Ефективна утилізація теплоти димових газів промислових печей у регенераторі із трубною насадкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

УДК 66.045:662.613.125

ЕФЕКТИВНА УТИЛІЗАЦІЯ ТЕПЛОТИ ДИМОВИХ ГАЗІВ

ПРОМИСЛОВИХ ПЕЧЕЙ У РЕГЕНЕРАТОРІ ІЗ ТРУБНОЮ НАСАДКОЮ

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВОРОБЙОВА ЛІЛІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА

Дніпропетровськ - 2010



Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ГУБИНСЬКИЙ ВОЛОДИМИР ЙОСИПОВИЧ, Національна металургійна академія України, професор кафедри теплотехніки та екології металургійних печей, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ПАВЛЮЧЕНКОВ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедрою програмного забезпечення та обчислювальної техніки;

кандидат технічних наук, доцент ДРЕУС АНДРІЙ ЮЛІЙОВИЧ, Дніпропетровський національний університет, доцент кафедри прикладної газової динаміки і тепломасообміну.

Захист дисертації відбудеться “ 11 ” травня 2010 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: НМетАУ, просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України, просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

Автореферат розісланий “ 29 ” березня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна



АНОТАЦІЯ

Воробйова Л. О. Ефективна утилізація теплоти димових газів промислових печей у регенераторі із трубною насадкою. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена зниженню споживання природного газу в термічних печах і поліпшенню екологічного стану навколишнього середовища шляхом розробки, дослідження та застосування нового різновиду теплообмінної насадки регенератора, яка складається з пучка труб корозійностійкої сталі. Трубна насадка має малий аеродинамічний опір, не зазнає руйнування через термічні напруги та здатна працювати в умовах запилених димових газів.

Експериментально визначено нестаціонарні температурні поля димових газів, повітря та стінки однієї з труб насадки регенератора; запропоновано балансовий спосіб визначення середньої швидкості газу в досліджуваній трубі за виміряними температурами теплоносіїв і стінки труби. Баланс для теплоносіїв, що нагріваються й охолоджуються дотримується з розбіжністю 1,5 %.

Вперше експериментально визначені коефіцієнти тепловіддачі в регенеративному теплообміннику із трубною насадкою в умовах частої зміни періодів її нагріву й охолодження та за результатами дослідження рекомендовано достовірні формули для розрахунку чисел Нусельта при проектуванні регенеративних пальників.

За результатами експерименту адаптовано чисельну математичну модель нестаціонарного теплообміну в насадці мінірегенератору з урахуванням поздовжньої теплопровідності труб. Встановлено, що при товщині стінки ? 2,5 мм поздовжню теплопровідність можна не враховувати з похибкою розрахунку до 1 %.

Отримано залежність перепаду температури підігріву повітря від співвідношення витратної теплоємності повітря, що пройшло через регенератор протягом періоду, до теплоємності насадки. Ця залежність дозволяє визначити необхідну масу трубної насадки, яка забезпечує припустимий перепад температур підігріву повітря.

Однакові умови теплообміну всередині та ззовні труб дозволяють мінімізувати масу насадки. Отримано рівняння для розрахунку оптимальної відстані між осями труб в насадці, яка забезпечує ці умови.

Розроблено методику розрахунку трубчастого теплообмінника при заданій тепловій потужності регенеративного пальника, що дозволяє визначити кількість і довжину труб насадки за дотриманням технологічних обмежень: перепаду температур підігріву повітря, величини аеродинамічного опору та довжини труб. регенератор природний газ термічний

Представлено технічні пропозиції щодо заміни існуючої системи опалення двох промислових печей на регенеративну систему з використанням трубчастих мінірегенераторів.

Ключові слова: мінірегенератор, насадка, багатотрубний пучок, теплообмін, аеродинамічний опір, енергозбереження.



Воробьева Л. А. Эффективная утилизация теплоты дымовых газов промышленных печей в регенераторе с трубной насадкой. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2010.

Диссертационная работа посвящена разработке, исследованию и применению новой разновидности теплообменной насадки регенератора, состоящей из пучка труб коррозионностойкой стали, обладающей малым аэродинамическим сопротивлением, не подверженной разрушению из-за термических напряжений и способной продолжительное время работать в условиях запыленных дымовых газов.

Проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования конвективного теплообмена при периодическом нагреве и охлаждении многотрубного пучка минирегенератора. Впервые экспериментально определены коэффициенты теплоотдачи в регенеративном теплообменнике с трубной насадкой и по результатам эксперимента рекомендованы формулы для расчета чисел Нуссельта.

Получено уравнение для расчета оптимального расстояния между осями труб, которое обеспечивает одинаковые условия теплоотдачи внутри и снаружи труб и минимальную материалоемкость.

Разработана методика расчета трубчатого теплообменника при заданной тепловой мощности регенеративной горелки, позволяющая определить длину и количество труб насадки при соблюдении допустимых ограничений: перепада температур подогрева воздуха, величины аэродинамического сопротивления и длины труб.

Ключевые слова: минирегенератор, насадка, многотрубный пучок, теплообмен, аэродинамическое сопротивление, энергосбережение.



