Утилізація теплоти в процесі стабілізуючого охолодження обпалювальних печей будівельних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 66.041.57, 66.042

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УТИЛІЗАЦІЯ ТЕПЛОТИ В ПРОЦЕСІ СТАБІЛІЗУЮЧОГО ОХОЛОДЖЕННЯ ОБПАЛЮВАЛЬНИХ ПЕЧЕЙ БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ

Гераскіна Еліна Анатоліївна

Одеса - 2009



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

? доктор технічних наук, професор Петраш Віталій Дем?янович, Одеська державна академія будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти:

? доктор технічних наук, професор Кошельник Вадим Михайлович, Національний політехнічний університет “Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри теплотехніки та енергоефективних технологій;

? доктор технічних наук, професор Воінов Олександр Петрович, Одеський Національний політехнічний університет, професор кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій.

Захист відбудеться “12” травня 2009 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 41.052.04 в Одеському Національному політехнічному університеті за адресою: 65044, Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського Національного політехнічного університету за адресою 65044, Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “8” квітня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради , д.т.н. професор А.Є. Денисова



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У будівельній промисловості проблема підвищення ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів є найбільш актуальною для виробництва таких енергоємних видів продукції, як керамзит, цемент, вапно, а також збірні й монолітні конструкції зовнішніх стенових огороджень. На їхнє виробництво щорічно витрачається більш ніж 50% усіх паливно-енергетичних ресурсів, які споживаються промисловістю України. Паливна складова в вартості продукції досягає 60%.

Значного енергоспоживання вимагає виробництво керамзиту, який є основним видом штучних заповнювачів огороджуючих конструкцій.

На виробництво 1 м3 керамзитового гравію в середньому по країні витрачається 100,6 кг умовного палива, причому приблизно половина палива, що витрачається, корисно не використовується. Це пояснюється тим, що печі для випалу керамзитового гравію працюють із досить низьким тепловим коефіцієнтом корисної дії через великі втрати теплоти. Вона втрачається в холодильниках при охолодженні керамзитового гравію (5-10%), з димовими газами, що відходять (до 25%), корпусами печей у навколишнє середовище (10-25%). Відповідно, ефективність використання первинного палива в реальних умовах не перевищує 45-50%.

Тому очевидно, що проблема підвищення енерготехнологічної ефективності печей є своєчасною. Актуальність скорочення палива також пов?язана з необхідністю підвищення конструктивних матеріалів обпалювальної печі, зокрема обмуровки в зоні випалу.

Актуальність теми обумовлена також необхідністю подальшого підвищення енергоекономічної ефективності обертових печей шляхом утилізації теплоти для промислового теплопостачання, зокрема, в умовах різкого підвищення вартості первинного палива в країні при наявності широкого спектру використання утилізуємої теплоти для промислового та комунального теплопостачання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до законів України “Про енергозбереження”, “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки на період до 2006 р.” у межах пріоритетного напрямку 6. “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”. Дисертаційна робота виконувалася також у рамках держбюджетної теми ''Вдосконалення систем захисту навколишнього середовища й теплозбереження на підприємствах стройіндустрії (д.р.№018600083268).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи: підвищення ефективності використання енергоресурсів в обертових печах при виробництві будівельних матеріалів.

Для досягнення зазначеної мети треба розв'язати наступні задачі :

? провести аналіз існуючих процесів теплообміну, способів і засобів їх реалізації для вдосконалення охолодження обертової печі шляхом створення більш раціональної системи відбору й утилізації теплоти;

? виконати теоретичні дослідження теплових і аеродинамічних процесів в елементах запропонованого устрою по забезпеченню ефективного охолодження поверхні печі;

? зробити аналітичні дослідження взаємозв'язку конструктивних і режимних параметрів, що визначають умови організації ефективного відбору теплоти; теплообмін охолодження обертовий піч

? виконати розрахунково-аналітичні й експериментальні дослідження елементів запропонованого укриття для підвищення ефективності процесів відбору й утилізації теплоти;

? провести випробування розробленої дослідно-промислової системи стабілізуючого охолодження печі з утилізацією теплоти. Розробити методику конструктивно-технологічного розрахунків.

Об'єкт дослідження ? система утилізації вторинної теплоти від обертової печі.

Предмет дослідження ? теплові та аеродинамічні процеси в системі утилізації

теплоти.

