Введение к работе
Актуальность темы. В машиностроительной, авиационной промышленности для термообработки изделий широко применяют термические печи с радиационными трубами, в которых топливо сжигается внутри радиационных труб, благодаря чему исключается контакт продуктов сгорания с нагреваемой поверхностью металла. Это позволяет значительно уменьшить потери металла от окисления и обезуглероживания, повысить эффективность и качество термообработки изделий.
По сравнению с термическими печами, где для нагрева и тепловой обработки изделий используют электрообогрев, применение печей с радиационными трубами считается менее затратным и более выгодным вследствие прямого использования первичного топлива.
Применение печей указанного типа обусловлено их универсальностью, приемлемой для термической и химико-термической обработки металла.
В термических цехах потребление топлива, которое составляет до 19 % от общего его расхода на предприятии, характеризуется низким коэффициентом теплоиспользования. Проведенные ООО «ВНИИПРОМГАЗ», МИСиС, ОАО «Теплопроект» и Омским государственным университетом путей сообщения, обследования печного хозяйства ряда предприятий машиностроительной промышленности показали, что это объясняется, прежде всего, низким техническим уровнем термических печей. Печи имеют несовершенные тепловые схемы. Потери теплоты с уходящими газами составляют от 40 до 70 % от общего расхода тепла на печь, термический КПД печей - от 8 до 17 %. Это приводит к высоким значениям удельного расхода топлива на нагрев и термообработку металла. Поэтому актуальной является задача значительного снижения расхода топлива.
Большой вклад в теорию и практику повышения эффективности использования топлива внесли Рафалович И. М., Кривандин В. А.,Щукин А. А., Тебеньков Б. П., Еринов А. Е., Розенгарт Ю. И., Торопов Е. В. и др. Работы этих ученых создали предпосылки и большие возможности для переустройства в организации и оформлении технологического процесса нагрева и термообработки металла, повышения технико-экономических показателей работы печных агрегатов.
Актуальность разработки вопросов, связанных с повышением эффективности работы термических печей, отвечает Федеральному закону РФ № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» от 23 ноября 2009 г.
Цель работы: научное обоснование, разработка методики и алгоритма оптимизации тепловой работы радиационных труб термических печей, обеспечивающих снижение удельного расхода топлива и стоимости тепловой обработки изделий.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
выполнен анализ существующих методов и технических решений по повышению эффективности работы термических печей;
-
разработана математическая модель тепловой работы радиационной трубы термической печи;
-
разработана методика технико-экономической оптимизации рекуперации теплоты уходящих газов термических печей с радиационными трубами;
-
разработаны алгоритм и программное обеспечение для определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей;
-
проведены численные исследования тепловой работы радиационной трубы термической печи, дана оценка целесообразности и эффективности практического использования предложенных разработок.
Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования и численного решения оптимизационных задач, нелинейного программирования, современные методы технико-экономических расчетов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
предложены методические положения исследования термических печей с радиационными трубами для достижения оптимальных показателей их работы;
-
предложена эффективная математическая модель тепловой работы радиационной трубы термической печи для решения задачи оптимизации ее работы;
-
разработана методика оптимизации тепловой работы радиационных труб термических печей;
-
разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей.
Достоверность результатов исследований базируется на строго доказанных фундаментальных положениях теплофизики, общей теории печей, математического моделирования.
Практическая ценность диссертации. Созданные методика, алгоритм и программное обеспечение позволяют решить задачу повышения эффектив-
ности работы термических печей с радиационными трубами как при проектировании новых, так и реконструкции существующих печей.
Рекомендации по проектированию термических печей с радиационными трубами внедрены в ФГУП ОМО им П. И. Баранова (г. Омск); разработанные методика и алгоритм расчета используются в учебном процессе кафедры «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «ОмГУПС».
На защиту выносятся:
-
математическая модель тепловой работы радиационной трубы термической печи;
-
методика технико-экономической оптимизации рекуперации теплоты уходящих газов термических печей;
-
алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей;
-
результаты исследований по оптимизации тепловой работы термической печи с радиационными трубами;
-
результаты оценки технико-экономической эффективности и экологи-чности разработанных решений при модернизации термической печи с радиационными трубами.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке проекта реконструкции термической печи с радиационными трубами в ФГУП ОМО им П. И. Баранова.
Фактическое использование материалов диссертационной работы подтверждено актом передачи научно-технической продукции.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 конференциях: всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2007 - 2010), II всероссийской молодежной научно-технической конференции «Передовые технологии» (Омск, 2009), XI всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2009), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях» (Омск, 2010), международной научно-практической конференции «Энергоэффективность» (Омск, 2010), научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге» (Омск, 2010), научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса» (Омск, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, из них четыре публикации - в изданиях, указанных в перечне ВАК, получено свидетельство о государственной регистрации на разработанный программный продукт.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 154 наименований и приложений, содержит 158 страниц основного текста, 17 рисунков и девять таблиц.