Vorobyova L. Effective utilization of flue gases of furnaces heat in a regenerator with the pipe checker. Manuscript.

Dissertation paper to be submitted for the degree of a candidate of sciences (a first academic degree comparable to PhD degree) on speciality 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial heat power engineering. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2010.

The present dissertation paper is devoted to a new type of heat-exchanging checker for a regenerator. The checker is formed by a corrosion-resistant pipe cluster, which possesses low value of air flow, is resistant to the thermal stress destruction and has a long service life in the media of dust-laden gases. The theoretical calculations and experimental investigations on convective heat-exchange, periodic heating and cooling of pipe cluster of miniregenerators are carried out. This paper is the first to show the experimentally determined convective heat exchange coefficients in the heat exchanger of the regenerator and the experiment results are applied to choose the formulas of Nusselt numbers for the unit lines calculations.

The equation to calculate optimal distance between the pipe axes is determined. This enables to receive equal heat exchange inside the pipes and outside of them and to obtains minimal specific consumption of material.

The methodology for heat exchanger with pipes is developed for the given heat capacity of regenerative port. This methodology allows determining the length of pipe checker and the number of pipes in the pipe checker at the limitations as follows: drop in air pre-heating temperature, value of air flow, and pipe lengths.

Key words: miniregenerator, pipe checker, cluster of pipes, heat exchange, air flow, economy on energy.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Одним із промислових споживачів паливно-енергетичних ресурсів в Україні є гірничо-металургійний комплекс, у якому найбільшим паливовикористовуючим устаткуванням є печі. Існуючі нагрівальні та термічні печі металургії й машинобудування потребують підвищення показників використання палива. Одним з основних напрямів енергозбереження в нагрівальних печах є глибока утилізація теплоти димових газів на виході з робочого простору печей з використанням малогабаритних теплообмінників з нестаціонарним режимом роботи (надалі - мінірегенератори), зокрема, з кульковою та стільниковою насадками. У порівнянні з традиційними пічними регенераторами з цегельною насадкою мінірегенератори мають низьку теплоємність і велику питому поверхню нагріву насадки. Мінірегенератори, як правило, вбудовуються індивідуально в кожен регенеративний пальник. Відомі види насадок мінірегенераторів мають ряд недоліків: блокова стільникова насадка схильна до руйнування через термічні напруги, а кулькова - має великий аеродинамічний опір. Причому обидва види насадок в умовах запиленого середовища не можуть працювати без періодичного очищення. Отже актуальним напрямом наукових досліджень є вдосконалення вже існуючих або розробка нових, ефективніших видів насадок малогабаритних регенераторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Питання, що розглянуті у дисертації, відповідають концепції Державної цільової науково-технічної програми розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2020 року. Виконання роботи пов'язано з планами науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ). Основу дисертації складають результати науково-дослідної роботи кафедри теплотехніки та екології металургійних печей НМетАУ «Розробка нових способів високотемпературного спалювання палива і утилізації продуктів згорання в теплових агрегатах металургії» (№ держ. реєстрації 0106U002217), де автор була відповідальним виконавцем.

Мета та задачі дослідження.

Метою роботи є зниження споживання природного газу в термічних печах і поліпшення екологічного стану навколишнього середовища шляхом розробки, дослідження та застосування нового різновиду теплообмінної насадки мінірегенератора як елемента регенеративних пальників, що має високу ступінь утилізації теплоти димових газів, не схильна до руйнування через термічні напруги, здатна тривалий час працювати в умовах запилених пічних газів та відрізняється від відомих насадок меншим аеродинамічним опором.

Об'єкт дослідження - процес конвективного теплообміну в насадці малогабаритного регенератора, яка складається з пучка корозійностійких сталевих труб.

Предмет дослідження - вплив спільної дії вимушеної та вільної конвекції, періодичного нагріву й охолодження трубної насадки, поздовжньої теплопровідності труб на теплообмін у регенераторі та ступінь утилізації теплоти димових газів.

Задачі дослідження:

- аналіз ефективності роботи сучасних регенеративних пальників в Україні та за кордоном;

- проведення експериментального дослідження процесу теплообміну й аеродинамічного опору в трубній регенеративній насадці;

- визначення коефіцієнтів тепловіддачі від димових газів до стінки труби та від стінки до повітря за результатами випробувань трубчастого мінірегенератора;

- розробка й адаптація математичної моделі теплообміну в регенеративній насадці з урахуванням поздовжньої теплопровідності труб, яка включає визначення співвідношення витрат теплоносіїв усередині труб і в міжтрубному просторі насадки, температурних полів газів і насадки, коефіцієнта регенерації теплоти й аеродинамічного опору насадки;

- розрахунковий аналіз впливу конструктивних і режимних параметрів, а саме: діаметру, товщини стінки і довжини труб, тривалості димового та повітряного періодів, швидкості теплоносіїв на основні показники роботи мінірегенератора - температуру підігріву повітря та коефіцієнт регенерації теплоти, перепад температури повітря протягом періоду його нагріву, аеродинамічний опір та матеріалоємність насадки;

- вибір оптимальної відстані (кроку) між осями труб у пучку з метою ефективного використання внутрішньої та зовнішньої поверхні теплообміну труб, мінімізації маси та габаритів насадки;

- розробка методики розрахунку трубчастих теплообмінників для регенеративних пальників термічних печей і рекомендацій до їхнього конструювання;

- розробка технічних пропозицій щодо реконструкції системи опалення термічних печей.

