Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные стекловаренные печи для производства тарного стекла и способы повышения их энергетической эффективности 10
1.1. Устройство стекловаренной печи 10
1.2. Устройство выработочного канала и каналов питателей 12
1.3. Способы повышения энергетической эффективности стекловаренных печей 16
1.3.1. Увеличение удельного съема стекломассы 16
1.3.2. Тепловая изоляция и использование потерь теплоты через принудительно охлаждаемые участки обмуровки 19
1.3.3. Подогрев воздуха и топлива 21
1.3.4. Подогрев шихты и стеклобоя 22
1.3.5. Использование кислорода для отопления печи 24
1.3.6. Термохимическая регенерация 25
1.3.7. Внешнее теплоиспользование 26
1.3.8. Использование теплоты стекломассы в выработочном канале 27
1.3.9. Повышение качества стекломассы 28
1.4. Выводы по главе 1 29
Глава 2. Тепловые схемы стекловаренной печи с использованием теплоты стекломассы в выработочном канале 31
2.1. Базовая тепловая схема 31
2.1.1. Материальный баланс процесса стеклообразования 32
2.1.2. Материальный баланс горения природного газа 34
2.1.3. Тепловой баланс варочной части стекловаренной печи 35
2.1.4. Тепловой баланс подогревателя воздуха и подогревателя шихты 38
2.1.5. Расчет потерь теплоты через наружные ограждения выработочного канала 39
2.1.6. Тепловой баланс выработочного канала 42
2.2. Выбор и обоснование принципа использования теплоты стекломассы 43
2.3. Тепловая схема с использованием теплоты стекломассы для осуществления паровой конверсии природного газа 46
2.3.1. Материальный баланс процесса паровой конверсии природного газа 47
2.3.2. Тепловой баланс реактора паровой конверсии 49
2.3.3. Тепловой баланс подогревателя смеси и испарителя 50
2.3.4. Тепловой баланс выработочного канала 51
2.3.5. Тепловой баланс варочной части стекловаренной печи 52
2.4. Тепловая схема с использованием теплоты стекломассы для подогрева шихты 53
2.5. Тепловая схема с использованием теплоты стекломассы для получения пара и выработки электроэнергии 55
2.6. Выводы по главе 2 57
Глава 3. Расчет и моделирование теплообмена в выработочном канале 58
3.1. Расчет теплообмена между поверхностью стекломассы, обмуровки и дымовыми газами 58
3.2. Моделирование теплообмена в продольном сечении потока стекломассы 60
3.2.1. Теплофизические свойства стекломассы 60
3.2.2. Основные допущения 61
3.2.3. Постановки задачи и создание математической модели в ANSYS Fluent 63
3.2.4. Распределение температур по высоте слоя стекломассы при постоянной плотности теплового потока 64
3.2.5. Уменьшение температурной неоднородности по высоте слоя стекломассы на участке выдержки 67
3.2.6. Влияние потерь в окружающую среду через наружные ограждения на температурную однородность стекломассы 71
3.3. Моделирование теплообмена в потоке стекломассы 75
3.3.1. Постановка задачи и создание математической модели в ANSYS Fluent 75
3.3.2. Расчетные исследования 77
3.3.3. Выводы по результатам расчетных исследований 82
3.4. Моделирование сопряженного теплообмена в потоке стекломассы и в газовом объеме 84
3.4.1. Выбор модели турбулентности 84
3.4.2. Постановка задачи и создание математической модели в ANSYS Fluent 85
3.4.3. Расчетные исследования 87
3.4.4. Выводы по результатам расчетных исследований 89
3.5. Выводы по главе 3 90
Глава 4. Кондиционирование стекломассы на поверхности расплавленного металла 92
4.1. Исследование процесса кондиционирования стекломассы на поверхности расплавленного металла средствами вычислительной гидродинамики 92
4.1.1. Гидравлический расчет канала питателя 92
4.1.2. Выбор расплавленного металла 94
4.1.3. Моделирование свободной конвекции в слое расплавленной меди 96
4.1.4. Моделирование теплообмена в канале питателя 98
4.2. Экспериментальное исследование взаимодействия расплавленного металла со стекломассой и газовой атмосферой каналов питателей 103
4.2.1. Описание методики экспериментов 103
4.2.2. Результаты экспериментов 106
4.3. Выводы по главе 4 108
Выводы 109
Список литературы 111
- Устройство выработочного канала и каналов питателей
- Выбор и обоснование принципа использования теплоты стекломассы
- Постановка задачи и создание математической модели в ANSYS Fluent
- Моделирование теплообмена в канале питателя
Введение к работе
Актуальность темы. Производство тарного стекла - крупнейшая подотрасль стекольной промышленности. Объем производства тарного стекла в России составляет около 7 млн. т в год при суммарном объеме производства стекла всех видов 13 млн. т в год. В России работают около 80 печей для выработки тарного стекла производительностью до 600 т/сутки.
