автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Комплексные исследования и разработкаэнергосберегающих и экологически перспективных теплотехнологий

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Новосибирский государственный технический университет

РГБ ОД

! !• ГСП ! \,1.Ч

УЖ 669.041, 532.526 На правах рукописи

Саломатов Владимир Васильевич

Комплексные исследования и разработка

энергосберегающих и экологически перспективных теплотехнологий

(Специальности: 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика, 05.14.14 - тепловые электрические станлии)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени доктора технических наук в форме научного доклада

Новосибирск - 1995

Работа выполнена в Институте теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН (г.Новосибирск)

Официальные оппоненты: академик Российской академии наук М.Ф.Жуков доктор технических наук, профессор А.А.Углов доктор технических наук, профессор В.Е.Мессерле

Ведущая организация -Уральский государственный технический университет.

Зашита состоится г. в _ часов на заседании специализированного со-

вета Л 063.34.04 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора наук при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г.Новосибирск, пр.К.Маркса, 20, НГТУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 1993г.

Учёный секретарь специализированного совета дт.н., профессор Г.В.Ноздренко

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В чёрной металлургии и теплоэнергетике России, являющимся наиболее энергоёмкими и с высоким уровнем токсичных выбросов секторами промышленности, приоритетное направление научно-технического прогресса - разработка и широкое тиражирование ресурсосберегающих и экологически чистых технологий. Техническую основу как чёрной металлургии, так и энергетики па органическом топливе составляют теплотехнологические комплексы, общим технологическим звеном которых являются топочные устройства (нагревательные печи, камеры сгорания парогенераторов). Разработка теории теплотехнологических процессов, а на этой базе оптимальная организация производства, определяющая пути повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов при соблюдении нормативов по выбросам в окружающую среду, является важной и актуальной проблемой. О масштабности энергосбережения в этих отраслях говорит тот факт, что внедрение прогрессивных теплотехнологий и мероприятий только в одной чёрной металлургии приводит к экономии энергии, вырабатываемой всей атомной энергетикой.

Реализация наивысших показателей в теплотехнологиях переработки исходного сырья в товарный продукт достигается в условиях предельного ресурсосбережения (Ключников А.Д.;Таусон Л.В.). Эта концепция базируется на применении энергоматериалосберегаю-щих и экологически совершенных теплотехнологических систем, основанных на принципах безотходности, замкнутости, непрерывности, синхронности и др. В рамках такого подхода современный металлургический комбинат должен функционировать как металлотеплоэлек-трохимкомплекс, а тепловая электростанция на угольном топливе - как энергоагропромком-илекс.

Фундаментальной основой энергоматериалосбережения и экологизации является физическое и математическое моделирование, оптимизация, опытно-промышленное освоение теплотехнологических процессов, а технической базой - теплотехнологические системы с совершенными технологиями и оборудованием.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с заданиями общегосударственных программ: - "Металлургическая теплотехника", Минчермета (раздел "Теплотехника производства проката и термообработки", направление 14.1.6.); - "Ресурсосберегающие процессы металлургии и химии", МНиТП, (раздел "сталь-прокат", направление 5); - "Экологически чистая энергетика",МНиТП, (раздел ЭЧТЭС, направление 4); - "Сибирь" РАН, (направление 7.02.); а также региональных программ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Теоретико-экспериментальное исследование рабочих процессов базовых теплотехнологических комплексов черной металлургии ("сталь- прокат") и теплоэнергетики ("энергоблок на твёрдом топливе") для создания ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: - Построена математическая модель теплотехнологий комплекса "сталь-прокат"¡проведены на её основе оптимизационные исследования рабочих процессов; дан качественный аиализ и представлены количественные оценки влияния режимных, конструктивных и физических характеристик на энергоэкономические параметры совмещённого теплотехнологического процесса; сформулированы практические рекомендации по реализации энергоматериалосберегающих технологий этого комплекса;

- Разработан эффективный приближённый метод решения широкого класса нелинейных краевых задач тепломассообмена, основанный на асимптотических разложениях с контролируемой погрешностью, с помощью которого удалось в частности справиться с расчётом и анализом нелинейных процессов: теплопроводности, нестационарного и стационарного конвективного теплообмена на теплоизлучающих поверхностях и в каналах, затверденания и

плавления металла, а также испарения микрослоя жидкости при поверхностном пузырьковом кипении; на этой базе созданы инженерные алгоритмы оперативных расчётов указанных процессов, успешно применяемые в режиме "советчика" технологами, автоматчиками, конструкторами и др. специалистами;

- Определены критерии и дана их количественная оценка, позволившая классифицировать процессы затвердевания, плавления, испарения по интенсивности теплового воздействия; выявлены временные масштабы процессов переноса с фазовыми превращениями;

- Теоретически установлено и экспериментально подтверждено влияние теплового излучения поверхности на закономерности нестационарного и стационарного конвективного теплообмена в пограничных слоях и каналах;

- С помощью модификации уравнения Релея найдены числовые значения безразмерных параметров, обеспечивающие "рабртоспособностъ" в теории кипения микрослоевой модели поверхностного пузырька; выявлены области параметров процесса, где существенно влияние теплофизических свойств материала теплопередающей стенки на интенсивность теплообмена;

- На базе физического эксперимента, математического моделирования и опытных испытаний топочных процессов рассмотрено влияние конструктивных и режимных параметров на характеристики работы топки парогенератора вихревого типа, обеспечивающие экономичность процесса горения, устойчивость выхода жидкого шлака и требуемый уровень токсичных выбросов.

- Разработаны концептуальные основы и технологические схемы экологически чистого угольного энергоблока на базе современных требований к экологическим и экономическим проблемам энергетики, с перспективными технологиями сжигания и очистки дымовых газов, утилизации отходов и замкнутыми циклами стоков, с созданием в конечном итоге на базе ТЭС энергоагропромкомплекса.

АПРОБАЦИЯ. Основные результаты докладовались и обсуждались на Международных и Всесоюзных конференциях и совещаниях:

- IV, V, VIII Международных форумах по тепломассообмену, Минск, 1972, 1976, 1988; Международном конгрессе "Аэрофизические методы исследований" .Новосибирск, 1994; Международной научно-практической конференции "Экобиоэн", Сочи, 1990; Международном семинаре "Новые технологии в энергетике в конце XX века", Новосибирск-Бийск, 1993; Международном семинаре "Новые технологии и техника в теплоэнергетике", Новосибирск-Гусиноозёрск, 1995; III Международной конференции по котлам "CFB", Нагоя, 1990; Всероссийской конференции "Математические проблемы экологии", Новосибирск, 1994; восьми Всесоюзных семинарах АН СССР по проблеме "Физика и химия обработки материалов концентрированными потоками энергии", Москва, 1969 - 1986; Всесоюзном совещании "Аналитические методы расчёта процессов тепло- и массопереноса", Душанбе, 1986; Всесоюзном семинаре "Совершенствование методов нагрева и охлаждения металла в прокатном производстве", Москва,1979; Всесоюзной конференции "Современные проблемы охраны окружающей среды", Новосибирск, 1992; XXI теплофизическом семинаре "Теплообмен и гидрогазодинамика при кипении и конденсации", Новосибирск, 1978; Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы научно-технического прогресса энергетического оборудования. Совершенствование и модернизация ТЭС", С-Петербург,1991;Всесоюзной школе "Современные проблемы экологии и ресурсосбережения", Новосибирск, 1990.; На заседании отделения физико-технических проблем энергетики АН СССР, Москва, 1989; V Всесоюзной научно-технической конференции "Температура-84", Львов,1984; III Всесоюзной школе "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 1984; Всесоюзной научно-технической конференции "Тепломассообмен и моделирование в энер-

гетических установках", Тула, 1979; Всесоюзной конференции "Повышение производительности и экономичности аагревательных печей", Днепропетровск, 1967; Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации",Рига, 1982; Всесоюзной конференции по гравитационной тепловой конвекции, Минск, ,1971; Всесоюзном симпозиуме "Аналитические методы в современных задачах теплопроводности", Душанбе, 1973; Научном Совете ГКНТ, секции "Массо- и теплоперенос в технологических процес-. сах", по теме "Энергосберегающие и экологические проблемы металлургического производства", Мариуполь, 1990; Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы тепловой работы металлургических печей", Днепропетровск, 1976; I, II Всесоюзных конференциях "Теплообмен в парогенераторах", Новосибирск, 1988, 1990; V Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ, Киев, 1974; IV,'V Всесоюзной конференции по теплообмену и. гидравлическому сопротивлению при .движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов, Ленинград, 1974, 1979; Всесоюзном семинаре "Численные решения задач с фазовыми в химическими превращениями", Киев, 1974; Секции ГКНТ "Экологически чистая ТЭС", Новосибирск, 1989;Объединённом заседании секции "Теплообмен излучением " ГКНТ СССР (чл.-корр. Петухов Б.С.)и секции тепломассообмена АН СССР (акалЛеонтьев А.И.),Томск, 1984; четырёх координационных совещаниях Минчер-мета СССР по научно-техническому направлению 14.1.6. "Теплотехника прбизводства проката и термообработки", Свердловск,1978,1980,1982,1984; одинадцати заседаниях НТС Координационного Совета Минэнерго СССР и МинВУЗа СССР по энергетике (председатель проф.Рассохин Н.Г.),1977 - 1986; четырёх заседаниях НТС МинВУЗа СССР по теплофизике (председатель проф.Сычёв В.В.), Москва, 1976,1979,1983,1985;