Методи дослідження. У роботі використано методи експериментального дослідження теплообміну в трубній насадці мінірегенератора, зокрема, вимірювання витрат природного газу й повітря, температури стінки труби та газів по висоті насадки, а також перепаду тиску теплоносіїв на вході в насадку та виході з неї; розрахунково-теоретичні дослідження нестаціонарного конвективного теплообміну в каналах багатотрубного пучка із застосуванням чисельного методу елементарних теплових балансів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше рекомендовано формули для достовірного визначення коефіцієнтів тепловіддачі у мінірегенераторі з трубною насадкою в умовах частої зміни періодів нагріву й охолодження труб та при великому температурному напорі.

2. Запропоновано балансовий спосіб визначення середньої швидкості газоподібних теплоносіїв у досліджуваній трубі насадки регенератора за виміряними температурами газів і стінки труби, що дозволяє виключити похибки експериментальних досліджень, які пов'язані з нерівномірним розподілом потоку газу в поперечному перерізі трубної насадки.

3. На основі результатів математичного моделювання теплообміну в трубній насадці регенератора отримано нові дані:

· показано, що при товщині стінки труб ? 2,5 мм температурне поле сталевої трубної насадки регенератора можна визначати без урахування поздовжньої теплопровідності труб з похибкою до 1 %;

· отримано залежність коливання температури нагріву повітря від співвідношення витратної теплоємності повітря за період і теплоємності насадки, яка дозволяє визначити масу пучка труб, що забезпечує припустимий перепад температури нагріву повітря.

4. Встановлено, що для мінімізації матеріалоємності трубної насадки регенератора необхідно розподілити витрату газу всередині та ззовні труб пропорційно площі поверхні теплообміну. Ці умови можна забезпечити шляхом вибору відстані між осями труб з рівняння, отриманого в роботі.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Створена чисельна математична модель нестаціонарного теплообміну в каналах багатотрубного пучка з урахуванням поздовжньої теплопровідності труб.

2. Розроблені методика та програма розрахунку трубчастих теплообмінників для регенеративних пальників термічних печей з урахуванням технологічних обмежень.

3. Розроблені рекомендації стосовно конструювання насадки регенеративного теплообмінника (патент на корисну модель № 20797) та технічні пропозиції щодо переводу прохідної газової печі цеху № 76 ДП «Виробниче об'єднання Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова» (м. Дніпропетровськ) та прохідної роликової печі трубоволочильного цеху ЗАТ «Centravis Production Ukraine» (м. Нікополь) з існуючої системи опалення на регенеративну. Очікувана економія природного газу від запропонованих пропозицій на двох промислових термічних печах складе 32 ч 35 %.

Особистий вклад здобувача. Аналіз ефективності роботи сучасних регенеративних пальників в Україні та за кордоном, а також огляд існуючих насадок і виявлення їх недоліків і переваг, виконані автором особисто [6]. Розробка конструкції регенеративного теплообмінника й експериментальні дослідження в лабораторних умовах проводилися безпосередньо автором за сприянням співробітників кафедри теплотехніки та екології металургійних печей НМетАУ. Рекомендації щодо конструювання насадки регенеративного теплообмінника та результати випробувань опубліковані в співавторстві з ними [4,7]. Обробка й узагальнення експериментальних даних [1], математичне моделювання та розрахунковий аналіз ефективності роботи трубчастого мінірегенератора [2,3,5], а також розробка методики розрахунку трубчастих теплообмінників для регенеративних пальників термічних печей з урахуванням технологічних обмежень, автором виконані самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися та обговорювалися на 5 міжнародних конференціях: «VI Минский международный форум по тепло- и массообмену», Мінськ (Білорусь), 2008, 19-23 травня; «8th International symposium of croatian matallurgical society», Љibenik (Croatia), 2008, 22-26 червня; «Теплотехника и энергетика в металлургии», Дніпропетровськ (Україна), 2008, 7-9 жовтня; «Екологічні проблеми металургійного та гірничодобувного комплексу України», Дніпропетровськ (Україна), 2008, 2-3 грудня; «Творческое наследие Б.И. Китаева», Єкатеринбург (Росія), 2009, 11-14 лютого.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 друкованих робіт, з яких 5 статей у збірниках наукових праць, 1 - у спеціалізованому журналі, 5 - у матеріалах і працях науково-практичних конференцій та отримано 1 патент на корисну модель. 6 статей опубліковано у виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 158 сторінок машинописного тексту та містить 26 таблиць, 34 рисунки та 2 додатки. Список використаної літератури включає 107 найменувань.