На варку стекла в стекловаренных печах расходуется не менее 4,5 ГДж на тонну сваренной стекломассы, что составляет 60-80% от общей энергоемкости производства стекла. Теоретический минимум затрат на стекловарение составляет 2,1 ГДж на тонну стекломассы. Следовательно, потенциал энергосбережения составляет более 50%, или 0,57 млн. ту. т. в год для всей отрасли производства тарного стекла.
Большое количество работ посвящено разработке способов повышения энергетической эффективности стекловаренных печей. В данной работе рассмотрено использование теплоты, которая теряется при охлаждении стекломассы в выработочных каналах печи. Этот способ мало исследован, однако обеспечивает снижение затрат энергии на варку стекломассы на 5...7% при небольших капитальных затратах и обеспечении качества вырабатываемого стекла.
Объект исследования. Регенеративная пламенная стекловаренная печь для производства тарного стекла с выработанными каналами и каналами питателей.
Методы исследования. Расчеты гидродинамики и теплообмена в выработочных каналах производились средствами математического моделирования в программном комплексе ANSYS Fluent. Взаимодействие расплава стекла, меди и атмосферы исследовалось экспериментально, в лабораторной высокотемпературной печи.
Цель и задачи работы. Цель работы - разработка способов повышения энергетической и технологической эффективности производства стекла путем использования теплоты, которая теряется при охлаждении стекломассы в выработочных каналах печи, и повышения термической однородности стекломассы Реализация цели предусматривает решение
следующих задач:
1. Разработка способов охлаждения стекломассы, которые позволяют
использовать теплоту при обеспечении требуемого качества стекломассы.
-
Разработка и расчет тепловых схем с использованием теплоты стекломассы, определение ожидаемой экономии топлива.
-
Составление математических моделей и вывод формул для расчета гидродинамики и теплообмена в выработочных каналах и каналах питателей.
4. Разработка способов увеличения термической однородности
стекломассы.
Научная новизна.
-
Разработан способ охлаждения стекломассы в выработочных каналах стекловаренной печи с помощью циркулирующих дымовых газов, который позволяет использовать теплоту стекломассы при высокой интенсивности теплообмена, простоте конструкции выработочного канала, возможности точного регулирования температуры стекломассы и достижения ее высокой термической однородности.
-
Предложен способ кондиционирования стекломассы на поверхности расплава меди или олова, позволяющий значительно повысить термическую однородность стекломассы при внесении минимальных изменений в конструкцию каналов питателей.
3. Разработана тепловая схема, позволяющая использовать теплоту
стекломассы для паровой конверсии природного газа, используемого для
отопления варочной части печи.
4. В результате обобщения результатов математического моделирования получены формулы для оценки термической неоднородности стекломассы в выработочном канале и каналах питателей.
Практическая ценность.
-
Разработанные тепловые схемы с использованием теплоты стекломассы в выработочном канале могут быть использованы при проектировании стекловаренных печей с целью снижения расхода топлива.
-
Принцип кондиционирования стекломассы на поверхности расплавленного металла может быть использован при конструировании каналов питателей и выработочных каналов стекловаренных печей с целью повышения термической однородности стекломассы.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Принцип организации охлаждения стекломассы и использования ее
теплоты с помощью циркулирующих дымовых газов
2. Тепловые схемы с использованием теплоты стекломассы для
проведения термохимической регенерации, подогрева топлива, шихты,
стеклобоя, внешнего теплоиспользования.
-
Формулы для оценки термической неоднородности стекломассы в выработочном канале и методика их получения.
-
Математическая модель сопряженного теплообмена в выработочном
канале.
-
Способы обеспечения термической однородности стекломассы.
-
Принцип кондиционирования стекломассы на поверхности расплава меди или олова и его основные преимущества.
7. Результаты эксперимента по исследованию взаимодействия
расплавленного металла, стекломассы и атмосферы.
Достоверность научных положений обусловлена: 1. Использованием для математического моделирования современного программного обеспечения - ANSYS Fluent.