Методи дослідження. Розрахунково?аналітичне та математичне моделювання теплотехнічних процесів виконане з використанням методів оптимізації й математичної статистики. Експериментальні дослідження проведені на фізичних моделях, на дослідно - промислових установках і натурних об'єктах, що дозволило оцінити адекватність математичної моделі й підтвердити вірогідність результатів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному :

? запропоновано новий раціональний підхід до відбору теплоти з поверхні випалювальної печі на основі повітряноструминного охолодження її поверхні;

? вперше використано теоретичний аналіз та моделювання теплових та аеродинамічних процесів в спарених каналах системи утилізації теплоти;

? на основі аналітичного дослідження спільного процесу динаміки потоків і теплообміну в спарених каналах напівкільцевої форми встановлено нові залежності, які послужили основою для загальної методики розробки запропонованого обладнання;

? вперше у результаті узагальнення експериментальних даних отримано уточнену залежність у критеріальній формі, яка визначає інтенсивність теплообміну на поверхні печі випалу керамзиту;

? вперше встановлено нові експериментальні залежності для теплообмінних процесів при повітроструминному впливі на поверхню охолодження печі з визначенням відповідних геометричних розмірів;

? в результаті експериментального пошуку вперше виявлено раціональну комбінацію внутрішнього й зовнішнього каналів прямокутної форми для забезпечення найбільш рівномірного розподілу температур в процесі охолодження печі;

? на основі доповнення відомих способів керування процесами охолодження поверхні удосконалено принципи практичної реалізації режимів стабілізуючого

відбору теплоти.

Практичне значення отриманих результатів ? запропоновано варіант нового обладнання укриття випалювальної печі з розширеними функціональними можливостями для повітряноструминної інтенсифікації процесів охолодження її поверхні ;

? розрахунково-аналітичним дослідженням конструктивних параметрів і режимних умов укриття встановлено залежність для визначення висоти внутрішнього каналу обладнання;

? на основі результатів розрахунково-аналітичного дослідження встановлено залежність для визначення втрат тиску в спарених напівкільцевих каналах укриття печі;

? сформульовано принципи раціонального охолодження обертової печі з утилізацією теплоти для промислового теплопостачання, визначено способи стабілізації теплового режиму й умови роботи функціональних схем;

? у результаті розрахунково-аналітичного дослідження встановлено нові залежності й співвідношення для визначення основних параметрів розробленого укриття й систем утилізації теплоти для промислового теплопостачання, які доведені до практичної реалізації;

? результати промислових випробувань системи утилізації теплоти підтвердили високу ефективність її роботи й стабілізації теплового режиму в різних умовах експлуатації: розігріву, зупинки й експлуатації;

? на основі отриманих результатів досліджень розроблено загальну методику розрахунків нової системи стабілізуючого охолодження обертової печі з утилізацією теплоти для промислового теплопостачання;

? розроблену систему відбору й утилізації теплоти на основі стабілізуючого охолодження печі впроваджено у виробництво на заводі ЗБК "Одесзалізобетон"

м. Одеса. Економічна ефективність результатів впровадження: економія палива, що заміщується, 946 т/рік, економія витрат на паливо становить 33 млн. грн/рік, строк окупності вкладених ресурсів не перевищує 1,6 року.

Основні положення роботи використовуються в навчальному процесі кафедри “Опалення, вентиляції та охорони повітряного басейну” ОДАБА .

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї й положення дисертаційної роботи розроблені автором особисто. У дисертації узагальнені всі результати, які отримані при виконанні науково-дослідних робіт. В частині експериментальних досліджень співавторами проводилися консультації по роботі та надавалася відповідна технічна допомога. В роботах [3,5,10] автору належить проведення експериментальних досліджень, опрацювання та аналіз результатів дослідження, розробка нових технічних рішень [4,6], а також організація виготовлення, впровадження та авторського супроводження розробок.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на:

? на XVI міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров?я”, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, м. Харків, червень 2008р.

? на XI міжнародній науково- практичній конференції , Одесса, травень 2006р.;

? на X міжнародній науково- практичній конференції, Одесса, травень 2005р.;

? на IX міжнародній науково- практичній конференції, Одесса, травень 2004р.;

? науково- технічній конференції, присвяченій 70-річчю заснування ОДАБА, м. Одеса, квітень 2000р.;

? науково-технічному семінарі «Современные способы очистки промышленных вентиляционных выбросов» , м. Новополоцьк (Білорусія), травень 1990р.;

? науково-технічній конференції «Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов», м. Новополоцьк (Білорусія), квітень 1989 р.

Публікаціі. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в збірниках науково-технічних видань, у матеріалах і тезах конференцій (12 робіт), одержано авторське свідоцтво. Експериментальна частина роботи й узагальнення результатів досліджень проведені в Одеській державній академії будівництва і архітектури на кафедрі "Опалення, вентиляції та охорони повітряного басейну".

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, бібліографії та додатків. Загальний обсяг роботи становить 150 сторінок, з яких 127 сторінок основного тексту, робота має 44 рисунка, 10 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, у ньому сформульовано ціль і задачі досліджень, обґрунтовано вибір об'єкта й предмета дослідження, визначена наукова новизна й практична цінність роботи, наведені дані по апробації й публікації результатів.