Роботу виконано на кафедрі теплотехніки та екології металургійних печей Національної металургійної академії України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, показана їхня практична цінність, визначено особистий внесок здобувача та представлено відомості щодо апробації роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи дана загальна характеристика теплообмінників (рекуператорів і регенераторів) для утилізації теплоти димових газів, що відходять з робочого простору печей, представлено вимоги до насадки мінірегенератора, виконано огляд існуючих насадок, проаналізовано їхні недоліки й переваги.

Аналіз науково-технічної літератури показав, що у порівнянні з металевими рекуператорами мінірегенератор значно ефективніший. Використання регенеративної системи опалення й утилізації теплоти пічних газів у промислових печах дозволяє зекономити до 50 % палива, що у свою чергу покращує екологічний стан навколишнього середовища. Найбільшого розповсюдження набули регенеративні пальники з насадкою у вигляді кульок і стільникових блоків. Окрім переваг відомі види насадок мінірегенераторів мають ряд недоліків: великий аеродинамічний опір (кулькова насадка), низька механічна міцність і схильність до руйнування через термічні напруги (стільникова насадка). Експлуатація існуючих насадок у запиленому середовищі неможлива без періодичної зупинки печі на їх очищення.

У якості перспективного напряму глибокої утилізації теплоти димових газів у термічних печах запропоновано новий різновид регенеративної насадки, яка складається з пучка труб корозійностійкої сталі, виконаної з урахуванням недоліків існуючих насадок. З огляду на це сформульовано задачі дослідження теплообміну в трубній регенеративній насадці.

У другому розділі надано результати експериментального дослідження теплообміну в трубчастому мінірегенераторі й аеродинамічного опору насадки, запропоновано спосіб визначення середньої за перерізом досліджуваної труби швидкості газоподібного теплоносія за виміряними в квазістаціонарному тепловому стані регенератора температурами газів і стінки труби, знайдено значення коефіцієнтів тепловіддачі за періоди нагріву й охолодження труб та рекомендовано формули для визначення чисел Нусельта у розрахунку щодо проектування теплообмінників для регенеративних пальників.

У лабораторних умовах за участю автора розроблена та побудована експериментальна установка для випробування мінірегенератора.

Стенд опалювався природним газом за допомогою двопровідного пальника потужністю 77 кВт. Витрата природного газу склала 7,8 м³/год, витрата повітря - 195 м³/год. Коефіцієнт витрати повітря - 2,64. Насадка складалася з 143 труб корозійностійкої сталі Х18Н10Т із зовнішнім діаметром мм, товщиною стінки мм і довжиною мм. Тривалість періодів нагріву й охолодження насадки, які змінюють один одного, становила 60 секунд. Температуру теплоносіїв і стінки вимірювали термоелектричними термометрами типу ХА з діаметром електродів 0,5 мм, встановленими в одній трубі насадки (надалі - в досліджуваній трубі) на рівні 0,05, 0,35 і 0,65 м від нижньої кромки. В експериментах використовували вимірювальний комплекс, виконаний на базі аналого-цифрового перетворювача I-7018, який передає дані у цифровому форматі в послідовний порт ПЕОМ з мінімальним інтервалом часу 1 с. Перепад тиску визначався за допомогою U-подібного манометра шляхом вимірювання тиску в двох точках робочої камери: на рівні 50 мм нижче за насадку та на 50 мм вище насадки.

За результатами експерименту побудована діаграма змінення температури теплоносіїв всередині труби та температури стінки досліджуваної труби по її довжині. Величина аеродинамічного опору в період нагріву насадки склала 100 Па, а в період охолодження - 75 Па.

Для визначення швидкостей диму й повітря всередині та зовні труб розроблено алгоритм розрахунку розподілу потоку теплоносіїв через канали всередині труб і в міжтрубному просторі, виходячи з рівності перепадів тиску по довжині тих та інших каналів. Встановлено, що при щільній упаковці труб у пучку, яка мала місце в експериментальній насадці, не більш 0,5 % від загальної витрати газоподібного теплоносія припадає на міжтрубний простір, а частка теплоти, яка сприйнята та віддана зовнішньою поверхнею труб, складає ~ 0,3 ч 0,6 %, тому при обробці експериментальних даних тепловіддачу в міжтрубних каналах не враховували.

Внаслідок нерівномірного розподілу потоків диму та повітря в поперечному перерізі пучка труб фактична середня швидкість газів у досліджуваній трубі відрізняється від середньої за перерізом насадки. З огляду на цю обставину запропоновано спосіб визначення середньої за перерізом досліджуваної труби швидкості газоподібного теплоносія за виміряними в квазістаціонарному тепловому стані регенератора температурами газів і стінки труби.

Середню швидкість газів в досліджуваній трубі , (де індекс «г» означає газ: дим або повітря; індекс «о» - нормальні умови), можна достовірно обчислити з теплового балансу теплообміну між газом і стінкою труби протягом одного періоду за допомогою температур, виміряних у досліді.

Швидкість диму в досліджуваній трубі склала і відрізнялася від середньої за перерізом насадки на 11,8%, а швидкість повітря - і відрізнялася від середньої за перерізом насадки на 7,5 %. Тепловий баланс для теплоносіїв, що нагріваються й охолоджуються, дотримується з розбіжністю 1,5 %.

