Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности использования топлива является важнейшей задачей современного производства. Во многих отраслях.промышленности выпуск продукции тесно связан с тепловой обработкой разнообразных деталей и заготовок, проводимой в печах различных конструкций. Печи являются относительно ннзкоэкоио-мичным видом оборудования и, имея широкое распространение, являются одними из основных потребителей топлива, Для повышения технико-экономических характеристик печей, эффективности использования топлива и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу перспективным следует считать использование в них сильно закрученных тугбулентных потоков теплоносителей. Такие потоки наиболее просто могут быть генерированы в циклонных нагревательных устройствах. Интенсификация процессов термообработки в них достигается, прежде всего, за счет повышения доли" конвективного теплообмена в общем тепловом потоке к нагреваемому изделию и стенкам рабочего об ема. Закрученный поток греющих газов способствует также улучшению равномерности и качества нагрева, снижению тепловой инерционности печи, открывает широкие возможности для автоматизации управления тепловым режимом - что пояностьв соответствует наиболее перспективным направлениям в развитии нагревательных устройств. В практике термообработки часто нагрев длинномерных заготовок осуществляется в печах с секционированным рабочим объемом, что не всегда экономически.обосновано и целесообразно. Использование нее для этой цели циклонных нагревательных устройств с большой относительной длиной рабочего объема сдерживается из-за отсутствия данных, необходимых для разработки научно обоснованных рекомендаций по их конструированию И расчету.
Работа выполнена в соответствии с программой 0.01.11 ГКНТ СССР, а также с программой ВНПО "Союзпромгаз" по заказ-наряду Иин-газпрома на 1986-1990 гг. (N 2-2-59/В6-90).
. Цель работы -создание инженерной методики р&>чета и разработка рекомендаций по проектирований циклонные нагревательных устройств с повышенной эффективностью использования топлива на основе исследования их аэродинамики, конвективного теплообмена, оптимизации относительной длины и других геометрических и. режимных характеристик.
Методы исследования. В аэродинамических экспериментах применялись зондовые методы исследования. Поверхностное трение определяли методом "трубка-выступ". Конвективный теплообмен исследован по методике, основанной на изменении агрегатного состояния греющего агента- конденсации водяного пара. Аппроксимация результатов экспериментов выполнена методами парного и множественного корреляционного анализов. При анализе теплоотдачи использована теория подобия и гидродинамическая теория теплообмена. Решение аэродинамической задачи выполнено методом Рунге-Кутта. В инженерной методике расчета циклонных нагревательных устройств на ЗВИ использован итерационный метод численного решения системы нелинейных алгебраических и трансцендентного уравнений.
Научная новизна. Впервые в систематизированном виде выполнено экспериментальное изучение распределений осредненных параметров патока в рабочем объеме и локальных характеристик в пристенном пограничном слое циклонного нагревательного устройства большой относительной длины с одно- и разносторонним вводом и выводом газов. В соответствий с принятой моделью струйного течения рещена задача о движении циклонного потока на вогнутой поверхности рабочего объема. Экспериментально исследован конвективный теплообмен на боковой поверхности рабочего объема и поверхности соосно расположенной в нем цилиндрической заготовки при варьировании режимных ч геометрических характеристик циклонного нагревательного устройства. Двумя способами на основе метода гидродинамической теории теплообмена решена задача о теплоотдаче на боковой поверхности рабочего объема. С ис-і
пользованием результатов решений и обобщений экспериментальных данных разработаны математическая модель и инженерная методика расчета циклонных нагревательных устройств, реализованные на ЭВМ. Получены рекомендации по проектированию циклонных нагревательных устройств с оптимизированной длиной и другими геометрическими и режимными характеристиками, обеспечивающих значительную экономию топлива и снижение негативного воздействия на окружающую среду. Автор защищает:
-
Результаты экспериментального исследования распределений осредненных и локальных параметров почока в рабочем объеме циклонных нагревательных устройств большой относительной длины; установленные закономерности их изменения в зависимости от относительной длины рабочего объема и режимных характеристик циклонного нагревательного устройства;
-
Схему расчета аэродинамических характеристик циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, основанную на результатах обобщений опытных данных и решении задачи о движении газа в периферийной зоне их рабочего объема;
-
Результаты экспериментального исследования конвективного теплообмена на поверхности рабочего объема и соосно расположенной в нем заготовки; обойденные уравнения подобия для расчета коэффициентов теплоотдачи на поверхности заготовки и камеры;
-
Схему расчета теплоотдачи на боковой поверхности рабочего объема циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, основанную на гидродинамической теории теплообмена, обобщениях результатов исследования аэродинамики и конвективного теплообмена;
-
Методику инженерного расчета циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, включающую энергозкшогоэконо-
мическую оптимизацию размеров их рабочего объема и режимных характеристик, рекомендации по проектированию и программу расчета на ЭВМ
Практическую ценность работы определяет разработанная в ней методика инженерного расчета циклонных нагревательных устройств большой относительной длины с повышенной эффективностью использования топлива, обеспечивающих минимальное количество выбросов вредных веществ в атмосферу, и рекомендации по их проектированию.
Реализация. Результаты работы использованы ДАООТ "Промгаз" при разработке с участием автора и внедрении в производство циклонной печи для нагрева штанг перед прессножницами, сушильной установки для подогрева труб (передвижное циклонное нагревательное устройство для осушки внешней поверхности магистральных газопроводов перед нанесением изоляции) и рекуперативных воэдухоохлаздаемых горелок. Но-еизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами. Результаты исследований отражены в двух учебных пособиях и используются в учебном процессе. Методика расчета циклонных нагревательных устройств реализована в nporpai te для персонального компьютера IBM PC/AT 488. На основе разработанной с участием автора конструкции теплообменного элемента, экспонировавшейся на ВДНХ СССР в качестве научно-технического достижения, спроектирован блок циклонных модульных рекуператоров, переданный ряду промышленных предприятий и Архангельскому ЦНТИ для внедрония.
Апробация работы. Основные разделы работы представлялись и докладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Разработка и исследования новых типов энерготехнологических и теплоутилизационных установок с глубоким использованием вторичных энергоресурсов" (Баку, 1985 г.); I и III Всесоюзных научных конференциях "Проблемы энергетики теплотехнологии" (Москва, МЭИ, 1983 и 1991 гг.); IV и V Всесоюзных научно-технических конференциях по исследованию вихревого эффекта и его применению в технике (Куйбышев, КуАИ, 1983 и 1988 гг.); Зональной конференции "Технологические аспекты охраны окрукаюїдей среды" (Пенза, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической 6
конференции "Интенсивное энергосбережение с промышленной теплотєх-нологии" (Москва, МЭИ, 1991 г.); Международной конференции "Ин»е-'нерные проблемы экологии" (Вологда, ВИИ, 1993 г.) а также научно-технических конференциях АЛТ11 и АГТУ п 1905-1995 гг. В полном объеме работа докладывалась с АГТУ, ДАООТ "Промгаз", СГТУ.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в Э научных статьях, 7 тезисах конференций, двух учебных пособиях; 3 технических решения признаны изобретениями.
Объем работы.. Материал диссертации изложен на 144 страницах, содеркит 65 рисунков, 15 таблиц, состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Библиография включает 154 наименования.