Перший розділ присвячений вивченню стану проблеми, способів відбору й утилізації теплоти при виробництві таких будівельних матеріалів, як керамзит і цемент. Питанням ефективного використання палива в промисловості та при виробництві будівельних матеріалів, відбору та утилізації вторинної теплоти в пічних агрегатах займалися такі автори, як Онацький С.П., Ходоров Е.І, Єринов А.Є., Колобков П.С., Ключников А.Д., Новгородський Є.Є., Воробейчиков Л.Т., Кошельник В.М. та інші. Аналіз передового вітчизняного й закордонного досвіду показує, що теплоенергетична ефективність випалювальних печей не перевищує 35-45%. Це пояснюється великими втратами теплоти через корпус печі в навколишнє середовище, з димовими газами, що відходять, а також у процесі охолодження виробленої продукції.

Автором виконано аналіз процесів термічної обробки й теплової ефективності випалу керамзиту. В промислових умовах досліджено стан теплового режиму зовнішньої поверхні печі випалу керамзиту діаметром 2,5 м.

Умови експлуатації відкритих печей показують, що теплообмін на зовнішній поверхні агрегату, обумовлений теплотехнологічними процесами, суттєво залежить від рівня температур, як на самій поверхні печі, так і від параметрів навколишнього повітря. Внаслідок вищевикладеного втрати теплоти в навколишнє середовище, за даними різних авторів, знаходяться у межах 15-25%.

Результати аналізу відомих досліджень теплообміну на поверхні відкритих випалювальних печей і спеціально виконаних вимірів температурних характеристик для південних регіонів України свідчать, що на ефективність теплообміну впливають змінні значення кліматичних умов, насамперед, температура зовнішнього повітря й швидкість вітру. Наприклад, для умов перехідного періоду середні значення коефіцієнта теплообміну перебувають у межах 25-35 Вт/(м2К). При цьому відзначається можливість перегріву печі в несприятливих штильових умовах теплого періоду року і її переохолодження в холодний період. Це особливо відображається при активному впливі вітру й наявності атмосферних опадів. Вищезгадане негативно позначається на строках експлуатації печей і не враховується при теплотехнічних розрахунках в інженерній практиці. Аналіз результатів виконаних досліджень впливу швидкості обертання печі на величину теплообміну, ускладненого впливом вітру, показує на переважний вплив вітрового потоку стосовно швидкості обертання поверхні печі.

Для підвищення теплотехнологічної ефективності обертових печей за рахунок скорочення втрат енергії палива, що спалюється, при виробництві керамзита, очевидна необхідність нового підходу до наукового вирішення по удосконаленню енергозберігаючого обладнання, яке направлено на відбір вторинної теплоти при зниженні матеріалоємкості самих пристроїв.

Аналіз відомих водяних, повітряних та комбінованих способів і засобів охолодження й відбору теплоти з поверхні випалювальних печей засвідчує не тільки про їхню різноманітність і багатоваріантність конструктивних рішень, але й про різні види виконання, які по різному визначають інтенсивність теплообміну і ефективність процесів відбору теплоти. Відомі до теперішнього часу технічні рішення водотрубних систем відбору теплоти мають значну металоємність, складність обладнання, монтажу й експлуатації, у зв'язку із чим в умовах виробництва їх застосування обмежилось експериментальними системами. Встановлено, що одним з перспективних напрямків є вдосконалення способів повітряного охолодження, що характеризуються можливістю регулювання інтенсивності теплообміну, яким прийнятна більш низька металоємність й надійність в експлуатації.

У результаті проведеного аналізу сформульована мета і поставлені задачі дослідження.

Другий розділ присвячений вибору напрямку й загальної методики дослідження процесів охолодження поверхні корпуса випалювальної печі та розробці елементів обладнання для відбору і утилізації теплоти. Запропонована та запатентована нова конструкція укриття печі для периметрального повітряного охолодження її поверхні з утворенням зовнішнього і внутрішнього каналів. Зовнішнє повітря, надходячи знизу через вхідний отвір, проходить навколо печі по зовнішньому каналу між кожухом і розподільчим елементом, рівномірно впливає на поверхню охолодження в процесі перетікання у внутрішній канал. Характерною рисою обладнання є те, що режим повітряноструминного впливу здатний забезпечити необхідну інтенсивність та рівномірність охолодження поверхні по окружності й довжині печі.