Числа Рейнольдса для димових газів склали , для повітря - , числа Релея для продуктів згорання отримано рівними , для повітря - . Отже, теплообмін у трубах мінірегенератора відбувався в умовах ламінарної течії газоподібних теплоносіїв і за наявністю змішаної (вимушеної та вільної) конвекції.

За результатами експериментальних досліджень теплообмінника знайдено значення коефіцієнтів тепловіддачі за період нагріву й охолодження трубної насадки мінірегенератора. Середні по довжині труби коефіцієнти тепловіддачі , обчислювали за середньоарифметичною різницею температур між газом і стінкою де , °С; - середня по довжині труби густина теплового потоку, ; , - середні за період нагріву або охолодження насадки температури газу на вході в трубу та виході з неї, °С; , - середні по довжині труби температури стінки (за виміром в трьох точках по довжині труби) у кінці періоду охолодження і нагріву відповідно, °С; - площа внутрішньої поверхні труби, .

Значення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією від димових газів до стінки досліджуваної труби при отримано рівним 58,6 , а від стінки труби до повітря - 51,0 .

У роботі перевірено можливість використання при розрахунку теплообміну в трубчастому мінірегенераторі існуючих у літературі емпіричних залежностей для чисел Нусельта в умовах ламінарної течії газу () в вертикально розташованому пучку труб. Найбільш близькі до експериментальних розрахункові значення середнього по довжині труби (розходження не більш 11 %) за збігом напряму вимушеної та вільної конвекції забезпечує формула де - теоретично визначене число Нусельта для вимушеної конвекції в умовах стабілізованої ламінарної течії газів у трубі круглого перерізу та при постійній густині теплового потоку по довжині труби; число Релея - ; - число Грасгофа; - число Прандтля; - поправочний коефіцієнт до середнього по довжині труби числа Нусельта, який враховує інтенсивність тепловіддачі у початковій частині труби та залежить від співвідношення довжини труби до діаметру.

В основу формули (4) положено відому емпіричну залежність, що запропонована М. О. Міхєєвим та у якій набули уточнення числові значення коефіцієнтів і з урахуванням досліджень, проведених пізніше. Слушність формули (4) перевірено в області значень .

Результати, достатньо близькі до експериментальних (розходження не більш 20 %) показала також формула, яка рекомендована до застосування С. С. Кутателадзе ( і ): де - число Пекле; - коефіцієнт, що враховує напрями вимушеного та вільного руху теплоносія ( - для горизонтальної труби; - для вертикальної труби у разі збігу напрямів вимушеної та вільної течії; - у разі протиточного напряму течій); - коефіцієнт об'ємного розширення газу, 1/К; - різниця між температурами теплоносія на вході в трубу та виході з неї, °С.

У третьому розділі дисертаційної роботи представлено чисельну математичну модель нестаціонарного теплообміну в каналах трубної насадки з урахуванням поздовжньої теплопровідності труб, виконано аналіз впливу конструктивних і режимних параметрів на температуру підігріву повітря та розроблено рекомендації щодо конструювання трубчастих теплообмінників для регенеративних пальників термічних печей.

У моделі прийняті наступні припущення: стінки труб розглядали, як термічно тонкі; теплофізичні властивості газоподібних теплоносіїв і матеріалу стінки залежні від температури; трубна насадка має рівномірний початковий розподіл температури.

Систему рівнянь (6)-(8) вирішували методом елементарних теплових балансів за неявною різницевою схемою. Параметри кінцево-різницевої сітки і обиралися таким чином, щоб розходження між попередніми та подальшими ітераціями не перевищувало 1 %.

Адаптацію математичної моделі проводили шляхом порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними для сталого (квазістаціонарного) стану роботи регенератора. Розходження результатів розрахункових значень температур диму та повітря по висоті насадки із температурами, які отримані в ході досліджень, не перевищило 7 %. Саме це дозволяє виконувати розрахунок трубчастих мінірегенераторів з достовірністю, достатньою для їхньої промислової експлуатації.

Встановлено, що при товщині стінки ? 2,5 мм температурні поля газоподібних теплоносіїв і сталевої трубної насадки регенератора можна обчислювати без урахування поздовжньої теплопровідності труб із похибкою до 1 %.

За допомогою адаптованої моделі проведено чисельне дослідження впливу конструктивних і режимних параметрів мінірегенератора на температуру підігріву повітря й інші показники його роботи. Результати розрахунків показали, що на температуру підігріву повітря й коефіцієнт регенерації теплоти найбільш впливають діаметр і довжина труб, а також швидкість теплоносія. За однією і тією ж величиною теплової потужності регенеративного пальника та температури нагріву повітря при збільшенні швидкості теплоносія та зі зменшенням діаметру труб знижується маса насадки. Чим більше довжина труб за інших однакових умов, тим вищий коефіцієнт регенерації теплоти.