- на республиканских и региональных научно-технических конференциях и совещаниях:-на девяти семинарах кафедр теплофизического профиля ВУЗов Сибири и Дальнего Востока, 1978 - 1994; VII региональном семинаре по ноосферным взаимодействиям, Томск, 1993; научно-практической конференции "Теплоэнергетика электрических станций и промышленных установок", Красноярск, 1967;совещании "Наука - энергетике", Новосибирск, 1991; XII научно-технической конференции "НТП в чёрной металлургии", Темиртау, 1984; научно-технической конференции "Научные основы создания современной техники и технологии", Новосибирск, 1990; региональном семинаре "Новые технологии и научные разработки в энергетике", Новосибирск, 1994; IV, V конференциях по механике и математике, Томск, 1974, 1976; межвузовском научном семинаре "Использование ЭВМ в научных исследованиях", Иваново, 1982; научно-технической конференции ""Повышение производительности и экономичности печей для нагрева металла", Днепропетровск, 1973; научно-технической конференции "Вопросы теории и практики Энергетических установок", Владивосток,1973; научно-технической конференции "Тепломассоперенос в телах и системах при различных граничных условиях", Омск, 1971; региональной научно-технической конференции "Повышение надёжности и эффективности работы энергетических установок и систем", Томск, 1975; •межвузовской конференции "Температурные режимы - критерий надёжности энергетических машин и установок", Омск, 1972; региональной научно-технической конференции "Оптимизация процессов работы теплоэнергетических установок и систем",Томск,1977; семи сессиях Научного Совета СО АН СССР по к/п "Теплофизика и теплоэнергетика", 1975 - 1993; научно-технической конферендаи "Проблемы нагрева слитков с неполностью затвердевшей сердцевиной", Свердловск, 1983;

- на научно-технических советах следующих организаций: Карагандинского меткомби-ната,Темиртау, 1980 - 1992; Западно-Сибирского меткомбината, Новокузнецк, 1968 - 1994; Киргизского горно-металлургического комбината, 1982 -1992; а также фирмы "Альстрем",

Финляндия, 1990, Кузнецкого металлургического комбината,Московского энергетического, Сибирского металлургического, Томского, Уральского политехнического институтов, Казахского НИИ энергетики, Киевского института проблем литья, Харьковского института машиностроения, Киевского института автоматики и др.

Работа по данному научному докладу раскрыта в 2 монографиях, 97 статьях и материалах иауно-технических конференций, 2 препринтах, 4 изобретениях.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ:

Инженерные расчетные методики, математические модели и программные средства для них нашли применение и могут быть использованы теплотехническими службами предприятий черной металлургии и энергетики для реализации промышленных процессов со сниженными показателями по энергоёмкости и вредным выбросам.

Для целей прогнозирования режимов тепловой обработки кипящих, полуспокойных, спокойных сталей и вновь вводимых слитков разработанные компьютерные программы переданы КарМК, ЗСМК. Научные рекомендации по ведению оптимальной теплотехнологии обработки слитков массой 11 - 22 т. на комплексе "сталь-прокат" вошли составной частью в технологические инструкции КарМК, ЗСМК и гарантировали экономический аффект от внедрения в сумме 1.840 тыс. руб. в год ( в ценах до 1990 г.).

Методики оперативных расчётов теплотехнологических процессов (номограммы, графики, таблицы данных) переданы и используются в практике теплотехнических и энергетических лабораторий, отделов КарМК, ЗСМК, "Запорожспецстали", Киргизского горнометаллургического комбината, ЦКТИ, Новокемеровской ТЭЦ, ПО " Сибэнергомаш" и в других предприятиях.

Научный подход к созданию энергоблока как энергоагропромкомплекса нашёл воплощение в двух проектах ЭЧТЭС на канско-ачинских и кузнецких низкосортных углях. По итогам конкурса ГКНТ ЭЧТЭС (1989 г.) эксперты отдали проектам 11 (призовое) и 14 места соответственно из 140 допущенных и рекомендовали их к внедрению.

Данные физического и математического моделирования рабочих процессов в вихревой топке легли в основу разработки технических проектов и предложений (совместно с НПО ЦКТИ) модернизации котлов ТП-87 Новокемеровской ТЭЦ, БКЗ - 320 Новосибирской ТЭП-3, БКЗ - 640 Гусиноозёрской ГРЭС, а также нашли широкое применение при освоении и опытно-промышленных испытаниях котла ТПЕ-427 НТЭН-3.

Итоговые результаты научных исследований вошли также в справочник Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление . - М.: Энергоиздат, 1990; учебник Беляева Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности - М.: Высшая школа, 1982. монографию Накорякова В.Е., Горина A.B. Тепломассоперенос в двухфазных системах. -Новосибирск, Наука, 1994 и ряд других источников.

1. Исследование и оптимизация рабочих процессов комплекса "сталь-прокат". Разработка энергосберегающих теплотехнологий.

1.1 Состояние проблемы.Постановка задач исследований.

Главный теплотехнологический комплекс в сталеплавильном и прокатном переделах, на котором в основном формируется качество металлопродукции, реализован на базе промышленной системы "разливочный пролет - обжимный стан". Последовательность основных тех-

нологических операций в получении прокатных заготовок следующая:

• разливка жидкой стали; - охлаждение затвердевающего слитка в изложнице и при снятии изложницы; - посад плавки в нагревательную ячейку и ее нагрев; - выдача слитков на рольганг; - обжатие в клетях блюминга или слябинга. Снижение затрат времени на каждой операции, реализация экономичных теплотехнологических режимов, синхронизация темпа нагрева слитков с темпом прокатки,утилизация вторичного тепла переделов, определяю I интенсивные и ресурсосберегающие технологии комплекса.

Теплотехнологический комплекс "сталь-прокат" входит в число наиболее энергоёмких в сфере промышленной теплоэнергетики. Расход топлива в цикле подготовки слитков и заготовок к прокатке для крупного металлургического комбината составляет до 20% от всего потребления. Учитывая масштабы металлургического производства, именно здесь имеются особо крупные резервы экономии топлива. Поэтому такое важное внимание нами уделено проблемам создания и внедрения высокоэффективных теплотехнологических процессов этою комплекса с целью разработки энергосберегающих технологий с одновременным улучшением качественных показателей металлопродукции и экологии.

Эффективность теплотехнологических процессов производства прокатной продукции во многом детерминируется выбором режимов тепловой обработки слитков и заготовок, организованных таким образом, чтобы в полной мере удовлетворить следующим критериям: уменьшить удельный расход топлива и окалинообразование; - увеличить выход годного металла; - повысить производительность всего комплекса " сталь-прокат". В диссертационной работе прежде всего преследуется цель более полного использования физического тепла слитков на всех предыдущих стадиях технологической обработки перед нагревом под прокат ку. Оценка ВНИИМТ (г.Екатеринбург) показывает, что снижение удельного расхода условного топлива при повышении среднемассовой температуры посаженного на нагрев металла на 100°С составляет значительную величину порядка 4,8кг/т, а угар металла уменьшайся на 3 - 4% (отн) в результате сокращения пребывания слитка в нагревательной камере.

Научное обоснование энергометаллосберегаюших теплотехнологий комплекса "сталь-прокат", которые определяются более 30 параметрами, реально может\быть осуществлено лишь при математическом моделировании теплотехнологических процессов, т.к. проведение промышленного эксперимента в том объёме и количестве, который мог бы удовлетворить технологов - металлургов - практически невыполнимая задача.Математическое моделирование теплотехнологии даёт также возможность синтезировать разнородные по своей природе процессы в совмещённый процесс.

Следует особо подчеркнуть, что диапазон усовершенствования параметров современных теплотехнологий "сталь- прокат" чаше всего находится в границах влияния нелинейных эффектов в математических моделях. Поэтому столь важное внимание нами уделено разработке методов, решению и анализу нелинейных математических моделей теплотехнологических процессов.

Анализ физико-химических явлений в сталеплавильном и прокатном переделах [ 1] показал, что определяющая роль в этих технологиях принадлежит теплофизическим процессам. Основу рабочих процессов тепловой обработки металла на комплексах "сталь-прока 1 составляют явления теплопроводности и термомеханики в твердых телах как с фиксированными .границами, так и с подвижными границами фазовых превращений (внутренняя задачл), а также аэродинамики, тепломассообмена и горения в нагревательных печах (внешняя задача).

На сегодня разработан ряд эффективных методов решения внутренних задач в нелинейной постановке. Здесь следует указать на работы аналитического характера (М.Био, ТЛ'удмен, Ю.С.Постольник, А.А.Углов, Ю.Г.Ярошенко, Г.П.Бойков, В.В.Иванов и др.), а также

с применением численных алгоритмов (Л.А.Коздоба,' Н.М.Беляев, Н.И.Никитенко и.др.). Однако,'в большинстве известных работ, имеющих прямое отношение к рассматриваемой проблеме', вопросы затвердевания промышленных слитков (Л.А.Бровкин, Э.М.Гольдфарб, ■ А.И.Вейник и др.) и нагрева под прокатку (Е.И.Казанцев, В.М.Рябков, Ю.А.Самойлович и др.), исследуютсяраздельно, что затрудняет в последующем анализ "системного фактора" комплекса "сталь-прокат".

-Лишь в исследованиях Е.М.Котляревского, В.И.Миткалинного М.Сэлкудиана, В.И.Ти-мошпольского и некоторых других затвердевание, охлаждение и последующий нагрев рассматриваются как единый взаимосвязанный процесс. Однако, применяемые в этих работах ' преимущественно численные решения математических моделей делают чрезвычайно сложным параметрический анализ многофакторного совмещённого процесса.. К тому же численная фор- . ма результатов по температурному полю требует численного метода расчёта температурных напряжений, оптимальных управлений и др. важнейших характеристик. В них не пррдста- -влены достаточно эффективные аналитические решения совмещённого процесса вне линейной., постановке, на основании которых создаются инженерные методики расчётов энергосберега- -ющих .теплотехнологий, а также конструируются-модели сопровождения оптимизации нагре-' вом, работающие в реальном времени и др..

