автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование газодинамики и конвективного теплообмена в пламенных нагревательных печах

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Физическое моделирование движения газов и конвективного теплообмена.

1.1. Теоретические основы моделирования.

1.2. Изучение процессов конвективного теплообмена в различных системах.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. Методика исследований.

2. 1. Исследование газовой динамики.

2.2. Исследование конвективного теплообмена.

2. 3. Выводы.

ГЛАВА 3. Исследование движения газов и конвективного теплообмена в камерной нагревательной печи.

3. 1. Балансовое исследование печи - аналога.

3.2. Моделирование газодинамики и теплообмена в печи исходной конструкции.

3.3. Результаты исследования первого варианта реконструкции печи.

3.4. Результаты исследования второго варианта реконструкции печи.

3.5. Результаты исследования третьего варианта реконструкции печи.

3.6. Анализ схем отопления камерной печи для нагрева изделий различной формы.

3. 7. Влияние режима движения и коэффициента заполнения печи металлом на интенсивность конвективного теплообмена

3. 8. Выводы.

ГЛАВА 4. Исследование движения газов и конвективного теплообмена в нагревательном колодце.

4. 1. Балансовое исследование печи - аналога.

4. 2. Результаты моделирования газодинамики и теплообмена в исходной конструкции нагревательного колодца.

4. 3. Результаты моделирования газодинамики и теплообмена в новой конструкции нагревательного колодца.

4. 4. Выводы.

ГЛАВА 5. Исследование движения газов и конвективного теплообмена в методической печи.

5.1. Балансовое исследование печи - аналога.

5.2. Моделирование газодинамики и теплообмена в сварочной зоне методической печи с целью изменения ее конструкции.

5.3. Балансовое исследование печи - аналога с новой конструкцией сварочной зоны.

5. 4. Выводы.

Рост экономики страны во многом зависит от уровня промышленности, который определяется наличием в каждой отрасли современного оборудования и технологий. Одним из важнейших показателей работы, которым должно обладать то или иное производство, являются его энергетические затраты на единицу выпускаемой продукции.

В экономически развитых странах появляются технологии, позволяющие резко снизить потребление топливно-энергетических ресурсов. В новых экономических отношениях в нашей стране, для повышения конкурентоспособности товаров на мировом рынке, острой стала проблема перехода от старых энергоемких на новые менее затратные виды производств.

Часто усовершенствовать всю цепочку какого-либо производства не представляется возможным из-за причин, в основном связанных с отсутствием необходимого объема средств. Поэтому в настоящее время приходится заниматься реконструкцией или переоборудованием отдельных звеньев производственной цепи.

Перед металлургической промышленностью проблема снижения топливно-энергетических затрат на производство продукции обостряется наличием не только большого количества разнообразного оборудования, но и устаревших технологий.

Данная диссертация посвящена изучению процессов газодинамики и теплообмена непосредственно в пламенных нагревательных печах различных типов и на их физических моделях.

Цель работы - на основе комплексных исследований тепловых агрегатов снизить потребление топливно-энергетических ресурсов при тепловой обработке металла в печах прокатного производства.

Обозначенная цель была достигнута с помощью решения задач, направленных на реконструкцию тепловых агрегатов, что обеспечило интенсификацию теплообмена в рабочем пространстве печей. Резервы интенсификации нагрева изделий в пламенных печах за счет излучения практически исчерпаны, поэтому в настоящее время дальнейшая интенсификация теплообмена может быть осуществлена за счет конвекции. Этого можно достичь путем нахождения оптимального сочетания конструкции рабочего пространства, схемы отопления и размещения технологического материала в печи. Выше перечисленные факторы позволят не только усилить конвективный нагрев, но и решить проблему неравномерности нагрева металла. Две важнейшие задачи интенсивности и равномерности нагрева в различных типах нагревательных печей можно решить, без больших экономических и временных затрат, с помощью физического моделирования.

Задачи по реконструкции печей решались на основе результатов предварительных балансовых исследований и с помощью новой методики физического моделирования процессов, происходящих в печах, разработанной сотрудниками кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии». Методика позволяет воспроизвести в модели два основных процесса: движение газовой среды и конвективный теплообмен, от которых в большей степени зависит интенсивность и равномерность тепловой обработки металлопродукции.