Збільшення тривалості періоду приводить до зростання коливання температури підігріву повітря протягом періоду, що може негативно вплинути на технологію нагріву металу в печі. За результатами математичного моделювання теплообміну в регенераторі отримано наступну регресійну залежність від співвідношення витратної теплоємності повітря, що пройшло через регенератор протягом періоду, до теплоємності насадки: де - загальна витрата повітря, ; , - середня питома теплоємність повітря, і трубної насадки, відповідно; - маса насадки, кг.

Коефіцієнт детермінації залежності (9) склав .

Розрахунки довели, що при розміщенні труб у насадці рядами впритул одна до одної, зовнішня теплообмінна поверхня труб використовується недостатньо ефективно. У залежності від діаметру труб витрата газу ззовні труб складає 6-20 % від загальної. З метою мінімізації маси насадки регенератора необхідно прагнути до максимальної кількості теплоти на одиницю маси насадки шляхом ефективного використання як внутрішньої, так і зовнішньої поверхні труб.

Для труб з мм, мм крок між осями труб у рядах, що задовольняє рівнянню (12), складає мм. При цьому маса трубної насадки за умови однакової температури нагріву повітря зменшується на 40 % у порівнянні з насадкою, що має мм і на 20 % у порівнянні з насадкою, що має мм.

Розроблено наступні практичні рекомендації щодо конструювання трубчастих мінірегенераторів для термічних печей з робочою температурою до 1100 °С:

1. З метою мінімізації маси насадки мінірегенератора рекомендується використовувати труби із найменшим за умови засмічення пилом внутрішнім діаметром мм і товщиною стінки мм (подальше зменшення діаметру труб призведе до неможливості тривалої роботи насадки мінірегенератора в умовах запилених пічних газів); здійснювати компоновку труб у насадці рядами з кроком мм, а також застосовувати максимально можливу швидкість теплоносіїв при постійній їх витраті з урахуванням обмежень висоти насадки, перепаду температури нагріву повітря та величини аеродинамічного опору.

2. Для зниження вартості металевої насадки рекомендується виконувати її по висоті з труб різних марок сталі: високотемпературну частину - з корозійностійкої хромонікелевої сталі, низькотемпературну - з вуглецевої (патент на корисну модель № 20797).

У четвертому розділі дисертаційної роботи розроблено методику розрахунку трубчастого теплообмінника при заданій тепловій потужності регенеративного пальника з урахуванням технологічних обмежень та представлені технічні пропозиції, щодо переводу прохідної газової печі цеху № 76 ДП «Виробниче об'єднання Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова» (м. Дніпропетровськ) та прохідної роликової печі трубоволочильного цеху ЗАТ «Centravis Production Ukraine» (м. Нікополь) з існуючої системи опалення на регенеративну з метою підвищення ступеня утилізації теплоти пічних газів та економії енергоресурсів.

У розрахунку трубчастого мінірегенератора задаються наступні вихідні дані: теплова потужність пальника; склад і теплота згорання палива; витрата повітря відповідно до заданого коефіцієнта надлишку; температура диму та повітря на вході в регенератор; температура повітря в середньому за період на виході з насадки; характеристика труб насадки: зовнішній діаметр, товщина стінки, матеріал і розташування труб у регенеративній камері; тривалість димового та повітряного періодів. В ході розрахунку визначаються: витрата димових газів, яку необхідно пропустити через регенератор, щоб отримати температуру диму на виході з насадки, яка дорівнює °С; необхідна маса труб, що забезпечує припустимий перепад температури нагріву повітря з регресійної залежності (9); довжина та кількість труб в насадці за умови отримання заданої протягом період температури підігріву повітря при різній швидкості теплоносія.

Нижче наведено приклад вибору параметрів регенератора за результатами розрахунку для наступних вихідних даних: дим з печі подавався в регенеративну камеру з постійною витратою 72 , температура диму перед регенератором 1000 °С, повітря - 20 °C, тривалість димового та повітряного періодів - 60 с. Розрахунки виконано для вертикально розташованої в камері регенератора насадки, яка складається з труб корозійностійкої сталі Х18Н10Т з мм, мм, крок між осями труб мм.

За результатами розрахунку будується графік залежності маси й аеродинамічного опору насадки від швидкості теплоносія (рис. 3). По рис. 3 визначається швидкість теплоносія у вільному перерізі камери, яка відповідає необхідній масі насадки, що забезпечує припустимий перепад температур нагріву повітря .

На рис. 4 наведена розрахункова залежність довжини та кількості труб, а також площі поперечного перерізу камери від швидкості теплоносія. По рис. 4 визначаються довжина та кількість труб, площа поперечного перерізу камери регенератора за обраною з рис. 3 швидкістю теплоносія. Якщо втрати тиску за рухом теплоносія через насадку або довжина труб перевищують прийняті обмеження, то слід зменшити швидкість теплоносія.