У цих умовах представляється можливим вибором необхідної кількості й розміру отворів перфорації досягти потрібного ступеня охолодження із заданою нерівномірністю температур на поверхні печі. Конструктивне рішення пристою дозволяє досягти практично постійної температури повітряного потоку між кожухом і перфорованою пластиною по довжині каналу до вихідного отвору, а також у зазорі навколо печі. Підігріте повітря за умовами теплотехнологічного охолодження надходить до повітропроводу рівномірного відбору, а після чого вентилятором подається до теплообмінних пристроїв абонентських систем.

Запропоноване обладнання для охолодження гарячої поверхні дозволяє забезпечити необхідну рівномірність розподілу теплоносія в зазорі навколо печі. При цьому поліпшуюється температурний режим печі в процесі експлуатації, що направлено на покращення технологічного процесу, збереження внутрішнього обмурування. При менших загальних витратах обладнання здатно знизити або взагалі виключити теплоізоляційний шар, що додатково полегшує конструкцію. При виконанні у вигляді відкидних елементів укриття більш практично в експлуатації й ремонті, дозволяє універсально використовувати теплоту охолодження печі абонентськими системами теплопостачання.

Аналіз виконаних досліджень впливу окремих конструктивних елементів, а також взаємозалежності основних параметрів теплоутилізатора, свідчать про багатофакторний взаємозв'язок теплових і аеродинамічних процесів, що відбуваються в ньому, ускладнених переміщенням повітря в криволінійних каналах через перфорований елемент до поверхні охолодження випалювальної печі. Для вивчення динаміки потоків у криволінійних каналах обладнання на підставі прийнятої моделі для аналітичного дослідження аеродинамічних процесів у спарених каналах напівкільцевої форми (рис.1), враховані особливості конструкції запропонованого устрою.

При русі теплоносія у внутрішньому каналі одиночні струмені попадають під вплив поперечного потоку змінної маси, який зносить. При постійній товщині внутрішнього каналу середня швидкість потоку ws в довільному нормальному перетині дуги S залежить від попередньої величини відповідного попутного надходження теплоносія із зовнішнього каналу. З урахуванням вищезгаданого на основі незмінності загальних витрат

, (1)

де св,сз ? густина повітря у внутрішньому та зовнішньому каналах пристрою, кг/м3;

dв ? діаметр внутрішнього каналу пристрою, м;

b ? довжина каналу пристрою, м;

а ? ширина каналу пристрою, м;

r ? радіус печі, м;

dS ? довжина дуги;

Vо ? швидкість руху теплоносія через отвори в перфорованому елементі, м/с;

f0 ? сумарна площа отворів в перфорованому елементі пристрою, м2.

Швидкість потоку, що зносить, у внутрішньому каналі з урахуванням конструктивних і теплоаеродинамічних параметрів визначається залежністю

, (2)

де G - загальні витрати середовища, що охолоджує, кг/с.

Глибина проникнення струменя, що відносить, в потік змінної маси може бути представлена у вигляді

. (3)

Закономірність зміни діаметрів перфорованих отворів для рівномірного розподілу повітря на поверхні охолодження, яка збільшується в напрямку руху охолоджуючого середовища зі збереженням загальної відкритої поверхні перфорованого елемента, має вигляд

, (4)

де Кs ? коефіцієнт, залежний від відносного шагу між струменями;

б ? кут атаки струменя;

nр ? кількість перфорованих отворів в ряду елемента пристрою;

цn ? полярний кут;

с - перевідний коефіцієнт.

Рівняння (4) дозволяє визначити відповідний діаметр останніх у ряді отворів, при яких стікаючі з них струмені будуть впливати на інтенсивність теплообміну при досягненні ними охолоджуючої поверхні.

Залежність (4) при умовах b = 1 м.; б = 30, 45, 600 ; цn = 45, 90, 135, 1800; np = 4, 5, 6, 7 представлена на рис 2,3.

Третій розділ присвячений дослідженням раціонального взаємозв'язку конструктивних та режимних параметрів укриття печі для ефективного відбору й утилізації теплоти.

Висота внутрішнього каналу пристрою визначається залежністю в наступному вигляді

,м, (5)



де - початкова початкова температура теплоносія на вході в укриття при повітряноструминному впливі на поверхню охолодження, 0С;

, ? відповідні значення середнього коефіцієнта теплообміну на поверхні печі, що охолоджується, й температури зовнішнього повітря, при яких забезпечується оптимальний режим природного охолодження, відповідно, Вт/(м2К), 0С;

nс - кількість секцій в загальній структурі пристрою для охолодження печі;

Dп ? діаметр печі, м.

Задачею подальших лабораторних досліджень є експериментальне визначення впливу конструктивних параметрів самих каналів на рівномірність розподілу температур у повітряному зазорі навколо печі (внутрішній канал) і в зазорі між перфорованим елементом і зовнішнім кожухом обладнання (зовнішній канал). Лабораторна установка є фізичною моделлю печі в масштабі 1:10 (рис.4).