При постановке и решении нелинейных внешних задач в нагревательных печах применяются современный аппарат математического моделирования и экономичные численные методы. Основные результаты изложены в известных работах С.Патанкара, П.Роуча и др. по расчёту аэродинамических процессов; Н.А.Рубцова, В.Г.Лисиенко, В.А.Кривандина и др. в. области лучистого теплообмена; Л.СполдинГа, Б.П.Устименко, А.М.Гришина и др. по горению. К сожалению, применение этих детальных- расчётов в отечественной металлургической теплотехнике пока ограничено Из-за отсутствия универсального программного обеспечений.

Дальнейшее совершенствование тепловых режимов печей по достижению оптимальных по- . казателей топливоиспользования, обеспечению качества нагрева металла и стойкости агрегатов связано с одновременным математическим моделированием внешней и внутренней задач, замыкаемых условиями сопряжения. В металлургической, практике из-за чрезвычайной сложности сопряжённых задач на пути их решения-сделаны лишь первые шаги. Здесь следует указать работы Л.А.Бровкина,' В.Г.Лисиенко,-Ю.А.Журавлёва и др. <* 4

Анализ современного состояния исследований и производственного опыта технологии комплекса "сталь-прокат" привёл к веобходимости'решения следующих основных задач: - на базе математического-моделирования как отдельных стадий, так и Совмещенного теплотехноло-гического процесса в нелинейной постановке установить влияние параметров внутреннего и ' внешнего теплообмена на закономерности изменения теплового состояния металла с целью создания энергосберегающих, а следовательно!, и "с меньшей экологической нагрузкой на -окружающую среду, режимов нагрева слитков, и прежде всего, горячего посада (как полностью затвердевших, так и с незатвердевщим ядром); ' разработать алгоритмы оптимального управления нагревом слитков с повышенной энтальпией; выдать научные рекомендации и внедрить'приближённо-оптимальные теплотехнологии для слитков спокойной и кипящей стали в условиях крупного меткомбината производительностью ~ 6 млн.т. проката в год.

В первом разделе диссертационной работы реализована эта программа исследований.. ~ С целью создания инженерной методики расчёта теплотехнологических процессов охлаждения, затвердевания, нагрева и термонапряжённого состояния мета^л^, а'на этой осно-.' ве теплотехнологии "сталь-прокат" в целом, впервые разработаны достаточно эффективные, приближённые аналитические методы решения нелинейных математических моделей этих процессов, т.к. не существует универсального метода, гарантирующего решение любой не-

линейной задачи переноса. Алгоритм [1,4] основал на применении характерных временных масштабов для процессов теплового переноса на начальной и регулярной стадиях, для многослойных систем, при наличии фазового перехода, а также масштаба интенсивности тепловых воздействий. С учётом этих данных вносятся упрощения в постановки первоначально сложных нелинейных задач, неподдающихся аналитическому решению. Далее к нестационарным дифференциальным уравнениям теплоперепоса применяется процедура преобразования Лапласа. С использованием асимтотических свойств изображения относительно оператора преобразования строятся решения в виде разложений для температурных полей при малых и больших временах. Применение модели тепловой квазистационарности и нолучен-ных асимтотических разложений для температурных распределений позволило реализовать новый приближённый метод решения задач Стефана. Благодаря полученным решениям проведено детальное параметрическое исследование теплотехнологических процессов, а также теплотехнологии совмещённого комплекса "разливка-прокатка", вскрыты их основополагающие закономерности.

При учёте всех деталей технологического процесса, проведении оптимизационных исследований, анализе внешнего тепломассообмена в нагревательных устройствах, сконструированные нелинейные математические модели для этих целей исследуются численными методами.

' Для подтверждения адэкватности моделей и точности приближённых расчётов ставится чётко спланированный эксперимент или привлекаются опытные данные других исследователей.

1.2 Анализ подобия в процессах тепломас.сопереноса

Применение принципов термодинамики неравновесных процессов и теории подобия позволило установить общие закономерности в кинетике переноса тепла [1]. Главным достигнутым результатом в этой части работы является установление характерных временных масштабов и уровня интенсивности теплового воздействия для процессов: а) нагрева (охлаждения) в начальной и регулярной стадиях; б) затвердевания (плавления); в) теплопереноса в составных системах.

1.2.1. На начальной фазе прогрева (охлаждения) тела из-за инвариантности процесса теплопроводности от линейного размера определяющим параметром гомохроиности является [1]

т _ _<л___х _

А Ср/>

где ¿1 - временной масштаб начальной стадии, t - текущее время, ср, А, р - соответственно теплоёмкость, теплопроводность и плотность, а - эффективный коэффициент теплообмена. Далее из анализа следует, что скорость изменения температуры поверхности пропорциональна квадрату критерия внешнего теплообмена К (например, критерий Био, критерий Старка и др.) и тем она интенсивнее, чем больше К. Утверждается, что в начальной стадии реализуется интенсивный нестационарный тепловой режим.

1.2.2. Второй предельный случай, согласно исследованиям Онзагера, можно охарактеризовать следующим образом. После истечения некоторого отрезка времени в теле наступает полная кинетическая аккумуляция энтропии, начиная с которого поток энтропии в каждой точке по глубине становится пропорциональным потоку энтропии у поверхности. Этот тео-ретический.результат утверждает существование квазистационарности в процессе переноса. Характерная особенность здесь связана с инвариантностью относительно переносных свойств

материала. В качестве определяющего критерия теперь выступает безразмерный временной параметр, который не содержит коэффициента теплопроводности [1],

а1 I I

Ъ =-; =-г = Г." " О-2-2)

с„р1 (а£) 1,' ^ '

где <2 - временной масштаб регулярного периода,{- характерный линейный размер. Анализ показывает, что скорость изменения температуры поверхности в стадии квазистационарного режима более слабо зависит от параметра внешнего теплообмена К. Поэтому квазистационарный режим не может быть отнесен к числу интенсивных нестационарных процессов.

Переходная стадия между начальной фазой процесса теплопереноса и регулярным режимом зависит от набора традиционных критериев подобия.

Общий вид закономерностей теплопереноса в твердых телах, обоснованный с позиции теории подобия, может быть выражен в явном виде лишь при аналитическом решении математических моделей. Конструирование решений на. начальной и квазистационарной фазах процесса является в большинстве случаев единственной возможностью получения замкнутого и компактного решения нелинейных теплотехнологических задач.

В работах [1,2] дается оценка по интенсивности теплового воздействия в стадии квазистационарного режима. С энергетической точки зрения квазистационарная стадия процесса - стадия умеренных тепловых воздействий

АГг < 2(1 - ©о), (1.2.3)

где Ю - критерий Кирпичева, 0О - безразмерная начальная температура. В предположении, что закон теплообмена слабо влияет на момент входа в квазистационарную стадию, его безразмерное значение имеет следующую оценку

~ 2(ТТЗ)' . О"")

где и - формфактор, равный 0, 1, 2 соответственно для канонических тел: пластины, циллиндра, шара; р - индекс, соответствующий регулярному режиму. Важно, что при этом становится известным теплопоглощевие тела на начальной стадии

■ С'^^^у (1-2-5)

где в - безразмерная температура, ю - индекс принадлежности к поверхности тела.

1.2.3. Важнейшим критерием, определяющим динамику процесса с фазовым переходом (затвердевания, плавления, испарения), как процесса теплопроводности с подвижной границей фазового перехода, выступает комплекс [2]

ИХ у,

где Н - теплота фазового перехода, до - максимальная плотность теплового потока. Этот критерий назван в честь известного учёного в области технологической теплофизики акад.

Рыкалина H.H. Т.к. ij есть характерное время распространения теплового возмущения, то комплекс Rn ~ í^/ír является отношением характерных времен процесса с подвижной границей фазового перехода и теплопроводности, и несет в себе важную информацию. Если Rn > 1, то процесс с фазовым переходом является малоинтенсивным, тепловое возмущение успевает распространиться на всю толщину тела. В случае Rn — 1 имеем интенсивный процесс. Тепловое возмущение может и не достичь противоположной границы тела. Процесс развивается как в полуограниченном в тепловом отношении массиве.

1.2.4. Момент начала фазового перехода Fo„ находится из решения задачи теплопроводности с фиксированными границами при условии достижения поверхностью тела температуры фазового превращения. При этом фазовый переход может начаться как в регулярной, так и в начальной стадии нагрева (охлаждения). Границей области применения решений для регулярной стадии является Ki = 2(1 — 0О). Если безразмерный тепловой поток Кг < 2(1 — Ö0), то время начала фазового перехода находится в регулярной стадии, если нет - в начальной стадии [2].

1.2.5. Для процессов теплопроводности в составных контактирующих системах с разными теплопередающими возможностями (например, плёнка жидкости на твёрдой поверхности) важную роль играет симплекс Кс [2] ■

где R - термическое сопротивление. Симплекс Кс отвечает за нестационарность процесса. Его можно представить через отношение характерных времен процесса теплопроводности в жидкой и конденсированной фазах. В случае Ке -С 1 процесс теплопроводности в жидкой фазе является стационарным. Значит, количество тепла, подводимое к фазовой границе, равно тепловому потоку на открытой поверхности. В результате общая задача существенно упрощается тем, что из рассмотрения выпадает уравнение энергии для жидкой фазы. В противоположном случае Кс 1 как стационарный должен рассматриваться процесс теплопроводности в конденсированной фазе. Следовательно, нет необходимости решать уравнение энергии для твёрдой фазы.

Важность проведённого анализа заключается в том, что с его помощью получены количественные оценки определяющих параметров, которые позволяют выделить частные случаи из общей картины процесса. Тем самым еще на стадии конструирования математической модели вносятся существенные упрощения в ее математическую формулировку. Это чрезвычайно важно для получения замкнутых решений нелинейных задач.