Таким образом, на основании результатов физического моделирования предлагаются решения по реконструкции реальных печей, в результате реализации которых появляются новые конструкции тепловых агрегатов с улучшенными теплотехническими показателями, обеспечивающими снижение энергозатрат на нагрев металла.

5. 4 Выводы

1. Проведены комплексные исследования натуральной методической печи. Полученные результаты позволили проанализировать работу действующей печи и топливосжигающего устройства. Предварительные результаты первого этапа балансовых исследований позволили определить основные недостатки в работе печи и горелки, и также наметить ряд первоочередных мероприятий направленных на увеличение производительности печи. Основными из них были: установка в нижней части сварочной зоны дополнительных боковых горелок, изменение конструкции горелки, улучшение тепловой изоляции глиссажных труб.

2. После осуществления предложений, составленных по результатам балансового исследования, проведена оценка правильности отдельных изменений конструкции методической печи. С этой целью проведены: новое балансовое исследование печи с экспериментальным нагревом опытной заготовки, расчет теплового баланса и испытание горелки новой конструкции на огневом стенде ВНИИМТ.

3. Осуществление трехзонного режима нагрева металла на втором этапе исследований показало его преимущество, полученное за счет установки боковых горелок новой конструкции, при испытании которых были получены высокие теплообменные и аэродинамические характеристики по сравнению с прежней горелкой. Данные мероприятия значительно увеличили степень равномерности нагрева металла и уменьшили на 10 % расход условного топлива.

4. Результаты второго балансового исследования показали правильность выбранных направлений реконструкции печи и позволили окончательно определиться с необходимыми изменениями в конструкции методической печи, которые было решено проверить сначала на модели печи.

5. В связи с предстоящим увеличением производительности печи проведена оценка работы действующего рекуператора и рассчитана измененная его конструкция, которая позволила повысить температуру подогрева воздуха с 300 до 500 °С.

6. Проведены исследования газовой динамики и теплообмена на физической модели сварочной зоны с целью интенсификации тепловой работы печи. Для этого проводилась отработка положения топливосжигающих устройств с различными вариантами угла их наклона к поверхности металла. Чтобы сформировать оптимальные режимы нагрева металла, в модели изменяли отношение расходов газа томильной и сварочной зон. Найдено наиболее эффективное сочетание угла наклона топливосжигающих устройств и изменяемого отношения расходов газа томильной и сварочной зон с точки зрения интенсивного и равномерного нагрева металла. По результатам исследований предложен новый профиль свода и увеличенный до 25° угол наклона горелок сварочной зоны, позволяющие интенсифицировать конвективный теплообмен на 15.20 %. Для подтверждения предположений, полученных в ходе моделирования, проведено третье балансовое исследование реконструированной методической печи.

7. Теплотехническое обследование реконструированной методической печи подтвердило увеличение ее производительности. Установлено, что нагрев металла в печи происходит в соответствии с требованиями технологической инструкции по равномерности, как по поверхности нагрева, так и по сечению. Коэффициент полезного действия увеличился на 32 %, а удельный расход топлива уменьшился в среднем на 11 %; увеличилась стойкость свода и горелочных туннелей, что позволило эксплуатировать печь от одного капитального ремонта до другого, без промежуточных ремонтов.

Таким образом, проведенные комплексные исследования на печи и на модели подтвердили действенность разработанной методики физического моделирования при решении вопросов реконструкции печей с целью повышения производительности и снижения затрат на единицу продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В предложенной диссертационной работе представлены материалы экспериментальных исследований тепловой работы типовых пламенных нагревательных печей и их физических моделей.

Рассмотрены конструкции и тепловая работа различных по классу печей, нагревающих металл перед обработкой давлением: камерные печи с изменяющейся рабочей температурой, нагревательные колодцы и методические печи.

Основной целью диссертационной работы является исследование и разработка усовершенствованных конструкций нагревательных пламенных печей, обеспечивающих увеличение производительности, снижение энергозатрат и повышение качества нагреваемого металла.

Для решения поставленных задач использована методика комплексных балансовых исследований выше указанных нагревательных печей, а также разработана усовершенствованная методика исследования процессов газодинамики и теплообмена на физических моделях печей.

Интенсификация теплообмена в рабочем пространстве нагревательных печей с целью повышения производительности и качества нагрева металла является одной из сложных задач металлургической теплотехники. Решение этих задач за счет интенсификации лучистого теплообмена в настоящее время становится все труднее вследствие невозможности дальнейшего повышения температуры огнеупорных материалов.