-
Использованием обычно применяемых для расчета стекловаренных печей моделей радиационного теплообмена - приближения Росселанда и модели дискретных ординат.
-
Выбором k-со модели турбулентности путем сравнения результатов, полученных при использовании разных моделей турбулентности.
-
Сравнением значений термической однородности, полученных при использовании нескольких математических моделей одного объекта.
5. Сравнением результатов расчета термической однородности с
показателями работы действующей печи.
6. Проверкой правильности методики расчета числа Нуссельта при
ламинарном течении стекломассы в открытом канале путем ее использования
для расчета числа Нуссельта в известном случае - при ламинарном течении в
круглой трубе.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на конференциях: XX Международная
научно-техническая конференция студентов и аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2014); Десятая международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2015» (Иваново, 2015); а также на научном семинаре кафедры «Атомная и тепловая энергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
Список публикаций. По материалам диссертации опубликовано три статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Две статьи переведены на английский язык и изданы в журнале, который цитируется в международной базе цитирования Scopus .
Объем диссертации. Работа изложена на 122 страницах,
иллюстрирована 44 рисунками и 18 таблицами. Диссертация состоит из введения, четырех глав, включая литературный обзор, и заключения. Список литературы содержит 100 наименований.
Устройство выработочного канала и каналов питателей
Помимо отмеченных выше функций охлаждения и кондиционирования стекломассы, выработочные каналы и каналы питателей выполняют еще одну функцию - распределительную: подводят стекломассу от стекловаренной печи к нескольким, от двух до семи, стеклоформующим машинам [14]. Эта функция определяет длину каналов и их сложную, с разветвлениями и поворотами, форму.
Выработочные каналы имеют глубину 0,4..0,2 м; ширину 1,0..1,5 м. Стандартная глубина каналов питателей 0,153 м, ширина около 1,0 м. Эти размеры обусловлены стремлением уменьшить их размеры для снижения капитальных затрат и увеличения термической однородности стекломассы с одной стороны, необходимостью обеспечить течение вязкой стекломассы при небольшом уклоне и необходимостью контролировать термическую однородность по ширине потока стекломассы, с другой стороны.
Нижнее строение выработочных каналов и каналов питателей выполняется из бадделеито-корундовых или глиноземистых электроплавленных блоков или лотков, верхнее строение - из силлиманита. Тепловая изоляция верхнего и нижнего строения каналов необходима для достижения высокой температурной однородности стекломассы [15]. Для выравнивания температурного поля стекломассы по ширине боковые стенки и прилегающие к ним участки дна изолируются сильнее, чем центральная часть дна канала. Для интенсификации охлаждения стекломассы верхнее строение выработочного канала часто не изолируется.
В выработочных каналах и каналах питателей используются методы радиационного [16, 17], прямого воздушного [18] и косвенного воздушного [19] охлаждения стекломассы (см. рис. 1.2). При радиационном охлаждении теплота излучается в окружающую среду через отверстия в своде. Этот метод обеспечивает наиболее интенсивное охлаждение стекломассы, теплоотдача регулируется с помощью шиберов, которые могут закрывать отверстия. При прямом воздушном охлаждении под сводом канала продувается атмосферный воздух, теплоотдача осуществляется преимущественно от стекломассы к своду излучением, от свода к воздуху конвекцией. При косвенном воздушном охлаждении атмосферный воздух продувается через каналы в своде, охлаждение стекломассы идет менее интенсивно по сравнению с другими двумя способами. Во всех случаях, теплота стекломассы полезно не используется и рассеивается в окружающей среде.
Вследствие потерь теплоты через наружные ограждения каналов и замедления пристеночных слоев стекломассы, края потока стекломассы охлаждаются сильнее его центра. Для подогрева краев и поддержания термической однородности стекломассы, а также для точного регулирования ее температуры, используют газовый [20, 21] или электрический [22] подогрев. Газовый подогрев осуществляется с помощью небольших кинетических горелок с подачей газо-воздушной смеси от газосмесительной станции, установленных по периметру каналов. Электрический подогрев осуществляется с помощью погруженных в стекломассу или установленных над ее поверхностью электродов.