1.3 Асимтотика решений нелинейных задач тепломассопереноса в средах с фиксированными границами. [26]

Основные достижения в данном разделе состоят в разработке нового приближённого метода решения нелинейных задач нагрева (охлаждения) металла на начальной и регулярной стадиях процесса, который имеет несомненнные преимущества как по гарантированной точности, так и компактности расчётных выражений в сравнении с широкоприменяемыми инженерными методиками Био М., Гудмена П., Вейника А.И., Гольдфарба Э.М., Швеца М.Е., Соколова Ю.Д. и др. авторов.

Так, для задач теплопроводности в телах канонической формы с нелинейным тепловым потоком на поверхности тела

AlCp2l2 _ tf/dj (hl\2\2 _ ín. {Rn*\2

(1.2.7)

grade\w = Ki(Bw) = Kf(Qm)

(1-3.1)

асйд..лтотическое разложение для больших чисел Ро имеет вид [22]

"Г л 1=П ^О

(Ч

М*). (1.3.2)

где к - номер производной по критерию Фурье. Как следует из (1.3.2), с течением времени формируются подобные друг другу температурные профили. Наступает квазисталшонарный режим. При этом нулевой член разложения соответствует термически "тонкому" телу. Последующие члены учитывают термическую "массивность" слитка. В работе [24 ] на основе принципа максимума дается оценка сверху для времени, где начинает работать конкретная совокупность членов асимптотического ряда.

Лля температурной функции при малых значениях Ро имеем разложение [22]

в(Х,Ро)-&о^ \ Г"

(Ч

(1.3.3)

Там же приводится оценка приближения точного решения асимптотическим рядом. Важно отметить, что для большинства инженерных расчетов в металлургической теплотехнике с достаточной точностью можно ограничиться двумя членами асимптотического разложения. Положительная особенность такого усеченного ряда состоит в том, что получаемые таким образом нелинейные интегральные уравнения допускают замкнутые решения. В монографиях автора [1,2] проанализирован широкий спектр решений технологических задач по нагреву (охлаждению) металла для условий радиационного теплообмена [33,37,40], совместного радиационно-конвективного воздействия [34,38] и других случаев внешнего взаимодействия [35] при учете переменных от температуры теплофизических свойств сталей и теплового эффекта структурных превращений [42-44], одномерных и многомерных [31,32], термически "тонких" и "массивных" [33,40], при наличии пассивного [51] или активного теплозащитного слоя [55], с переменным по координате внутренним источником тепла и начальной температурой [67,1], асимметрии тепловых потоков[32], многослойных систем типа "слиток - газовоздушный зазор - изложница" [4], нестационарными температурой внешней среды и коэффициентом конвективной теплоотдачи [47-49].

Важно, что для характерных режимов высокотемпературного и высокоинтенсивного теплообмена решения представимы в квадратурах, и их окончательный вид приведен в монографии [1]. ' -

В случае промежуточных Го между начальной и регулярной стадией температурная функция находится методом наилучшей сшивки температурных полей начальной и регулярной стадии с использованием минимизации соответствующего функционала [29,33].

Ещё раз следует подчеркнуть положительные особенности получаемых асимтотических разложений. Во-первых, решения имеют весьма компактную форму, не содержат бесконечные суммы рядов, что очень ценно при использовании этих результатов в расчётах прочности, управления. Во-вторых, нет необходимости в вычислении собственных функций и собственных значений. В-третьих, можно провести дальнейшее уточнение, принимая во внимание члены более высокого порядка разложения.

Теоретические решения по нагреву (охлаждению) явились основой для создания инженерной методики расчёта тепловой обработки слитков и заготовок в совмещённом цикле "сталь-прокат". , -1

1.4 Термонапряжёаиое состояние металла.

При ведении режимов тепловой обработки металла должны соблюдаться требования по скорости нагрева металла. Особую осторожность приходиться соблюдать техпологам при нагреве изделий и заготовок с холодного состояния, так как возникающие под действием теплового нагружения термонапряжения могут стать причиной нарушения сплошности металла. Известно, что при нагреве металла наибольшую опасность представляют растягивающие напряжения в осевой части слитка, а при охлаждении - на поверхности металла.

Решенная нами широкая гамма технологических нелинейных задач нагрева (охлаждения) металла, явилась подготовительным этапом в задачах термоупрутости. Термоупругие задачи рассмотрены в рамках традиционных ограничений. Основные результаты получены в [1,19]. Выведеппые зависимости в предельных случаях совпадают с широконрименяемыми формулами Паркуса, Боли-Уайнера, Адамса-Вильямсона, Фрица и др.

Разработаиая расчетная методика по термонапряжённому состоянию металла дала возможность отыскивать режимы тепловой обработки слитков и заготовок, удовлетворяющих требованиям их прочности.

1.5 Численные решения задач нагрева и охлаждения металла

Современные требования металлургической практики к математическому моделированию жёстко связаны с необходимостью учёта всех деталей процесса, сложных пространственных форм слитков и заготовок, нелинейных особенностей. В этих случаях в исследованиях применялся универсальный метод сеток.

1.5.1 Нагрев и охлаждение слитка (полностью закристаллизовавшегося)

Многомерное нелинейное уравнение теплопроводности аппроксимировалось по абсолютно

устойчивой схеме, основанной на методе расщепления, а нелинейные граничные условия - на трёхгочечном шаблоне с определением температуры поверхности методом Ньютона. Разработана процедура генерации неравномерной прямоугольной разностной сетки внутри объёма слитков сложной геометрии, границы которой задаются отрезками ломаной линии. Реализована компьютерная программа. Проведены расчёты нагрева (охлаждения) слитков и заготовок сложной формы в многомерном приближении [4,6].

Для учёта переменности теплофизических и физикомеханических характеристик предложены их обобщённые зависимости для сталей углеродистого и аустенитного класса, полученные методами статистической обработки экспериментальных данных [44,1].

Для экспериментального определения теплофизических свойств сталей, либо мало жученных, либо для их уточнения в области всего диапазона нагрева, разработан комплексный метод определения всех теплофизических свойств металла [81] и дала оценка методических погрешностей при его использовании [80].

1.5.2 Сравнение расчётов с результатами экспериментальных нагревов

Результаты сравнения данных аналитического и численного расчёта при учёте перемен-пых свойств металла и учёте теплового эффекта структурных превращений с экспериментами Доброхотова H.H., Соколова В.П., Немчинского А.Л., Дегтярёва В.М., С'амойловича Ю.А. по нагреву "термически тонких'', а также термически "массивных" заготовок показали достаточно надёжное совпадение ¡1,42-44]. На рис 1.1 - 1.2 проиллюстрировано такое сопоставление.

1.5.3 Методика оперативных расчётов

Широкий круг решённых задач нагрева (охлаждения) металла аналитическими и численными методами, вскрытые закономерности по технологии нагрева слитков и заготовок, сами результаты расчётов дали возможность обобщить огромный фактический материал в виде номограммных алгоритмов расчёта [1,2,34,36,37]. Такие оперативные расчёты в реальном масштабе времени часто приходится проводить технологам в режиме "советчика" для обо-

снования экономичных режимов тепловой обработки, освоения новых марок сталей и типоразмеров и др. С их помощью определются максимальная разность температур и момент её достижения, средняя температура слитка по сечению, градиент температуры, энтальпия слитка, скорость нагрева, момент окончания нагрева и другие характеристики инженерного расчёта нагрева (охлаждения) металла.

1.6 Некоторые общие закономерности нагрева (охлаждения) металла

Выбор эффективных теплотехнологий горячей обработки слитков и заготовок во многом определяется режимами нагрева и охлаждения, организованных таким образом, чтобы в полной мере удовлетворить критериям минимума расхода топлива и окалинообразования, максимума производительности печи и др. важнейшим показателям.

Научно обосновать такого рода теплотехнологий возможно лишь в условиях полноты ваших знаний о протекающих процессах. Поэтому установление ранее не вскрытых закономерностей нагрева (охлаждения) металла перед прокаткой делает реальным назначение для каждой марки стали рациональных режимов её тепловой обработки. Ниже сформулированы найденные связи между важнейшими параметрами технологии нагрева (охлаждения) как для ответственных марок сталей (слитки спокойной стали), так и низкокачественных сталей (слитки кипящей стали).

1.6.1 Полностью затвердевшие слитки. При анализе расчётных данных в изученных теплотехнологических процессах нами установлено:

- конвективная составляющая в общем результирующем тепловом потоке на металл ускоряет нагрев слитков тем интенсивнее, чем меньше критерий радиационного теплообмена Эк. Однако, её имеет смысл принимать в расчётах, если 6'к < 1ил«2 соответственно для слитков и заготовок из сталей углеродистого и аустенитного класса;

- величина наибольшей разности температур по сечению, детерминирующая уровень максимальных термонапряжений, при равных условиях внешнего теплоподвода практически инвариантна к форме изделия, как при постоянных, так и переменных теплофизических свойствах металла:'

- момент наступления максимального перепада температур в металле лежит в пределах чисел Фурье 0,08 - 0,2 и 0,075 - 0,55 для изделий из аустенитной и углеродистой стали соответственно, и на него не оказывает влияние характер начального температурного распределения;

- неучёт теплового эффекта структурных превращений при нагреве углеродистых сталей приводит к занижению общего времени нагрева на 20 - 30%;

- учёт переменных теплофизических и термомеханических свойств от температуры по сравнению с расчётом при средневзвешенных значениях приводит к рассогласованию в определении наиболее опасных при нагреве максимальных напряжений до 20% в сторону их завышеяия;

- для нелинейных явлений теплопроводности в стадии квазистационарного режима найдены простые связи между температурами внутри тел ограниченных размеров, подверждённых высокотемпературному нагреву (охлаждению), которые позволяют реконструировать нестационарное поле по известной информации вдоль координатных осей. Начало координат может быть расположено в любой точке объёма. При этом нет необходимости знать теплофизи-ческие и радиационные характеристики материала [41]. Эти закономерности легли в основу неразрушающего теплового контроля ("прослушивания") объёмных металлических изделий;

- температурное поле тел любой формы в условиях высокотемпературного теплообмена, в том числе радиационно-конвекгивного нагрева, практически линейно относительно безразмерного значения начальной температуры 0„ в пределах её изменения 0 - 0,6;

- при переменной температуре высокотемпературного источника тепла во времени в стадии упорядоченного теплового режима температурное поле "копирует" закон внешней среды, запаздывая по времени [1];

- учёт переменных теплофизических свойств для слитков углеродистого класса и слаболе-гировапных марок развесом 11 - 22 т, как имеющих наибольшее распространение па крупных меткомбннатах, и прежде всего на ЗСМК, КарМК и др., приводит к увеличению общего времени нагрева на 10 - 15% в сравнении с расчётом со средневзвешенными теплофизическими свойствами в интервале нагрева.