В данной работе делается ставка на конвективный теплообмен как источник интенсификации за счет усиления газодинамических характеристик продуктов горения, движущихся относительно поверхности нагреваемого металла.

Основными результатами работы являются:

1. Разработана усовершенствованная методика и аппаратурное оформление исследования газодинамики и конвективного теплообмена на физических моделях нагревательных печей.

2. Проведены сравнительные исследования теплотехнических и модельных испытаний печей, подтверждающих адекватность результатов исследований на физических моделях и их натурных аналогах.

3. Получены экспериментальные значения локальных и усредненных коэффициентов конвективного теплообмена в рабочем пространстве моделей нагревательных печей различных классов. На основании анализа полей коэффициентов теплообмена выведена обобщающая критериальная зависимость, позволяющая рассчитывать конвективную составляющую сложного теплообмена в камерных нагревательных печах с различными коэффициентами заполнения рабочего пространства металлом.

4. Разработаны с использованием методики моделирования рациональные конструкции камерной печи и нагревательного колодца, обеспечивающие повышенную равномерность нагрева металла.

5. Проанализирована тепловая работа методических толкательных нагревательных печей на основе комплексных балансовых исследований, результаты которых подтверждены данными, полученными с использованием методики моделирования.

На основании анализа теплотехнических и модельных исследований предложены новые профили свода методических печей, оптимальные углы наклона топливосжигающих устройств и рациональное соотношение расходов газовых потоков, вводимых в сварочную и томильную зоны этих печей.

6. Предложена методика пересчета коэффициентов теплообмена, полученных при модельных исследованиях, в реальные коэффициенты теплообмена, которые необходимо использовать в математических моделях, описывающих тепловую работу реальных печей.

Таким образом, разработанная усовершенствованна методика физического моделирования газодинамики и конвективного теплообмена в рабочем пространстве нагревательных печей различных классов обеспечила получение новых научных и практических результатов совершенствования конструкций и тепловой работы этих печей, обеспечивающих необходимую производительность, повышенную равномерность нагрева металла и снижение затрат топлива и огнеупорных материалов на единицу нагреваемой продукции.

1. Лисиенко В. Г., Волков В. В., Гончаров А. Л. Математическое моделирование теплообмена в печах и агрегатах. Киев: Наукова думка, 1984. - 232 с.

2. Кирпичев М. В., Гухман А. А. Теория подобия.// Труды ин-та/ Гос. физ. тех. лаб.- 1929. -Вып. 9.

3. Кирпичев М. В., Михеев М. А. Моделирование тепловых устройств. М-Л.: Академия наук СССР, 1936.-235 с.

4. Иванцов Г. П. Элементы теории подобия и методика расчета моделей, принятая в лаборатории Стальпроекта. Сб. Движение газов в печах. ОНТИ. -М-Л., 1936.

5. Эйгенсон Л. С. Моделирование. М.: Советская наука, 1952. - 372 с.

6. Кутателадзе С. С., Ляховский Д. Н., Пермяков В. А. Моделирование теплоэнергетического оборудования. М- Л.: Энергия, 1966. - 350 с.

7. Аэродинамика современных методических нагревательных печей / Белов И. В., Кабанов Г. К., Постников Ю. Д., Окулов Б. К.// Металлургическая теплотехника: Тематический отраслевой сборник № 1. М., Металлургия, - 1972. С. 22 -24.

8. Краснокутский П. Г., Кривандин В. А., Шперный А. В., Подоляко Г. М. Исследование конвективного теплообмена в камере печи в зависимости от угла набегания струи на плоскую поверхность // Известия вузов. ЧМ. 1985. - № 4. -С. 100- 103.

9. Изотермическое моделирование полей статических давлений при изотермическом движении газов в металлургических печах. В 38 т. Т 11. / Бойчев Г., Ан-досоров А. М.: Металлургия (НРБ), 1983. - С. 11 - 12.

10. Шукин В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение, 1970. - 332 с.

11. Дружинин Г. М., Арсеев А. В. Исследование теплообмена в циклонной камере// Горение, теплообмен и нагрев металла. -М., 1973. № 24. - С. 191 - 198.

12. Сабуров Э. Н. Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах. Л.: Изд. ЛГУ, 1982. - 240 с.