Важнейший показатель работы каналов питателей - термическая однородность стекломассы на выходе. Она показывает, насколько качественно проведено кондиционирование стекломассы, и значительно влияет на качество вырабатываемой продукции и количество брака кроме значения термической однородности, большое значение имеет также характер распределения температур в выходном сечении. При эксплуатации стекловаренной печи подбирается такое распределение температур, при котором брак минимален. Считается, что небольшой подогрев краев потока относительно центра благоприятно сказывается на работе стеклоформующих машин (рис. 1.4), даже если при этом происходит уменьшение значения RT.
Выбор и обоснование принципа использования теплоты стекломассы
Известно несколько принципов охлаждения стекломассы. В промышленности применяются охлаждение теплопроводностью через обмуровку, радиационное, прямое воздушное и косвенное воздушное охлаждение. В работах [71, 72] предлагается использовать расположенные над поверхностью расплава стальные трубы, через которые продувается охлаждающий теплоноситель.
При охлаждении теплопроводностью через обмуровку и радиационном охлаждении теплота стекломассы рассеивается в окружающей среде и не может быть полезно использована.
При прямом воздушном охлаждении теплота стекломассы может быть использована, если горячий воздух направить в какой-либо теплообменник, например, подогреватель шихты. Преимущества данного способа - простота, необходимость внесения минимальных изменений в существующую конструкцию выработочного канала. Недостатки - негативное влияние атмосферного воздуха на качество стекла [16], низкая интенсивность теплообмена. Низкая интенсивность теплообмена обусловлена прозрачностью воздуха для теплового излучения и приводит к увеличению расхода воздуха и уменьшению его температуры на выходе из канала.
При косвенном воздушном охлаждении теплота может быть использована аналогичным способом. По сравнению с прямым воздушным охлаждением, отсутствует негативное влияние атмосферного воздуха на качество стекла, однако эффективность теплообмена ниже.
Расположенные над поверхностью расплава стальные трубы позволяют нагревать воду, воздух, топливо, производить термохимическую регенерацию без использования промежуточного теплоносителя. Основная проблема стальных труб - сложность регулирования их тепловосприятия.
Регулирование тепловосприятия необходимо для поддержания требуемой температуры стекломассы на выходе при различных ее температурах на входе и различных расходах, а также для поддержания температуры в выработочном канале при отсутствии расхода стекломассы. При температуре стекломассы 1275 C и изменении температуры поверхности трубы от 100 C до максимально допустимой температуры 1100 C ее тепловосприятие изменяется всего в 2,2 раза. При протекании в трубах воды или при проведении термохимической регенерации диапазон изменения температуры намного уже и тепловосприятие трубы практически постоянно. Другие недостатки стальных труб по сравнению с прямым и косвенным воздушным охлаждением - сложность конструкции, меньшая надежность, возможность нарушения технологического процесса при прорыве труб и попадании теплоносителя в стекломассу.
В данной работе предлагается использовать охлаждение стекломассы с помощью промежуточного теплоносителя – дымовых газов, которые образуются при работе расположенных по периметру выработочного канала газовых горелок и циркулируют по замкнутому контуру, состоящему из газового пространства выработочного канала, рекуперативного теплообменника и соединяющих их газоходов (рис. 2.4).
Устройство выработочного канала при охлаждении стекломассы циркулирующими дымовыми газами такое же, как при прямом воздушном охлаждении: дымовые газы подаются через отверстия в своде и движутся над поверхностью стекломассы. Однако механизм теплопередачи в этих случаях принципиально различается. Воздух состоит преимущественно из двухатомных газов и прозрачен для теплового излучения, теплота передается излучением от стекломассы к кладке и конвекцией от стекломассы и кладки к воздуху. Дымовые газы содержат большое количество трехатомных газов и хорошо поглощают тепловое излучение, теплота между стекломассой, кладкой и дымовыми газами передается преимущественно излучением и гораздо более интенсивно, чем при прямом воздушном охлаждении. Подробный расчет теплообмена в выработочном канале приведен в главе 3.
По сравнению с прямым воздушным охлаждением, при охлаждении циркулирующими дымовыми газами отсутствует контакт атмосферного воздуха и стекломассы. Регулирование температуры стекломассы обеспечивается путем изменения расхода промежуточного теплоносителя за счет изменения частоты вращения дымососа. Для регулирования температуры промежуточного теплоносителя перед рекуперативным теплообменником предусмотрен газоход с регулирующей арматурой 5 (рис. 2.4), по которому холодные дымовые газы идут в обход выработочного канала, смешиваются с горячими дымовыми газами на выходе из выработочного канала и тем самым снижают их температуру.