З використанням викладеної методики розрахунку розроблено технічну пропозицію щодо переведення тризонної прохідної печі для загартування ливарних форм цеху № 76 ДП «Виробниче об'єднання Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова» на регенеративну опалювальну систему. Витрата природного газу на піч складає 75 м³/год, повітря - 783 м³/год. Передбачається заміна десяти інжекційних пальників шістьма регенеративними. Повітря в трубчастих регенераторах підігріється до температури 800 °С, а димові гази, що поступають в насадку з температурою 950 °С, охолоджуються до 170 °С. Коефіцієнт регенерації отримано рівним 76,2 %. Економія природного газу та зниження шкідливих викидів у навколишнє середовище складуть 34,7 % при збільшенні коефіцієнта використання палива з 0,54 до 0,83. Очікуване річне заощадження коштів від зниження споживання природного газу за ціною 2000 грн/1000 м³ станове 324,5 тис. грн.

Також розроблено технічну пропозицію щодо реконструкції системи опалення прохідної роликової печі, встановленої в трубоволочильному цеху ЗАТ «Centravis Production Ukraine». Піч опалюється природним газом з теплотою згорання 35 МДж/м³ і обладнана 40-ка пальниками типу ГНП-4. Середня годинна витрата природного газу на піч дорівнює 380 м³/год. Пропонується замінити існуючі пальники на регенеративні, скоротивши кількість пальників до 20 шт. Температура підігріву повітря на виході з трубчастого регенератора дорівнюватиме 850 °С при температурі димових газів 1000 °С. Коефіцієнт регенерації - 77,1 %. Економія природного газу та зниження шкідливих викидів у навколишнє середовище складуть 31,8 % при збільшенні коефіцієнта використання палива з 0,56 до 0,83. Очікуване річне заощадження коштів від зниження витрати природного газу на піч станове 956,5 тис. грн.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну задачу - зниження споживання природного газу в термічних печах і поліпшення екологічного стану навколишнього середовища шляхом розробки, дослідження та застосування нового різновиду теплообмінної насадки мінірегенератора для ефективної утилізації теплоти пічних газів.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Аналіз науково-технічної літератури показав, що перспективним заходом, спрямованим на підвищення ефективності роботи мінірегенераторів, є розробка нових типів насадок, які мають високу ступінь утилізації теплоти димових газів промислових печей, малий аеродинамічний опір, не схильні до руйнування через термічні напруги та здатні тривалий час працювати в умовах запилених димових газів. Отже, саме такі властивості має насадка, що складається з пучка труб корозійностійкої сталі.

2. Експериментально визначено нестаціонарні температурні поля димових газів, повітря та стінки однієї з труб насадки мінірегенератора в умовах частої зміни періодів нагріву й охолодження. У зв'язку з нерівномірним розподілом потоку газу в поперечному перерізі багатотрубного пучка запропоновано балансовий спосіб визначення фактичної середньої швидкості газів у досліджуваній трубі за виміряними температурами газів і стінки труби. Тепловий баланс для теплоносіїв, що нагріваються й охолоджуються, дотримується з розбіжністю 1,5 %.

3. За результатами експерименту визначені середні по довжині труби коефіцієнти конвективної тепловіддачі в умовах ламінарної течії газоподібних теплоносіїв у вертикальній трубі круглого перерізу (Re < 2300) та за збігом напрямів вимушеного та вільного руху. Середній по довжині труби коефіцієнт тепловіддачі від димових газів до стінки труби дорівнює 58,6 , а від стінки труби до повітря - 51,0 при . Рекомендовано формули для достовірного визначення чисел Нусельта при проектуванні теплообмінників щодо регенеративних пальників.

4. Розроблено математичну модель теплообміну в трубній насадці з урахуванням поздовжньої теплопровідності труб і за результатами, отриманими в ході випробування трубчастого мінірегенератора, виконано її адаптацію. Розходження результатів розрахункових значень температур диму та повітря по висоті насадки з температурами, отриманими в ході експерименту, не перевищило 7 %. Встановлено, що при товщині стінки ? 2,5 мм перенесенням теплоти теплопровідністю в поздовжньому напряму пучка труб можна знехтувати. Причому похибка у розрахунку температур теплоносіїв і сталевої трубної насадки не перевищить ~ 1 %.

5. Проведено розрахунки впливу конструктивних і режимних параметрів на основні характеристики роботи мінірегенератора. Результати розрахунків довели, що на температуру підігріву повітря найбільш впливають швидкість теплоносіїв та діаметр і довжина труб. За однією і тією ж величиною теплової потужності регенеративного пальника та температурою нагріву повітря при зростанні швидкості теплоносія та зі зменшенням діаметру труб знижується маса насадки. Чим більше довжина труб за інших однакових умов, тим вищий коефіцієнт регенерації теплоти.

6. Отримано залежність коливання температур повітря протягом періоду його нагріву від співвідношення витратної теплоємності повітря за період і теплоємності насадки. Залежність дозволяє визначити масу пучка труб, що забезпечує припустимий перепад температури нагріву повітря.

7. Однакові умови теплообміну всередині та ззовні труб дозволяють істотно знизити матеріалоємність теплообмінника при досягненні однієї і тієї ж температури підігріву повітря. Задля виконання цих умов запропоновано розміщувати труби в насадці рядами з оптимальним кроком між їх осями, величина якого обчислюється з рівняння .

