Простой режим состоит из одного периода нагрева при постоянной тепловой мощности печи или постоянной скорости нагрева до заданной температуры и последующей выдержки при постоянной температуре печи. Сложные режимы термообработки представляют собой многоступенчатые графики нагрева и охлаждения с промежуточными стадиями выдержки при разных температурах. Температурный интервал режимов термообработки составляет 573 14-23 К. Продолжительность цикла термообработки состоит из времени подъема /охлаждения/ поверхности садки до заданной температуры, времени выравнивания температуры по объему садки и времени технологической выдержки, в течение которой происходят необходимые структурные превращения в металле или снятие термических напряжений Обычно временем нагрева считается суммарное время подъема температуры и ее выравнивания, т.е. время, в течение которого происходит поглощение тепла металлом.
Аналитическое исследование кратности рециркуляции как функции режимных и геометрических параметров рециркуляционного контура
В смесительной камере I осуществляется подготовка греющей среды. Камера содержит горелочное устройство I, смесительный канал 2 и дымовой канал 5. В теплообменной камере ЇЇ устанавливается теплообменник б. Камеры разделены перегородкой 7, в которой на уровне пода и горелки имеются отверстия 3 и 4 для ввода греющей смеси в камеру U и последующего ввода ее в канал Г. По такой схеме могут работать высокотемпературные металлические воздухоподогреватели с самостоятельным отоплением для нужд, например, металлургического химического, огнеупорного и др. производств /152/. Отличительной особенностью этого контура от рассмотренного выше является неодинаковость давлений на уровне отверстий 3 и 4 и вывод дымовых газов в отверстие, расположенное на выходе греющей смеси из смесительной камеры. Это означает, что температура уходящих дымовых газов равна температуре греющей среды на входе в теплообменную камеру, Т.6. 7L = Тем .
Постановка задачи и методика эксперимента
Продукты сгорания частично подготовленной газовоздушной смеси, получаемые в камерах сгорания скоростных горелок, образуют вместе с догорающими остатками непрореагировавшей смеси сложную многокомпонентную струю, истекающую в рабочее пространство печи, заполненное дымовыми газами большей плотности. Изучение аэродинамики такой струи является одним из важных этапов в исследовании тепло- и массообменных процессов, протекающих в рабочем пространстве пламенных печей, в том числе и рециркуляционных. Аэродинамическая сторона процесса связана здесь прежде всего с интенсивным турбулентным обменом струи с окружающей средой и исключением за счет этого влияния избыточной температуры струи на равномерность температурного поля по поверхности нагреваемого тела. При изучении различных струйных течений в печах в качестве эталонной принимается обычно свободная изотермическая струя однородного несжимаемого газа, закономерности течения которой хорошо изучены. Большую роль в развитии теории свободных турбулентных струй и ее инженерных приложений сыграли работы Г.Н.Абрамовича / 49, 147/, где в основу расчета положен метод погранич ного турбулентного слоя конечной толщины, а также работы Л.А.Ву-лиса и сотрудников /157/, в которых предпочтение отдано теории асимптотического бесконечного слоя. При разработке теории сжимаемых теплых струй Абрамовичем Г.Н. за основу принимается допущение о подобии профилей скорости, температур и концентраций, т.е. сохраняются предпосылки принятые при разработке теории струй несжимаемой жидкости. Л.А.Вулис, напротив, считает основным предположение о подобии профилей потока импульса SrPWdF-const и теплосодержания (рср W/JhF const ПРИ Р =const таккб Б этом случае приходим к подобию полей скорости в несжимаемой струе. Предположение об универсальности профиля потока импульса в струе нашло экспериментальное подтверждение в дальнейших работах Ершина Ш.А., Сакипова З.Б. и др. /159, 160/. В работе /158/ по основному участку показано, что универсальность температурных и концентрационных полей в сжимаемых струях не соблюдается, однако вследствие незначительной разницы в температурах окружающей среды и струи количественная связь не установлена.
class4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПЛАМЕННЫХ ПЕЧЕЙ class4
Конструктивные признаки и особенности туннельной напорной горелки
Напорные горелки по способу подачи газа и воздуха относятся к двухпроводным газовым горелкам. Двухпроводные горелки имеют широкие пределы регулирования, могут работать на подогретом газе и воздухе, при повышенном противодавлении топки, имеют сравнительно небольшие габариты, удобны и надежны при автоматическом регулировании теплового и температурного режима работы печи.