Постановка задачи и создание математической модели в ANSYS Fluent
Расчетная область (рис. 3.11) – отделенная плоскостью симметрии половина потока стекломассы постоянной глубиной r, шириной b1+ b2 = b3 + r, длиной l1+l2+l3. l1 – участок охлаждения, l2 – участок выдержки, участок l3 вводится для исключения влияния граничных условий выхода на результаты расчета.
Нижняя граница разбивается на два участка шириной r и b3 для того, чтобы учесть увеличение плотности теплового потока через наружные ограждения по краям канала. Верхняя граница разбивается на два участка шириной b1 и b2, чтобы смоделировать влияние подогрева краев канала на температурное поле стекломассы. На верхней границе расчетной области (поверхности расплава) задаем отсутствие трения между потоком и границей. На нижней границе расчетной области (дно канала) и на боковых стенках канала задаем нулевую скорость потока вблизи границы. На входе задаем массовый расход G = 215/24/3,6/4 = 0,622 кг/с и температуру на входе tпр = 1358 ОС. Плотности тепловых потоков на границах зададим так, как показано на рис. 3.11.
Для создания математической модели в ANSYS Fluent используем расчетную сетку, состоящую из 1105 элементов размером не более 0,025 м. Используем уравнение энергии и уравнение движения жидкости в проекции на три оси координат. Стоит отметить, что благодаря простой геометрии и небольшому количеству используемых уравнений задача обладает хорошей сходимостью.
Результаты расчета математической модели – поля температур стекломассы в сечениях С1 и С2.
Моделирование теплообмена в канале питателя
Произведем моделирование теплообмена в выработочном канале и канале питателя и определим термическую однородность стекломассы на выходе. В качестве расчетной области примем отсеченную плоскостью симметрии половину внутреннего пространства каналов, включающую в себя слой расплавленного металла, слой стекломассы и газовое пространство. Основные размеры расчетной области показаны на рис. 4.5.
Для решения задачи теплообмена используем уравнение энергии. Для моделирования движения стекломассы воспользуемся моделью ламинарного движения. Слой расплавленного металла примем неподвижным, для учета естественной конвекции воспользуемся коэффициентом эффективной теплопроводности. Дымовые газы примем также неподвижными, так как перенос теплоты в газовом пространстве каналов осуществляется преимущественно за счет излучения. Для моделирования радиационного теплообмена в газовом пространстве в соответствии с рекомендациями [95] воспользуемся методом дискретных ординат, для моделирования теплообмена в слое расплавленного стекла - диффузионным приближением Росселанда.
Для улучшения сходимости задачи примем, что подогрев краев потока стекломассы осуществляется за счет излучения с поверхности электродов. Излучение электродов смоделируем с помощью поверхности ГУ9, на которой можно задавать различные значения плотности теплового потока q9, Вт/м2. Значение q9 подбираем таким, чтобы обеспечить минимальную температурную неоднородность стекломассы. Если теплота подводится к стекломассе, то q9 0, если подогрев отключен, то q9 = q7.
Граничные условия ГУ2 - вход стекломассы, температура tCT = 1358 С, расход GCT = 0,622 кг/с. Граничные условия ГУ3 - выход стекломассы.
На границах ГУ4, ГУ5, ГУ7, ГУ11 задаем плотности теплового потока через наружные ограждения: q4 = 1280 Вт/м2, q5 = 4202 Вт/м2, q7 = 1500 Вт/м2, q1± = 4202 Вт/м2. На границе ГУ5 задаем скорость стекломассы около стенки равной нулю. На границе ГУ7 зададим степень черноты огнеупорной кладки = 0,8. ГУ6 - граничные условия симметрии. На границе ГУ8 задаем отсутствие трения со стороны стекломассы.
Результаты расчетных экспериментов показаны в табл. 4.2 и на рис. 4.6. Анализ результатов расчетных экспериментов позволяет сделать следующие выводы:
1. Кондиционирование стекломассы на поверхности расплавленного металла позволяет в три раза уменьшить температурную неоднородность стекломассы, что хорошо согласуется с формулой (2), уменьшить длину каналов питателей, уменьшить расход топлива на выравнивание термической неоднородности по ширине пропорционально уменьшению длины канала.
2. Интенсивность передачи тепла через слой жидкого металла недостаточна для устранения термической неоднородности стекломассы по ширине канала.
3. Свободная конвекция в слое расплавленного металла способствует уменьшению термической неоднородности стекломассы (результаты расчетных экспериментов 3 и 5).