Досліджувались варіанти взаєморозміщення перфорованої пластини й кожуха відносно поверхні печі циліндрічної, конічної та комбінованої форм.

Ступінь рівномірності розподілу температур в зовнішньому та внутрішньому каналах пристрою оцінювалась відношенням

, (6)

де ?t(в,н) )= tx1(в,н) -tx2(в,н) ? різниця надлишкових температур теплоносія в характерних точках пристрою,0С;

?tср= ? середнє значення надлишкових температур теплоносія, що охолоджує;

в,н - індекси, які відносяться до значень надлишкових температур відповідно у внутрішньому та зовнішньому каналах пристрою.

Надлишкова температура на поверхні кожуху пристрою оцінювалась виразом

(7)

де ? середнє значення температури на поверхні кожуху пристрою, 0С.

Результати досліджень різних варіантів взаєморозміщення перфорованої пластини й кожуха відносно циліндричної поверхні печі представлені на рис.5.

Аналіз закономірностей розподілу температур, вимірюваних в характерних місцях у внутрішньому й зовнішньому каналах, показав, що найбільш раціональною щодо відбору теплоти є комбінація внутрішньої прямокутної форми каналу з такою ж формою зовнішнього каналу.

Дослідження впливу комбінації форм каналів на температуру на зовнішній поверхні кожуха утилізатора показали, що найменша температура на його поверхні відзначається при комбінації прямокутних форм внутрішнього й зовнішнього каналів.

У результаті розрахунково-аналітичного дослідження встановлена залежність для визначення втрат тиску в спарених напівкільцевих каналах укриття печі.

На підставі результатів проведених експериментів встановлено залежність для визначення коефіцієнта теплообміну, графік якої наведений на рис.7.

Вона дозволяє визначити коефіцієнт теплообміну на зовнішній поверхні укритої ділянки печі при поперечному обмиванні повітряним потоком запропонованої конструкції укриття для прийнятого діапазону вимірюваних параметрів

Nu = c•Rex, (7)

де значення "с" змінюються в межах 0,09 - 0,097 залежно від потужності установки, величина "х" дорівнює 0,8.

Четвертий розділ присвячений пошуку умов стабілізації режимів охолодження печі, удосконаленню схемних розв'язків системи відбору теплоти, а також промисловому дослідженню роботи системи відбору та утилізації теплоти.

Сформульовано принципи стабілізаційного відбору теплоти з поверхні печі.

Розглянуто роботу запропонованої системи автоматичного регулювання повітряноструминного охолодження печі зі змінними та постійними перепадами температур і витрат охолоджуючого середовища. Система включає вентилятор, елемент формування струминного потоку, кожух, трьохходовий клапан, прилад автоматичного запису, пускову апаратуру, а також системи теплопостачання прямоточного й рекуперативного типу.

Для вкритої ділянки печі справедливі співвідношення, які характеризують умови стабілізації теплообмінних процесів по прямоточному та регенеративно-змішувальному варіанту охолодження поверхні печі

, (8)

(9)



де G?н? змінна витрата охолоджуючого теплоносія, кг/с;

t?н ? змінна температура зовнішнього повітря, 0С;

t?г ? змінна температура нагрітого теплоносія після укриття, 0С;

б? ? середній коефіцієнт теплообміну, Вт/(м2 •К);

с ? середня теплоємкість повітря, Дж/(кг •К);

G?б ? змінна рециркуляційна витрата теплоносія, кг/с;

tг ? температура нагрітого теплоносія після укриття, 0С;

t см? середня температура суміші теплоносія, 0С.

Стабілізація теплообміну в процесі використання вторинної теплоти з поверхні печі за умовами теплотехнічних потреб для вищезгаданих систем визначається закономірністю

(10)

(11)

Сталість початкових температур теплоносія досягається регулюванням відбору частини відпрацьованого потоку теплоносія.

Однією з схем, які забезпечують необхідний відбір теплоти з поверхні печі, є схема з рециркуляційним каналом. Вона заснована на повторному використанні потоку теплоносія, рециркуляційна частина якого зростає зі зниженням температури зовнішнього повітря. В літньому розрахунковому режимі , коли tн = tлн, система працює як прямоточна. При цьому рециркуляційний потік Gр=0. Увесь потік надходить до абонентських систем, тобто G ?н = Gп. У зимовому розрахунковому режимі, який характеризується tн= tзн, поступає повітря з байпасної лінії, тобто

G ?б = Gп . З урахуванням вищезгаданих умов встановлено слідуючі залежності для знаходження основних параметрів системи стабілізуючого охолодження обертової печі



Gп = (12)

(13)

де Gп? кількість повітря, яке поступає до абонентських систем, кг/с;

F ? поверхня печі, яка укривається, м2;

фп? середня температура укритої поверхні печі, 0С;

,? розрахункова температура зовнішнього повітря в теплий та холодний період року для м. Одеси, 0С;

Т- температура повітря після пристрою, 0С.