13. Сабуров Э. Н., Леухин Ю. Л. Теплопередача на боковой поверхности цилиндрической камеры с закрученным движением теплоносителя// Известия вузов. Энергия. 1985. - № 3 - С. 78 - 82.

14. Конвективный поток в завихренном потоке под давлением / Делягин Г. Н.// Новые методы сжигания топлива и вопросы теории горения. М., 1981. - № XIX,-С. 37-40.

15. Шукин В. К., Халатов А. А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982. -200 с.

16. Калишевский Л. Л., Хвостов В. И. Исследование структуры топочного процесса в горизонтальной циклонной камере// 3 -е совещание по теории горения. Т. 2: Горение неоднородных систем. М., 1960. -С. 295 - 300.

17. Ростковский С. Е. Огневое моделирование беспламенных прокатных печей// Труды конференции по моделированию.// ЭНИН АН СССР, 1960. С. 85 - 92.

18. Тепловой расчет котельных агрегатов. -2-е изд. М.: Энергия, 1973. - 295 с.

19. Рубинштейн Я. М. Метод аналогии с диффузией и применение его для исследования теплоотдачи в вынужденном потоке// Исследование регулирования, теплопередачи и обратного охлаждения. М., ГОНТИ, 1936. - С. 18-24.

20. Иодко Э. А., Шкляр В. С. Моделирование тепловых процессов в металлургии. -М.: Металлургия, 1967. 167 с.

21. Кейс В. М. Конвективный тепло- и массообмен. М.: Энергия, 1972. -346 с.

22. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.: Иностранная литература, 1958. - 566 с.

23. Colbyrn А. Р. // Ind. Eng. Chem. 1930. - Vol. 22. - P. 917 - 970.

24. Chilton Т. H., Colbyrn A. P. // Ind. Eng. Chem. 1936. - Vol. 26. -P. 87 - 95.

25. Sogin H. H. Sublimation from Disks to Air Streams Flowing Normal to their Surfa// Transections of ASME. 1958. - Vol. 80, № 1. - P. 61 - 69.

26. Казяев М. Д. Повышение эффективности сжигания природного газа в камерных нагревательных печах: Дис. канд. техн. наук: 05.16.02 / УПИ. Свердловск, 1973.-234 с.

27. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.-472 с.

28. Устхьюзен П., Мэден С. Смешанная конвективная теплоотдача от горизонтальных цилиндров // Теплопередача. 1970. -№ 1. - С. 145- 147.

29. Холлуорт Б. Р., Берри Р. Д. Теплообмен при натекании на поверхность системы струй с большим шагом отверстий // Теплопередача. 1978. - № 2. - С. 203-210.

30. Исследование конвективной теплоотдачи к плите в струйном потоке газов: Сб. науч. труд. № 8./ Регенеративный теплообмен. Теплоотдача в струйном потоке / Тимофеев В. Н., Февралева М. А., Вавилова М. А. Свердловск: Металлургиздат, 1962. - С. 431 - 453.

31. Зобнин Б. Ф., Казяев М. Д., Полуян П. Н. Пути повышения эффективности использования природного газа в камерных термических печах./ (Обзорная информация). ВНИИЭгазпром. Вып. 5. Серия: Использование газа в народном хозяйстве. М., 1977. - 36 с.

32. Шлеймович Е. М. Разработка и применение методов расчета сложного теплообмена при турбулентных отрывных течениях в металлургических печах с целью совершенствования их тепловой работы: Дис. канд. техн. наук: 05.13.18 / УПИ. Свердловск, 1989. - 221 с.

33. Лошкарев Н. Б. Совершенствование конструкций нагревательных печей на основе физического моделирования теплообмена: Дис. канд. техн. наук: 05.16.02/УПИ. Свердловск, 1989. - 134 с.

34. Расчет нагревательных и термических печей: Справочник/ Под. ред. В. М. Тымчака, В. А. Гусовского. М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

35. Зобнин Б. Ф. Нагревательные печи (теория и расчет). М.: Машиностроение, 1964.-311 с.

36. Адрианов В. А. Основы радиационного и сложного теплообмена. М.: Энергия, 1972.-464 с.

37. Михеев М. А. Основы теплопередачи. 3-е изд. перераб. - М.: Госэнергоиз-дат, 1956.-392 с.