Основные технологические узлы горелки на схеме: камера сгорания I , смеситель 2, воздухоподводящий патрубок 3 и газовое сопло 4. Газовоздушная смесь через носик горелки Дн поступает в камеру сгорания со входным диаметром Дт; где поджигается запальным устройством, вводимым в камеру через розжиговое отверстие 7. Роль стабилизатора процесса горения выполняют здесь рециркуляционные потоки, образующиеся при Дт Дн, высокотемпературные стенки 5 камеры сгорания и выходное сопло камеры сгорания с диаметром Двт Д!р. Продукты сгорания покидают камеру сгорания через выходное сопло, диаметр Двт которого определяется требуемыми параметрами рециркуляционного контура. Выходное отверстие смесителя, так называемый носик горелки, является одним из важнейших элементов горелки, т.к. предназначен для ввода воздушной смеси в камеру сгорания с равномерной скоростью. Диаметр его Дн рассчитывается из обеспечения требуемой скорости во всем диапазоне регулирования производительности горелки при располагаемом давлении газовоздушной смеси. Чем шире диапазон регулирования, тем большую скорость требуется обеспечить при форсировке нагрузки. При минимальных расходах смеси скорость истечения должна превышать скорость распространения пламени, чтобы избежать проскоков в смеситель. Поэтому оптимальной величиной при расчете этих горелок является скорость газовоздушной смеси 20-30 м/с. Длина смесителя горелки определяется требуемой степенью подготовки газовоздушной смеси и зависит от длины пути перемешивания газовых струй с воздушным потоком, следовательно, от калибра газовых отверстий. Количество отверстий в газовом сопле Пг определяется мощностью горелки, требуемой степенью подготовки газовоздушной смеси и располагаемым давлением газа перед горелкой /35 /. Пережатое выходное отверстие в туннеле определяет повышенные давления внутри его камеры сгорания, что при высокой теплонапряженнос-ти объема камеры обусловливает жесткие требования к газоплотности и жаростойкости горелочного туннеля и корпуса 6.
Реконструкция и совершенствование камерных термических печей с внешней механизацией и выдвижным подом
Печь с внешней механизацией Никопольского Южнотрубного металлургического завода для термообработки труб. Горизонтальные камерные печи с внешней механизацией применяются для термообработки длинномерных изделий {например, труб) и отличаются небольшой производительностью. Наиболее распространенными конструкциями являются печи с нижними /или выносными/ топками и подовыми каналами с различными схемами расположения отверстий для подачи греющих газов в рабочее пространство печи. Основным недостатком тепловой работы таких печей является высокая, свыше 100 градусов, неравномерность нагрева, что не обеспечивает требуемого качества термообработки»
Примером такой конструкции является камерная отжигательная печь с внешней механизацией термического участка трубопрокатного цеха № 2 Никопольского Южнотрубного металлургического завода (рис.5.I). Печь предназначена для отпуска котельных труб и работает по следующему режиму: нагрев до 730-760С за время до 9 часов с последующей выдержкой: для стали ЭИ-712 в течение 2 ч.,для стали І5ХІМІФ- 10 ч. Проектная единовременная садка печи 20 т. Среднечасовой расход природного газа при сжигании его в 17-ти двухпроводных туннельных горелках (тип ГНП-4) составлял 200 м /ч. Горелки располагались в шахматном порядке вдоль боковых стен печи ниже уровня пода в подовых каналах. Продукты сгорания поступали в рабочее пространство печи через вертикальные ниши в боковых стенах печи. Дымовые газы удалялись из печи через 32 дымовых канала, общая площадь сечения которых равнялась 0,96 м , что при площади пода печи 38 ьг составляло 2,5%. Низкие скорости движения греющих газов, большая площадь дымоотводящих каналов, ребристость стен, отсутствие избыточного давления на уровне пода и взаимное несоответствие режимных и геометрических параметров горелок, подовых каналов и их входного и выходного участков приводило к высокой, до 100 град., неравномерности нагрева и напряженному режиму работы подподовых каналов.