На заводі ЗБК “Одесзалізобетон”, м. Одеса, впроваджено систему з прямоточною схемою руху теплоносія в процесі стабілізуючого охолодження обертової печі діаметром 2,5 м. Дослідно-експериментальна система відбору теплоти містить напівциліндричні елементи у вигляді відкидних оболонок навколо печі, повітропроводи із запірно-регулюючим обладнанням для з'єднання її з теплоспоживаючими системами. Досліджувався теплоутилізаційний елемент довжиною 4 м., який знаходився в зоні випалу з найбільшою теплонапружністю на поверхні печі. Випробування системи проводилися при різних питомих витратах теплоносія, відповідних до встановленої потужності вентилятора технологічного призначення, а також вентиляторів опалювально-вентиляційної системи. Такий підхід забезпечував зміну питомої витрати теплоносія з 1 м2 поверхні у межах 0,059 - 0,092 кг/с. Результати випробувань представлені у вигляді графічних залежностей надлишкових температур в часі при різних режимах роботи пристрою та системи, як у період стабілізації, так і під час встановленої теплової рівноваги у різні періоди по тривалості в кілька діб (рис.9,10).

Дослідженням ефективності теплообміну на поверхні ділянки печі, що укривається, встановлено, що при відповідних питомих витратах повітря з 1 м2 поверхні печі в межах від 0,059 до 0,092 кг/с , зміна коефіцієнту теплообміну становить 18,5-33 Вт/(м2•К), порівняно з лабораторними дослідженнями похибка дорівнює 15%. А зміна температури зовнішнього повітря не впливає на ефективність теплообміну.

Результати практичного впровадження й промислові випробування системи утилізації теплоти підтвердили її працездатність й ефективність теплоутилізації в різних режимах експлуатації: розігріву, зупинки й тривалої експлуатації з теплоспоживанням для технологічних і опалювально-вентиляційних потреб.

На підставі результатів промислових випробувань системи стабілізаційного охолодження поверхні печі було розроблено загальну методику розрахунків і конструювання запропонованих елементів укриття для систем відбору та утилізації вторинної теплоти. Техніко-економічні розрахунки показали, що при впровадженні системи утилізації теплоти на заводах з виробництва будівельних матеріалів економія палива становить 946 т/р. Строк окупності вкладених ресурсів не перевищує 1,6 років.



ВИСНОВКИ

1. В результаті аналізу відомих способів й засобів охолодження, а також відбору теплоти з поверхні випалювальних печей встановлено, що найбільш перспективним є спосіб повітряного охолодження. Запропоновано новий підхід до відбору теплоти з поверхні обпалювальної печі повітряноструминним охолодженням. На його основі розроблено систему утилізації вторинної теплоти, що відрізняється високою технологічною ефективністю.

2. Вперше на основі аналітичного дослідження сумісного процесу динаміки потоків й теплообміну в сполучених каналах напівкільцевої форми навколо печі встановлено нові розрахункові залежності. Встановлено характер взаємозв'язку конструктивних параметрів елементів запропонованої системи і визначено раціональні режимні умови її функціонування.

3. В результаті експериментальних досліджень вперше виявлено раціональна комбінація внутрішнього та зовнішнього спарених каналів прямокутньої форми для найбільш рівномірного розподілу температур в процесі охолодження печі. Встановлено, що вплив швидкості потоку в обладнанні на температуру поверхні кожуху має лінійний характер.

4. Встановлено нові експериментальні залежності теплообмінних процесів при повітряноструминній дії на поверхню охолодження печі, які дозволили вдосконалити геометричні параметри запропонованного пристрою.

На основі узагальнення результатів експериментальних досліджень запропоновано критеріальну залежність інтенсивності теплообміну в характерних умовах аеродинаміки потоку.

5. Сформульовано принцип раціональної організації охолодження печі з утилізацією теплоти для теплопостачання.

Удосконалено принципи практичної реалізації режимів стабілізуючого відбору теплоти й розроблено раціональний підхід до створення функціональних схем і відповідних систем.

6. Отримані результати дозволили створити систему, що відрізняється високоякісною й технологічною ефективністю. Систему впроваджено у виробництво на заводі ЗБК "Одесзалізобетон'', м. Одеса.

Економічна ефективність результатів впровадження роботи полягає в наступному :

? економія палива, що заміщається, складе 946 т/рік.