1.6.2 Неполностью затвердевшие слитки

Установленные закономерности для данного режима представлены в 1.10 применительно к совмещённому теплотехнологическому процессу "разливка- прокатка".

1.7 Аналитические решения задач теплопроводности в системах с подвижными границами фазовых превращений

Далее развитый "нами асимптотический подход применительно к задачам теплопроводности с фиксированными границами применён к решению нелинейных задач теплопереноса с подвижными границами. Известно, что процессы, сопровождающиеся перемещением границ фазовых превращений, характеризуются сложным взаимодействием тепловых и динамических эффектов. Причем управляющая роль в таком взаимодействии принадлежит тепловой стороне. Максимальные скорости для большинства технических процессов затвердевапия (плавления) определены или могут быть оценепы: из сопоставления скоростей распространения теплового возмущения 11V и скоростей перемещения границ фазовых превращений \\!ф следует, что, как правило, \Уф/\¥т < 1. Это служит основанием к принятию физической модели, в которой закон движения границы раздела фаз будет формироваться предельными по времени свойсвами температурного поля. В частности, мы отдаем управляющую роль квазистааионарной стадии процесса переноса 12,27]. Как показал анализ [2], принятая модель успешно справляется и со случаем сопоставимости указанных скоростей, когда внешнее тепловое воздействие является высокоинтенсивным. Такие режимы рассматриваются особо с использованием температурных распределений, характерных для начальной стадии.

Исходя из количественной меры интенсивности безразмерного теплового потока, задачи затвердевания (плавления) решены для умеренных [2.21.25.28] и интенсивных потоков [2,21.25.28].

Развитый нами новый приближённый метод решения нелинейных задач затвердевания (плавления) имеет более высокую точность решения для интенсивных тепловых потоков, чем это гарантируется наиболее часто применяемыми в инженерной практике решениями М.А.Глинкова, Л.А.Бровкина, И.Д.Семикина и др. исследователей.

Проанализированы также технологические задачи затвердевания (плавления) при переменном тепловом потоке на поверхности [2], при конвективном теплообмене [27], при мгновенном уносе оплавляющейся части [28], цри сохранении жидкой плёнки [25], прогретых и непрогретых тел [23,30], ограниченных и полуограниченных размеров [2].

В работах [50.52-51] рассчитывается скорость роста кристаллов при различных условиях теплоотвода, анализируется влияние технологических режимов на их динамику и качество.

1.8 Численные решения задач затвердевания (плавления) металла

Использовалась квазиравновесная постановка задачи затвердевания [20], в силу того, что она легко приспосабливается для расчётов оптимальных режимов нагрева с незавершённым процессом кристаллизации [11,12]. Учитывается перегрев жидкого металла выше линии ликвидуса [17], неравномерность выделения теплоты кристаллизации в двухфазной зоне, многослойное!ь защитного термического покрытия, переменность теплофизических свойств,

изменение термического сопротивления газоусацочного зазора во времени, формирование усадочной раковины и др. Создана адаптированная компьютерная программа.

1.9 Некоторые общие закономерности процесса затвердевания (плавления)

Расчётами по аналитическим и численным алгоритмам установлено:

- при расчётах продолжительности полного затвердевания переменность теплофизических свойств стали можно не учитывать;

- изменение параметров газовоздушного зазора в диапазоне их практических значений не оказывает существенного влияния на продолжительность затвердевания;

- объём незакристаллизовавшейся части слитка, при котором гарантируется достаточная прочность твёрдой корочки, способной выдерживать ферростатическое давление жидкого металла, должен составлять не менее 50 - 55%;

- время полного затвердевания при реализуемых на практике перегревах возрастает до 10%.

1.10 Теплофизические основы рабочих процессов для металлургического комплекса "сталь-прокат"

Важно отметить, что на тепловое состояние слитка в любом "сечении" технологической цепи оказывает влияние предыстория процессов. Поэтому принятый нами комплексный подход к исследованию [18], когда все операции с металлом от разливочной площадки до прокатного стана анализируются как совмещенный непрерывный теплофизический процесс, является наиболее информативным. Как известно, процесс нагрева перед прокаткой в значительной степени зависит от теплового состояния слитка (энтальпии, распределения температур по сечению и др.) в момент посада в нагревательную ячейку. Поэтому для назначения рациональных режимов и оптимальной продолжительности нагрева необходимо учитывать влияние всей совокупности параметров на ход тепловых процессов в слитке. Кроме того, на практике по различным причинам возникают отклонения от нормального темпа "нагрев - прокат". Например, невозможность своевременной загрузки в нагревательные колодцы приводит к застуживанию слитков. При этом возникает необходимость в корректировке параметров нагрева для этих особых случаев.

1.10.1 Математическое моделирование процессов затвердевания, охлаждения и последующего нагрева металла в теплотехнологическом комплексе "сталь-прокат"

Научно обосновать графики движения составов с плавкой, режимы обработки слитков и другие эксплуатационные параметры наиболее быстро, с наивысшей информативностью и с наименьшими затратами материальных средств возможно только путем математического моделирования рабочих процессов, ответственных за технологию.

В исследованиях [4,8,10,16] рассмотрены последовательно следующие математические модели и приводятся их приближенные аналитические решения: 1) затвердевание металла в изложнице; 2) затвердевание металла при последующем снятии изложницы; 3) охлаждение разгерметизированного слитка до посада в колодец; 4) нагрев металла в нагревательной ячейке до момента его выдачи на рольганг слябинга (блюминга). Теплофизические процессы в такой связанной динамической системе развиваются с неодинаковыми скоростями. Характерные времена протекания физических явлений различаются из-за массивности, разнородности материалов и др. Все это дает возможность еще до проведения расчетов вскрыть качественные особенности изучаемых процессов и тем самым при разработке математической модели учесть только главные "движущие силы"[10].

На основе информации о положении фронта затвердевания и температурным полям находятся: - время полного затвердевания (если по условиям технологии посад в печь слитков с незавершенным процессом кристаллизации не применим); - тепловые параметры слитка в

момент посада в нагревательную ячейку; - размеры "жидкого ядра" (если разрешается нагрев металла с незакристаллизовавшейся частью); - термомеханическое состояние затвердевшего слитка и т.д.

На рис. 1.3. для слитка 20 т приведены температурные кривые для металла и для излож-нипы во всем временном интервале от конца разливки до полного затвердевания, полученные расчетом по полученным формулам и экспериментом. Дает.ся также сопоставление с данными наиболее детального промышленного эксперимента Тагеева - Гуляева по динамике затвердевания (рис.1.4). Сравнительный анализ демонстрирует применимость полученных формул по затвердеванию и температурным полям в качестве инженерной методики расчёта тепловой обработки слитка.

Нагрев слитка в печи. Рассматриваются два варианта нагрева слитков:

- полностью затвердевших; - с незавершенной стадией затвердевания. Наиболее простые расчетные зависимости по нагреву слитков получены при замене сложного характера формирования тепловых потоков в системе "газ - кладка - металл" на радиационно-конвективную теплопередачу к слитку с условным параметром " температура печи".

Важным достижением в этой части работы является то, что впервые получено теоретическое решение комплексной задачи, результаты которой дали возможность провести всесторонний анализ влияния конструктивных, режимных и физических параметров на характеристики совмещённого процесса "разливка - прокатка" [5,8,15].

Построенная комплексная математическая модель позволяет выявить рациональный график продвижения слитка по технологическому участку "разливочный пролет - обжимный стап" с учетом целого ряда эксплуатационных ограничений. Проведено расчетное исследование по определению минимального времепи нагрева слитка при заданной мощности колодца. При этом варьировались следующие параметры: продолжительность затвердевания слитка в изложнице; время охлаждения "раздетого" затвердевающего слитка на возду-хе;технологические задержки.

В качестве объекта исследования анализировался слиток " спокойной" стали развесом 22 т, мощность колодца б МВТ, масса плавки 180 т. [10]. По условиям производства посад таких слитков на нагрев с незавершенной стадией кристаллизации не разрешается. На рис. 1.5. с учетом эксплуатационных ограничений показано поле возможных значений времени нагрева t„ в зависимости от продолжительности пребывания слитка в изложнице tu и времени охлаждения его после освобождения от изложницы t0 (или в терминах теории управления -поверхность отклика). Анализ расчетных данных продвижения металла от разливочной площадки до прокатного стана свидетельствует, что для заданной мощности нагревательного колодца существуют режимы транспортирования слитков, которые обеспечивают минимальное время их нагрева. Проведенные расчеты [10] также показывают сильную зависимость времени нагрева плавки от массы слитков, типа изложницы, номера слитка в плавке , марки стали, времени задержки, продолжительности охлаждения "раздетого" слитка, суммарного времени по технологической обработке плавки, мопйгасти нагревательного колодца.