8. З метою мінімізації маси насадки мінірегенератора рекомендується використовувати труби з найменшим за умови засмічення пилом внутрішнім діаметром мм і товщиною стінки мм; здійснювати компоновку труб у насадці рядами з кроком мм, визначеним з представленого вище рівняння, а також застосовувати максимально можливу швидкість теплоносіїв з урахуванням обмежень висоти насадки, перепаду температури нагріву повітря та величини аеродинамічного опору. При температурі димових газів у печі до 1100 °С для зниження вартості металевої насадки рекомендується виконувати її по висоті з труб різних марок сталі: високотемпературну частину - з хромонікелевої сталі, низькотемпературну - з вуглецевої (патент на корисну модель № 20797).

9. Розроблено методику розрахунку трубчастого теплообмінника з урахуванням технологічних обмежень та технічні пропозиції щодо заміни існуючої системи опалення двох промислових термічних печей на регенеративну систему із застосуванням трубчастих мінірегенераторів. За результатами реалізації запропонованої пропозиції на прохідній термічної печі ДП «Виробниче об'єднання Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова» буде зекономлено 34,7 % природного газу при збільшенні коефіцієнту використання теплоти палива (КВП) від 0,54 до 0,83, а на роликовій печі ЗАТ «Centravis Production Ukraine» - 31,8 % при збільшенні КВП від 0,56 до 0,83.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В НАСТУПНИХ НАУКОВИХ РОБОТАХ

1. Губинский В. И. Балансовый способ определения локальной скорости теплоносителя в импульсной трубке многотрубного пучка / В. И. Губинский, Л. А. Воробьева // Металлургическая теплотехника: сб. научн. тр. Национальной металлургической академии Украины. - 2009. - С. 80-86.

2. Воробьева Л. А. Сравнительные характеристики регенеративных горелок с шариковой и трубчатой насадкой / Л. А. Воробьева, В. И. Губинский // Металлургическая теплотехника: сб. научн. тр. Национальной металлургической академии Украины. - 2008. - С. 55-68.

3. Губинский В. И. Анализ эффективности работы минирегенератора с трубной насадкой / В. И. Губинский, Л. А. Воробьева // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - № 6. - С. 109-112.

4. Воробьева Л. А. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления в металлическом трубчатом регенераторе / Л. А. Воробьева, Г. М. Затопляев, В. И. Губинский и др. // Металлургическая теплотехника: сб. научн. тр. Национальной металлургической академии Украины. - 2007. - С. 71-77.

5. Губинский В. И. Теплообмен в металлическом трубчатом регенераторе / В. И. Губинский, Л. А. Воробьева // Металлургическая теплотехника: сб. научн. тр. Национальной металлургической академии Украины. - 2006. - С. 121-131.

6. Воробьева Л. А. Перспективные направления утилизации теплоты в промышленных печах / Л. А. Воробьева // Металлургическая теплотехника : сб. научн. тр. Национальной металлургической академии Украины. - 2005. - В 2-х книгах, кн. 1. - С. 80-86.

7. Патент на корисну модель № 20797, МПК(2007) F28D 19/00, F28F 1/00. Насадка регенеративного теплообмінника; Губинський В. Й., Затопляєв Г. М., Воробйова Л. О. Номер заявки: u 2006 08704; Заявл. 03. 08. 2006. Опубл. 15.02.2007. Бюл. № 2.

8. Губинский В. И. Развитие теории и опыт исследования тепломассообменных процессов в аппаратах с плотным слоем / В. И. Губинский, М. В. Губинский, А. О. Еремин, С. С. Федоров, Г. Л. Шевченко, Л. А. Воробьёва // Сб. тр. международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И. Китаева», г. Екатеринбург, Россия, 11-14 февраля 2009 г. - С. 125-129.

9. Воробьёва Л. А. Сокращение валовых выбросов в окружающую среду за счет применения металлического трубчатого минирегенератора в промышленных печах / Л. А. Воробьёва, В. И. Губинский // Труды научно-технической конференции «Екологічні проблеми металургійного та гірничодобувного комплексу України», г. Днепропетровск, Украина, 2-3 декабря 2008 г. - С. 31-35.

10. Губинский В. И. Металлический трубчатый минирегенератор для термических печей / В. И. Губинский, Г. М. Затопляев, Л. А. Воробьёва // Труды XV международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии», г. Днепропетровск, Украина, 7-9 октября 2008 г. - С. 75-76.

11. Gubinskiy V. The analysis of effectiveness of the compact regenerator using the packing of heat-resistant pipes / V. Gubinskiy, L. Vorobyova // «8th International symposium of croatian matallurgical society», Љibenik, Croatia, June 22nd - 26th 2008. - P. 259.

12. Губинский В. И. Теория и практика конструирования топливных нагревательных и термических печей нового поколения / В. И. Губинский, М. В. Губинский, А. О. Ерёмин, А. В. Сибирь, Л. А. Воробьёва // Тезисы докладов и сообщений «VI Минский международный форум по тепло- и массообмену», г. Минск, Беларусь, 19-23 мая 2008 г. - Т. 2. - С. 314-315.

Размещено на Allbest.ru