38. Советкин В. JL, Федяева Л. А. Теплофизические свойства веществ: Учебное пособие. Свердловск: УПИ, 1990. - 104 с.

39. Зайдель А. Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. -108 с.

40. Немзер Г. Г. Тепловые процессы производства крупных поковок. Л.: Машиностроение, 1979. - 272 с.

41. Немзер Г. Г. Тепло-технология кузнечно-прессового производства. Л.: Машиностроение, 1988. - 320 с.

42. Зобнин Б. Ф. Конструирование и инженерный расчет нагревательных печей.// Тепловые процессы в кузнечно-штамповочном производстве. Л.: Машиностроение, 1969. - С. 5 - 9.

43. Зобнин Б. Ф., Казяев М. Д., Литвинов В. 3. И др. Зависимость теплового состояния слитков от условий охлаждения// Кузнечно-штамповочное производство. 1983.-№ 11. - С. 24-25.

44. Нагревательные печи кузнечно-прессового цеха Ижорского завода: Сб. тр./ ВНИПИ Теплопроект/ Муромский Л. Н., Трифонов Б. А., Тихонов П. И. М.: 1975.-С. 50-59.

45. Исследование тепловой работы печей с выдвижным подом с целью утилизации тепла отходящих газов: Отчет о НИР/ Руковод. работы. М. Д. Казяев. Свердловск: УПИ, 1991. 89 с. - Исполн. Маркин В. П., Лошкарев Н. Б.

46. Казанцев Е. И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975. - 368 с.

47. Совершенствование конструкции газовой камерной печи с целью улучшения ее тепловой работы на основе моделирования: Отчет о НИР/ Руковод. работы. М. Д. Казяев. Свердловск: УПИ, 1992. - 93с. - Исполн. Маркин В. П., Лошкарев Н. Б.

48. Аксельруд Л. Г., Сухов И. И., Тымчак В. М. Нагревательные колодцы. М.: Металлургия, 1963. - 327 с.

49. Кривандин В. А., Егоров А. В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии. М.: Металлургия, 1989. - 463 с.

50. Каплан В. Г. Наладка и эксплуатация печей для нагрева металла. М.: Металлургия, 1961.-317с.

51. Исследование динамики нагрева металла и тепловой работы нагревательного колодца № 7 СМЗ. Отчет ОАО ВНИИМТ. Екатеринбург, 1997. - 50 с.

52. Казяев М. Д., Лошкарев Н. Б., Маркин В. П., Киселев Е. В. Совершенствование конструкции и тепловой работы методических печей с применением физического моделирования// Сталь. 2000. - №9. - С. 48 - 50.

53. Совершенствование конструкции и теплового режима нагревательных колодцев ОАО СМЗ: Отчет о НИР/ Руковод. работы М. Д. Казяев. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. - 86 с. - Исполн. Маркин В. П., Лошкарев Н. Б., Киселев Е. В.

54. Справочник конструктора печей прокатного производства. В 2 т. Т. 2./ Под ред. В. М. Тымчака. М.: Металлургия, 1970. - 992 с.

55. Гусовский В. Л., Оркин Л. Г., Тымчак В. М. Методические печи. М.: Металлургия, 1970. - 432 с.

56. Тайц Н. Ю., Розенгарт Ю. И. Методические нагревательные печи. М.: Ме-таллургиздат, 1964. -408 с.

57. Реконструкция и улучшение тепловых режимов нагревательных печей СМЗ: Отчет о НИР (часть I)/ Руковод. работы. Б. Ф. Зобнин. Свердловск: УПИ,1984. 98 с. - Исполн. Казяев М. Д., Маркин В. П., Лошкарев Н. Б.

58. Методика испытания горелок на установке «Большая камера». ВНИИМТ. Свердловск, 1978. 50 с.

59. Реконструкция и улучшение тепловых режимов нагревательных печей СМЗ: Отчет о НИР (часть II)/ Руковод. работы Б. Ф. Зобнин. Свердловск: УПИ,1985.-82с.- Исполн. Казяев М. Д., Маркин В. П., Лошкарев Н. Б.

60. Казяев М. Д., Киселев Е. В., Лошкарев Н. Б., Маркин В. П. Совершенствование конструкции и тепловой работы нагревательного колодца с применением физического моделирования// Сталь. 2002. - №5. - С. 74 - 76.