Данные рис. 1.6 указывают на то, что параметр "температура посада"[4] , который закладывается в технологических инструкциях меткомбинатов при назначении режимов нагрева, нельзя признать эффективным. Так как зависимость "время нагрева - температура посада" довольно крутая, то разброс по температуре посада в 25°С изменяет время нагрева до 1,5 ч. Поэтому нами предложено задавать в качестве регламентных величин время пребывания слитка в изложнице и продолжительность охлаждения на воздухе. Так как для плавки в целом временной разрыв по обработке головного и хвостового слитков может составлять до 1 ч, то их энтальпия перед посадом существенно неодинакова, хотя режим нагрева назнача-

ется общий. Математическая модель позволяет выдать индивидуальный график обработки каждого слитка в плавке с_ целью обеспечить примерно одинаковый уровень среднемассовых температур при посаде.

Объектом исследования при нагреве с "жидким" ядром являлся слиток кипящей стали развесом 22 т, мощность колодца 4,65 МВт, масса плавки 180 т.

Расчетная поверхность (Рис 1.7)обнаруживает жесткий набор технологических параметров, который может обеспечить энергосберегающий режим [10]. При этом положение поверхности отклика определяется прежде всего температурным режимом колодца. Поиск теплового режима ячейки при нагреве слитков с незавершенным процессом затвердевания, обеспечивающего глобальные минимальные энергозатраты, проводится оптимизационными методами. Расчеты демонстрируют возможность нагрева таких слитков без их выдержки. Появляется возможность использовать нагревательный колодец в режиме термоизолированной накопительной камеры.

Анализировались также режимы тепловой обработки головного, хвостового и среднего слитков в плавке по ходу разливки [5,13,17].В нагревательную ячейку, все слитки кипящей стали поступают с "жидким ядром". Поэтому время готовности к прокату определяется процессами снижения температуры центральных зон слитков и повышением температур поверхностных слоев до заданных параметров прокатки как для головного, так и для хвостовых слитков. Продолжительность нагрева среднего по ходу разливки слитка во всех случаях не сответствует среднему арифметическому от времени нагрева головного и хвостового слитков и лежит гораздо ближе к времени нагрева головного слитка. Увеличение тепловой мощности нагревательного колодца для головных слитков приводит к некоторому уменьшению продолжительности нагрева, а для хвостовых - к увеличению, на средние же слитки практически не оказывает влияния. В производственных условиях это существенный резерв для повышения эффективности работы колодцев при организации посада, если учесть снижение их тепловой мощности в процессе эксплуатации. Для всех анализируемых режимов характерным является тот факт, что продолжительность нагрева плавки в целом лимитируется хвостовым слитком. Расчеты показывают, что для выравнивания энтальпии головного и хвостового слитков необходимо, во-первых, начинать разгерметизацию слитков с последнего по ходу разливки; во-вторых, осуществлять посад в колодцы с головных слитков; в-третьих, выдавать в прокат с первого по ходу разливки слитка. Такие технологические приемы увеличивают теплопоте-ри хвостовому слитку и время для окончания его затвердевания, что исключает вероятность "взятия" слитков в случае небольших отклонений от требуемого режима.

Особые трудности при назначении режимов нагрева возникают тогда, когда осуществляется переход на другие типоразмеры слитков, осваиваются новые марки сталей. В этих условиях разработанные математические модели обладают наивысщей информативностью при наименьших затратах, чем дорогостоящий и трудно реализуемый промышленный эксперимент. При таком подходе могут быть эффективно учтены отклонения от нормального хода производственных процессов (непредвиденные задержки, отклонение режимных факторов от номинальных значений и др.).

В конечном итоге на основе теоретических решений проведен всесторонний анализ влияния таких факторов как график нагрева в печи, момент разгерметизации слитка, время разливки в изложницы, место слитка в плавке, теплота перегрева металла, начало возникновения и динамика образования усадочного зазора, размер "жидкого" ядра, параметры импульсного нагрева, расход топлива, размеры и масса изложницы, размеры и масса слитка, переменность теплофизических и термомеханических свойств металла, интервал температур "солидус - ликвидус", зона структурных превращений железоуглеродистого сплава и др. на

динамику совмещённого теплотехпологического процесса "разливка - прокатка".

1.10.2 Некоторые общие закономерности совмещённого теплотехнологического процесса

11 сталь-прокат"

Установлено: - продолжительность нагрева всей плавки не совпадает со временем нагрева среднего по ходу разливки слитка, а приближается ко времени нагрева головного;

- продолжительность нагрева всей плавки в целом лимитируется хвостовым слитком;

- минимальное время нагрева плавки обеспечивается в условиях выравнивания энтальпии всех слитков в плавке перед посадом в печь. Для этого необходимощачинать разгерметизацию слитков с последнего по ходу разливки слитка, осуществлять посад в колодцы с первого по ходу разливки слитка, выдавать в прокат с головного слитка;

- в совмещённом теплотехнологическом процессе "разливка-прокатка" есть дополнительные резервы по сокращению времени нагрева в колодцах до 1,75 раз при применении тонкостенных изложниц ^^ < 0,15 , что способствует сокращению расхода топлива и окалино-образования;

- оптимальное время нагрева слитков с "жидким" ядром развесом 11 - 22 т достигается при посаде слитков с объёмной долей закристаллизовавшейся части ~ 70 - 75%.

Расчёты по тепловым режимам металла нашли своё подтверждение с детально поставленными экспериментами по термометрированию слитков Самойловича Ю.А., автора и других исследователей.

На рис. 1.8 отражена зависимость времени нагрева от температуры посада при различных временах разгерметизации слитка. Там же приведены данные технологической инструкции ЗСМК. Данный регламент представляет собой практически прямую линию. Расчётная жг кривая имеет ярко выраженный минимум по времени нагрева. Рассогласование между этими кривыми, прежде всего в области повышенных температур посада металла, определяет резерв по времени нагрева, а следовательно пониженный расход топлива, уменьшение угара. Эти результаты явились основой для корректировки технологической инструкции для слитков кипящей стали развесом ~ 11 т [18]. Экономический эффект по сокращению расхода топлива со слитками кипящей стали составил 730 тыс.руб. в год (в ценах до 1990 г.).

На рис. 1.9 приведена зависимость времени нагрева слитка спокойной стали развесом

12 т от температуры посада, которая позволила откорректировать существующую технологическую инструкцию ЗСМК в направлении уменьшения расхода топлива и угара металла. Экономический эффект составил 350 тыс. рублей, в год.

Найденные связи легли в основу научно-практических рекомендаций и впедрены в виде технологических регламентов на КарМК, ЗСМК и др. с общим экономическим эффектом 1,84 млн. руб. в год в ценах до 1990 г.

1.11 Оптимизация режимов тепловой обработки слитков на комплексе "сталь - прокат"

Прогресс в теории и практике оптимального нагрева металла связан прежде всего с работами Бутковского В.М., Гольдфарба Э.М., Гусовского B.J1.. Казанцева Е.И., Рябкова В.М., Климовицкого М.Д. и др. исследователей.Однако, итоговые результаты по этому нацравле-пию не охватывают всех практических задач теплотехнологии, большинство существующих методов основапы на одномерных моделях или моделях с сосредоточенными параметрами, а главное, явно недостаточно изучены проблемы по оптимизации нагрева слитков и заготовок на базе многомерных систем с распределенными параметрами, которые в полной мере отвечают современным требованиям по точности и качеству управления.

Исследованиям по оптимальному управлению предшествует конструирование математической модели и формулировка критерия оптимальности [7,11,17]. Определяющая система уравнений основывается на многомерном уравнении теплопроводности в слитке с учетом

квазиравновесной модели затвердевания в условиях сложного теплового взаимодействия "металл - газ - кладка". Связь между усреднённой температурой греющей среды в рабочем пространстве камерной печи и расходом топлива представляется в виде уравнения мгновенного

теплового баланса печи [6,11]

скМк^=~а^Тс Twidy) ~

- а2{Т* - I j*Twl*dy) - а3(Тс - i £Tw2dx) -

- а4(Те4 Tm24dx) - (¡¡{Тс - Toxp) +

+ a6 + (a7-a8rc)V(i), Тс(0) = Тл (1.11.1)

. где, Тс - температура печи, V - расход топлива, R, L - размеры слитка, Tw - температура поверхности, ТОКГ - температура окружающей среды, а; - теплотехнические коэффициенты, Мк - масса кладки. Лля нахождения теплотехнических коэффициентов этого уравнения разработан метод их поиска методом решения обратной задачи [6]. Последняя операция напрямую связана с рассмотрением проблемы внешнего теплообмена в нагревательной ячейке, в основе которой лежат уравнения аэродинамики и тепломассообмена.

Аэродинамические характеристики печи находились решением трёхмерных турбулентных рейнольдсовых уравнений с использованием модифицированной (к — е) -модели, аналогично расчётной схеме течения в вихревой топке парогенератора (п. 4.36) [98,106].

Лучистый теплообмен рассчитывался с применением зонального подхода и процедуры Монте-Карло при определении угловых коэффициентов облучения, по аналогии с расчётом этих характеристик в топочном объёме парогенератора вихревого типа (п. 4.3в) [92]. С помощью пакета программ на IBM PC было проведено определение теплотехнических коэффициентов динамической и статической моделей колодца с центральной подовой горелкой КарМК и с верхней торцевой горелкой ЗСМК, как в режиме холостого хода, так и при полной загрузке плавкой. Найденные коэффициенты использованы для настройки математической модели оптимизации нагрева слитков в печах периодического действия.