? економічна ефективність скорочення витрат на паливо для керамзитної печі складе 33 млн. гривень/ рік .

? матеріалоємність системи стабілізуючого охолодження печі знижується на 55%;

? строк окупності ресурсів не перевищує 1,6 років;

? зниження кількості палива, що заміщається, на теплопостачання підвищує екологічну ефективність печей за рахунок скорочення теплового й хімічного забруднення навколишнього середовища.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гераскина Э.А. Взаимосвязь конструктивных параметров укрытий теплоисточников для обеспечения режима воздухоструйной интенсификации теплообмена на охлаждаемой поверхности // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - 2001.? № 5. ? С.28?30.

2. Гераскина Э.А. Исследование влияния конструктивных параметров утилизатора теплоты от корпуса печи на эффективность его работы // Известия Вузов. Строительство и архитектура. ? 1989. ? №12.? С.82? 84.

3. Система автоматического регулирования охлаждения вращающейся печи, действующая на основе принципов нечеткой логики / Михайленко В.С.,

Петраш В.Д., Гераскина Э.А. // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - 2006. - № 22. - С.222? 229.

4. Теплоутилизационные комплексы для горячего водоснабжения со стабилизацией процесса охлаждения обжиговых печей / Петраш В.Д., Елькова Л.В., Гераскина Э.А. // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - 2001. ? №5.? С.94? 96.

5. Условия равномерного перетекания воздуха в спаренных полукольцевых каналах теплоэнергосберегающих укрытий / Просенюк Л.Г., Петраш В.Д., Шевченко Л.Ф., Гераскина Э.А. // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. ? 2000.? №1.? С.98-100.

6. Система утилизации теплоты от обжиговых вращающихся печей /

Полунин М.М., Петраш В.Д., Гераскина Э.А. // Водоснабжение и санитарная техника. ? 1989. ? №12. ? С.14-15.

7. Гераскина Э.А. Расчет элементов воздухораспределения в системах стабилизационного охлаждения тепловых агрегатов / Гераскина Э.А // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: материалы XVI междунар. науч.-практ. конф., 4-6 июня 2008 г.: тезисы докл. ? Харьков: НТУ “ХПИ” ., 2008.? С.218-219.

8. Принципы автоматического регулирования охлаждения вращающейся печи с утилизацией энергии для промышленного теплоснабжения / Петраш В.Д.,

Гераскина Э.А., Басист Д.В. // До 75-річчя Одеської державної академії будівництва та архітектури: матеріали конференції , 10-12 травня 2005 р.? О.,2005. ? С.302-306.

9. Экономия энергоресурсов при производстве керамзитового гравия /

Петраш В.Д., Гераскина Э.А. // Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов: материалы конференции, 25-27 апреля 1989 г.: тезисы докл. ? Новополоцк: НПИ., 1989 . ? С.51-52.

10. Гераскина Э.А. Утилизация теплоти с наружной поверхности печи для производства керамзитового гравия/ Гераскина Э.А. // Энергию молодых - перестройке: материалы региональной научно?практической конференции, сент.1989 г.: тезисы докл. ? Кировоград, 1989. ? С.43? 44.

11. Натурные исследования коэффициента теплообмена с устройством теплоутилизатора для обжиговой печи / Петраш В.Д., Гераскина Э.А. // Современные способы очистки промышленных выбросов: материалы научно-технического семинара , 5-7 мая 1990г.: тезисы докл. - Новополоцк: НПИ.,1990. - С.15? 16.

12. А. С. 10394018 СССР, МКИ3 F 27 D 9/00. Устройство для охлаждения вращающейся печи / В.Д.Петраш, Э.А. Гераскина, Л.К.Емельянов, М.М.Кочкин (СССР) .? №4109703/ 29-33 ; заявл. 25. 08.86; опубл. 07.05.88, Бюл. № 17.



Гераскіна Е.А. Утилізація теплоти в процесі стабілізуючого охолодження обпалювальних печей будівельних матеріалів. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 ? Технічна теплофізика й промислова теплоенергетика. - Одеський національний політехнічний університет, 2009.

Дисертаційна робота присвячена актуальній проблемі підвищення енергоекономічної ефективності обертових печей шляхом утилізації теплоти для промислового та комунального теплопостачання. .

Обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й завдання досліджень. Виконано аналіз сучасного стану питання.

За результатами дослідження спільного процесу динаміки потоків і теплообміну в спарених каналах напівкільцевої форми встановлено взаємозв'язок конструктивних розмірів і режимних умов. Встановлено умови організації теплообмінних процесів при повітряноструминному впливі на поверхню охолодження теплоджерела, що укривається. Визначено закономірність розміщення й розміру перфорованих отворів для рівномірного розподілу повітря по довжині охолоджуваної поверхні.