Оптимизация тепловой работы камерной печи проводится по условию минимизации следующего функционала качества [6,11,17]

4

/о = Н'1'

iJ=Г0* /3=л-£LLL"T(x'y't3)dxdr'

A = Jf [т(х,у,13)-Т3(х,у)]'уШу. (1.11.2)

где, M - масса слитка, п - число слитков, А, В,/3„ - опытные коэффициенты, Щ - соответствующая цена. Отдельные составляющие (1.11.2) учитывают: отклонение температур

слитка в конце нагрева от заданных технологических значений, уровень окалинообразова-пия (закон Эвапса), расход топлива, расход электроэнергии, зависящий от требуемой по условиям прокатки среднемассовой температуры металла.

Оптимизация нагрева металла осуществляется в условиях технологических ограничений по расходу топлива'Ущ.п < V(t) < Vmax , температуре поверхности слитка Tw{t) < Tvvmol, температуре печи Tc(t) < Tcmaz , скорости изменения температуры печи (по условиям

Поиск оптимального управляющего воздействия осуществлен с применением вариапинно-

го исчисления и метода множителей Лагралжа.

а)оптимизация нагрева полностью затвердевшего слитка [ 6,11,17).

В этом случае металлопоток поступает на нагрев либо в холодном состоянии со склада заготовок, либо в режиме горячего посада с полностью завершенной стадией кристаллизации (слитки качественной стали).

Задача нагрева слитка, решалась численно по схеме расщепления с применением метода прогонки. Минимизация функционала осуществлялась градиентным методом.

Кривые расчёта оптимального значения расхода топлива для садки из семи слитков массой 21 т каждый применительно к условиям Карагандинского меткомбината изображены на рис. 1.10 Действуют все виды ограничений, кроме ограничения на скорость повышения температуры среды. Отметим, что при нагреве массивных слитков в функционале (1.11.2) наиболее значимы величины Яг /г, Д4/4 (при достаточной для практики температуре поверхности слитка), а при нагреве мелкосортных заготовок -Л1/1, Я2/2, Ял/3. В итоге оптимальный режим нагрева слитков этого типоразмера осуществляется по этапам: максимальный расход топлива, снижение расхода топлива из-за ограничения на температуру греющей среды, дальнейшее снижение расхода топлива из-за ограничения на температуру поверхности.

Отработка рекомендуемой оптимальной теплотехнологии проведена на КарМК реализацией приближённо-оптимальных опытно-промышленных нагревов слитков спокойных и полуспокойных марок сталей массой 16 - 22 т, не потребовавших крупных капвложений [6,14]. Выдерживалась двухступенчатая расходно - временная характеристика нагревательной пета: максимально возможной по техническим условиям расход топлива при горячем посаде слитков в цервой фале прогрева и с постепенным понижением температуры печи во второй фазе томления. В этих условиях обеспечивается достаточный прогрев слитков под прокатку, что контролировалось токовыми нагрузками электродвигателей прокатного стана.

При реализации оптимальных режимов анализ макроструктуры темплетов поперечных сечений слитков показал, что ликвационная зола смещена в прибыльную часть, дефектов поверхности (трещин, сот и др.) не обнаружено.

Было обработано 8153 т опытного металла. По результатам промышленных нагренов в соответствии с выданным актом внедрения обеспечивается экономия топлива до 14%, угар снижается до 7%, оплавление слитков уменьшается в среднем до 57 %, производительность комплекса "сталь-прокат" возрастает па 2%.

б ) оптимизация нагрева не полностью затвердевшего слитка [ 6,7,9,11].

Рассчитаны оптимальные режимы нагрева не полностью затвердевших слитков, (рис. 1.11). Для определения оптимального режима нагрева был рассчитан процесс нагрева слитков массой 16т при учете всех принятых ограничений.Расчёты демонстрируют следующее: на первом этапе нагрева температура греющей среды увеличивается медленно. На втором этапе нагрева следует относительно резкое повышение температуры среды до максимального значения. В дальнейшем температура среды снижается сначала за счет ограничения па тсм-

сплошности металла)

пературу поверхности, затем для обеспечения достаточной степени прогрева металла под прокатку.

Опытно - промышленное опробование оптимальной теплотехнологии реализовано в приближённом варианте с минимальными материальными затратами [13,15,115]. Наименьшая продолжительность нагрева слитков массой 17 - 21 т с незакристаллизовавшейся сердцевиной достигается при двухступенчатом температурно-временном режиме нагрева: умеренный рост температуры печи в первый период до окончания затвердевания и менее продолжительной, но интенсивный подъём температуры на заключительном этапе. Традиционный период томления предусматривается только при вынужденных задержках с выдачей металла в прокат. Слитки прокатывали на слябинге 1150 КарМК. Токовые нагрузки якорей двигателей прокатного стана не выходили за допустимые пределы, что свидетельствовало о достаточном прогреве металла. Анализ макроструктуры головной части слитков по темплетам показывает, что усадочные дефекты равномерно распределены по сечению, что положительно сказывается на качестве проката. Всего прокатано 5687 т опытного металла. В соответствии с данными по акту внедрения удельный расход условного топлива по приближённо - оптимальному варианту снижается до 51%, производительность нагревательных ячеек увеличивается до 28%, а всего теплотехнологического комплекса до 6%. Отмечено повышение качества поверхности слябов после прокатки, увеличение выхода годного металла. Разработана система АСУ нагревом слитков с жидкой сердцевиной на базе микропроцессорной техники.

в ^оптимизация импульсного нагрева [6.12]. Весьма перспективен режим томления слитков в импульсном режиме, т.е. с периодической подачей (и отключением) топлива. В этом режиме происходит периодический срыв обтекания металла факелом, усиливается нестационарный эффект конвективного теплообмена.

Учитывая, что импульсный режим исключительно прост в реализации на действующих нагревательных ячейках, не требует дорогостоящей аппаратурной базы, нами проведена оценка его эффективности. Детально проанализирована динамика опытного нагрева слитка массой 16 т при равных периодах, но с различной амплитудой изменения температуры среды. Использование в фазе томления импульсного нагрева слитков полуспокойной стали даёт дополнительную экономию топлива до 18% при одновременном уменьшении угара, обезуглероживания, оплавления и повышения качества проката.

Наивысшие показатели по энергосбережению и качеству были достигнуты при использовании импульсного отопления совместно с технологией нагрева с "жидким ядром" при постепенном снижении фоновых значений температуры среды во второй фазе температурного графика печи.

Результаты моделирования, алгоритмы расчёта, оптимизация рабочих процессов тепло-технологического комплекса "сталь-прокат" являются теоретической основой и нормативной базой АСУ ТП и САПР ТП на базе микропроцессорной техники.

Таким образом, проведенные комплексные исследования заложили основу для создания инженерных методов расчета совмещенных процессов "сталь - прокат", разработки оптимальных алгоритмов их управления, а также внедрения ресурсосберегающих теплотехнологий в металлургическом производстве с реальным экономическим эффектом.

2. Нестационарный и стационарный конвективный теплообмен на теплоизлучающих поверхностях теплотехнологических комплексов

2.1 Состояние проблемы и постановка задач исследования

Ведение режимов высокотемпературной тепловой обработки с необходимой точностью, повышение падежпости расчета и конструирования теплообменных систем, интенсификация процессов заставляют по-новому ставить проблему сложного теплообмена в теплотехволо-гичсских комплексах как проблему комбинированного взаимодействия излучения с другими видами теплопереноса.

В данном разделе рассматривается взаимодействие излучения с другими видами переноса на теплообменных поверхностях. Так, при освобождения слитка от изложницы реализуется пестационарпый радиациоттпо-конвективный теплообмен на его открытых гралях. При движении слитка или изделия по рольгангу охлаждение осуществляется в режиме радиации и конвекции одновременно. Нагрев теплоносителя в глиссажных трубах и топочных экранах также происходит в режиме радиапионно-конвективного теплообмена.

Особенность подхода к математическому моделированию таких процессов состоит в том, что нестационарный конвективный теплообмен рассматривается как многостадийный процесс (Е.Эккерт, Р.Гольдштейн). В таком процессе движущие силы разной природы (молярные и молекулярные) выступа ют на отдельных фазах процесса с неодинаковой интенсивностью. При этом в начале нестационарного процесса переноса преобладает молекулярный механизм, в заключительной стадии решающая роль принадлежит молярпому обмену. Последнее означает, что в начальной стадии основная роль принадлежит нестационарной теплопроводности и коэффициент теплообмена не зависит от продольной координаты. После прохождения возмущения, т.е. когда жидкость бывшая на входе, доходит до рассматриваемого сечения, н этой области протекает собственно конвективный теплообмен. При этом коэффициент теплоотдачи становится зависимым от продольной координаты. Сшивка нестационарной и стационарной стадий процесса осуществляется вдоль характеристики "время - продольная координата".

В силу своей сложности задачи нестационарного и стационарного радиапионно-конвективного теплообмена исследованы недостаточно как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. В работах по стационарной вынужденной (Р.Сесс, Т.Гудмен, И.Хеллмус и др.) естественной конвекции (В.Гебхарт, Р.Зигель, Дж.Чанг и др.), нестационарному теплообмену в капалах (В.Д.Виленский, Ю.Н.Кузнецов, П.В.Цой и др.), а также нестационарному и стационарному радиационно-конвективному теплообмену (И.Чен, Н.А.Рубцов, И.Беницио и др.) даётся глубокий анализ влияния нестационарности, излучения, сопряжённости и других факторов на закономерности комбинированного теплообмена. Однако, используемые в большинстве указанных работ численные процедуры решения пе дают возможности осуществить детальный анализ влияния параметров на ход процесса, разработать на этой основе инженерные методики расчёта сложного теплообмена. Поэтому целью второго раздела является создание эффективных приближённых методов расчёта этих сложных задач современной теплофизики, которые позволят провести не только количественный, но и главное, качественный анализ, необходимый для понималия характерных особенностей протекания процессов радиапионно-конвективного теплообмена. Для подтверждения основных вскрытых закономерностей ставится чётко спланированный физический эксперимент.