Встановлено залежність для визначення висоти внутрішнього каналу в обладнанні охолодження печі, встановлена закономірність зміни надлишкової температури на поверхні кожуха укриття. За результатами узагальнення експериментальних даних встановлено закономірність зміни коефіцієнту теплообміну на поверхні укриття печі випалу керамзиту в критериальной формі.

Сформульовано принципи раціонального охолодження обертової печі з утилізацією теплоти для промислового теплопостачання, визначено способи стабілізації теплового режиму й умови розробки функціональних схем для трубних агрегатів. Результати промислових випробувань системи утилізації теплоти підтвердили високу ефективність її роботи й стабілізації теплового режиму в різних умовах експлуатації. Впровадження результатів роботи з укриттям половини поверхні керамзитної печі дозволяє заощаджувати 946 тонн умовного палива в рік.

Ключові слова: теплопостачання, випалювальна піч, утилізація теплоти, повітряноструминне охолодження, стабілізація теплового режиму.



Гераскина Э.А. Утилизация теплоты в процессе стабилизирующего охлаждения обжиговых печей строительных материалов. ? Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 ? Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика.? Одесский национальный политехнический университет, 2009.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме повышения энергоэкономичной эффективности обжиговых печей путем утилизации теплоты для промышленного и коммунального теплоснабжения.

Обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований.

Выполнен анализ современного состояния вопроса. Предложен новый подход к отбору теплоты с поверхности обжиговой печи посредством воздухоструйного охлаждения ее поверхности.

На его основе разработана система утилизации вторичной теплоты. По результатам исследования совместного процесса динамики потоков и теплообмена в спаренных каналах полукольцевой формы установлена взаимосвязь конструктивных размеров и режимных условий . Установлены условия организации теплообменных процессов при воздухоструйном воздействии на поверхность охлаждения укрываемого теплоисточника. Определена закономерность размещения и размера перфорированных отверстий для равномерного распределения воздуха по длине охлаждаемой поверхности.

Установлена зависимость для определения высоты внутреннего канала в устройстве для охлаждения печи. Результатами експериментальных исследований выявлено рациональное сочетание внутреннего и наружного спаренных каналов прямоугольной формы, которые обеспечивают наиболее равномерное распределение температур в процессе охлаждения печи. Установлена закономерность изменения избыточной температуры на поверхности кожуха укрытия, которая зависит от скорости движения воздуха в наружном канале. Минимальная избыточная температура на поверхности кожуха достигается при сочетании прямоугольных форм каналов. По результатам обобщения экспериментальных данных установлена закономерность изменения коэффициента теплообмена на поверхности печи обжига керамзита в критериальной форме. По результатам расчетно- аналитического исследования установлена зависимость для определения потерь давления в спаренных полукольцевых каналах укрытия обжиговой печи.

Сформулированы принципы рационального охлаждения вращающейся печи с утилизацией теплоты для промышленного теплоснабжения, определены способы стабилизации теплового режима и условия разработки функциональных схем для печных агрегатов. Результаты промышленных испытаний системы утилизации теплоты подтвердили высокую эффективность ее работы и стабилизации теплового режима в различных условиях эксплуатации. Внедрение результатов работы с укрытием половины поверхности керамзитной печи позволяет экономить в течении года 946 тонн условного топлива.

Ключевые слова: теплоснабжение, обжиговая печь, утилизация теплоты, воздухоструйное охлаждение, стабилизация теплового режима.



Geraskina E.A. Recycling of heat in the process of cooling stabilising roasting furnaces for building materials. ? Manuscript.

Thesis for scientific degree of sciences by speciality 05.14.06 - “Technical thermophysics and industrial heat-and-power engineering”. Odessa National Polytechnic University. Odessa, 2009

The theme urgency is proved. Siqnificance of dissertation, the purpose and tasks of research are formulated.

On the base of common researches of dynamic of stream carrier and heat exchange process in coupled channels havinq semiring form the interrelation of constructive sizes and regime conditions are established. Conditions of influence of heat exchange processes of air carrier on cooling surface furnace are established.

Characters of changes of heat exchanqe cofficient of surface of keramzit roast furnace are generalized. Criterian equation is worked out.

Principles of rational cooling of the rotating furnace with recycling of heat for an industrial heat supply are formulated. Ways of stabilisation of thermal mode and rational condition of work of furnace are defined. Results of industrial tests of heat recycling system confirmed high efficiency of its work and stabilisation of thermal modes in various service conditions. Introduction of results of work with shelter of half of furnace surface allows to save 946 tons anually of conditional fuel.

Keywords: heat supply, roasting furnace, heat recycling, cooling, stabilisation, thermal mode.

Размещено на Allbest.ru