2.2. Закономерности нестационарного радиационно - конвективного теплообмена в режиме вынужденного обтекания поверхности

Схема решаемой задачи приводится на рис. 2.1 Основные трудности при математическом исследовании таких задач связаны прежде всего с их нелинейным характером. Для преодоления нелинейностей используется методика конструирования асимптотических разложений, разработанная в разделе 1.

2.2.1. Нестационарная стадия теплообмена. Выражение по конвективной теплоотдаче имеет вид: [58,60]

где - параметр излучения, Ф(0, вт) - функция, приведённая в [60]. Ояеним вклад подкоренного выражения для предельных случаев малых и больших чисел Го. При малых Ко термическое сопротивление прогретого слоя жидкости мало. В противоположном случае больших Го термическое сопротивление прогретого слоя значительно и теплоотдача осуществляется, главным образом, излучением. При комбинированном взаимодействии излучения и конвекции происходит смена закона теплообмена от граничных условий второго рода при малых Ео к граничным условиям первого рода при больших Го. Скорость этого перехода зависит от параметра излучения. Сказанное иллюстрируется графиком (рис. 2.2).

Важно, что решения для нестационарного теплообмена при теплосбросе излучением в среду нулевой температуры представляются в автомодельном виде как по числу Нуссельта [56 - 58], так и по температуре поверхности. Роль автомодельных переменных играют комплексы:

Nu" = Nu^j—;

2.2.2 Стационарная стадия теплообмена. Формула для расчета числа Нуссельта имеет вид [56]:

Nu(X) ~ l/3jRePrH(Pr)Jl +-(2.2.2)

Анализ (2.2.2) также подчеркивает изменение граничных условий под воздействием излучения

Nu ~ 0, ; вш -» 1

Nu ~ 0,333\/Д1УР? ; 6Ш 0

В случае радиационного охлаждения в среду нулевой температуры решения представляются также в автомодельном виде [60]. Погрешность полученных предельных решений не превышает 3%.

На рис. 2.3 показано влияние излучения на залов конвективного теплообмена. Лля согласования решений вводится характеристика [2], при переходе через фронт которой нестационарные решения переходят в стационарные

Хт^(Ы)Рт-Уз

2.3 Закономерности нестационарного радиационно - конвективного теплообмена в режиме естественной конвенции

Схема задачи приведена на рис. 2.4 Процедура получения решений остается аналогичной.

2.3.1 Нестациопарпая стадия теплообмена . Итоговые результаты по числу Нуссельга аналогичны [61]

2.3.2 Стационарный режим теплообмена. Число Нуссельта рассчитывается но формуле

[61]

Л'и(А") ~ \1 ' V 35

аде.)

-1/4

21 (0„_ 1)2/(/3-0„4)]

Полученные в предельных случаях решения имеют погрешность, не превышающую 4%.

Для согласования нестационарной и стационарной стадий процесса определим характеристику в коордипатах "пространство - время", на которой справедливы оба решения. В предельных случаях [56]

0,105ддк\/а4цг п , 0,257д(Тш-ТК) 2 \г-

ЛРгГс,-' -Р^-

Как и в случае вынуждешюй ко1Гвекции, в режиме свободной конвекции изучение нриво-дит к смене граничных условий второго рода к граничным условиям первого рода. Влияние параметра излучения на число Нуссельта проиллюс грировано на рис. 2.5. г/к* четко прослеживается ускорение этого перехода при увеличении параметра излучения.

2.4 Закономерности нестационарного радиационно - конвективного теплообмена при стабилизированном течении теплоносителя в каналах.

Анализ задач нестационарного радиационно - конвективного теплообмена в каналах по существу является основой оптимального расчёта и проектирования трубчатых систем охлаждения.

Схема задачи приведена на рис. 2.6

2.4.1 Решение для малых Ро. Формула для расчета конвективной теплоотдачи в круглом

канале [62,65]

ДГи(Ро) ~

^ Ро^Го _ ¿ще^/лв^ +

4 4А ] -¿КЩд„)1Лв„у/¥ф .

(2.4.1)

2.1.2. Решения для больших X. Выражепие для числа Нуссельта в круглом канале имеет вид [63.66]

1 _ и ■-»'■(в,,,)

48 288

На характеристике X — Ро производится сшивка решений для этих стадий [2]. Влияние излучения на закономерности конвективного теплообмепам представлено на рис.

2.7

Во всех рассмотренных процессах содержится общая качественная информация. Стабилизация теплообмена в первом приближении зависит от логарифмической производной по

возмущающему параметру liml/e • = Р. Если Р = 0, то стабилизация теплоотдачи наступает в обеих областях. При этом во второй области Nu совпадает с квазистационарным значением. При Р > 0 стабилизированные Nu выше их квазистационарных значений.

С целью подтверждения теоретических закономерностей исследуются наиболее слабо изученные экспериментально задачи взаимодействия излучения и конвекции на рабочей поверхности в условиях внешнего обтекания [2,64].

2.5 Экспериментальное исследование ламинарной конвекции на теплоизлучающих поверхностях

Для проведения опытов были созданы две экспериментальные установки [64]. Теплообмен при естественной конвекции исследовался в стальном баке диаметром 850 и высотой 1500 мм. Схема установки для исследования теплообмена при вынужденной конвекции приведена на рис. 2.8. Здесь воздух продувался вентилятором по аэродинамической трубе диаметром 350 мм и длиной 3.8 м. Результаты эксперимента обрабатывались в соответствии с развитой теорией в критериальном виде и совместно представлены на рис. 2.9-2.11.

Графики показывают удовлетворительное совпадение теоретг ;ских и экспериментам ных данных с погрешностью, не превышающей максимальных оцеь ж: по температуре - 7%, по числу Нуссельта - 12%. Из рис. 2.9 - 2.11 видно, что влияние излучения приводит к переходу закона конвективного теплообмена от зависимости, характерной для граничного условия qw = const к случаю Тт = const. Скорость этого перехода также определяется параметром излучения /?.

Опыт подтверждает правильность вводимых при теоретическом анализе упрощений [2,59,62].

Конечным результатом комплексных исследований явилась разработка инженерной методики расчёта нестационарного и стационарного конвективного теплообмена с учётом теплоизлучения поверхности.

3. Исследование пузырькового кипения в устройствах энергосберегающей техники с позиций микрослоевой модели

3.1 Состояние проблемы. Постановка задач исследования

Сфера применимости кипения в современной теплотехнике чрезвычайно обширна. Наибольшее распространение этот процесс получил при генерации технологического пара в котельных агрегатах и в кипящих ядерных реакторах . Особую значимость процессы кипения приобрели в связи с разработкой и созданием энергосберегающего оборудования (тепловые насосы, холодильные машины, котлы-утилизаторы и др.). Повышение эффективности аппаратов энергосберегающего назначения, а также поиск новых рабочих веществ для них делают актуальными исследования, направленные на совершенствование методов расчёта процессов кипения на основе построения физически обоснованных моделей. Характерная особенность данного периода в изучении кипения состоит в том, что чётко выкристаллизовалась тенденция к большей его детализации, с тщательным выяснением роли каждой стадии процесса (зарождение, рост, отрыв, всплытие пузырьков) и их влиянием на закономерности теплоотдачи и уровень критических тепловых нагрузок.

Процесс кипения в перечисленных аппаратах наиболее часто протекает на поверхностях нагрева. Отличительной особенностью роста поверхностного пузырька является неоднородность температурного поля в пристенном тепловом пограничном слое. Рядом автором

(Ч.Хан, П.Гриффите, С.Ван-Штрален и др.) была принята за основу физическая модель роста, согласно которой основное испарение перегретого слоя жидкости осуществляется но контуру пузырька. Однако, попытки построения теории кипения с применением данной модели оказались несостоятельными. Был предложен и ряд других моделей роста пузырька. Физически более обоснованной оказалась модель (Л.А.Лабунцов) о наиболее интенсивном испарении жидкости у основания пузырька.

Сложными термометрическими и оптическими опытами (Р.Шарп, Х.Явуарек, X. На« А у веркерк и др.) было доказано существование микроплёнки жидкости пол растущим паровым пузырьком, впервые постулированного Н.Снайдером. Этот физический факт заставил не только изменить прежний взгляд на процесс роста нузырька, как определяющего звена п механизме теплообмена при кипении, но и послужил основой к более детальному анализу кипения с позиций микрослоевой модели. Не смотря на огромное число проведённых исследований и опубликованных результатов до настоящего времени нет не только строгой количественной теории кипения, но и существует определённая несогласованность в объяснении ряда его физических аспектов. Не претендуя на решение этой сложнейшей проблемы теплофизики в целом, в данном разделе излагаются новые теоретические результаты по образованию микрослоя, его испарению и влиянию на рост пузырька на поверхности нагрева, определению температурных колебаний нагревателя вокруг центра парообразования, нахождению размеров "сухих" пятен и других характеристик процесса с учётом теплофизических свойств тешгопередающей стенки.

Учитывая прикладную ценность исследуемых задач, в основе математическою описания которых лежат нелинейные уравнения гидродинамики, теплообмена и испарения, особое внимание было уделено получению с помощью методов решения, разработанных в первом ¡м : деле, приближённых аналитических зависимостей, отличающихся чросютой и доступностью для инженерной практики. Реализация этих задач позволила определить одну m важнейших .макрохарактеристик пузырькового кипения - скорость роста поверхностных пузырьков, чю является важнейшей информацией при создании алжвятной теории кипения.

:¡.l Гидродинамическая модель образования .микрослоя

Исследование движения жидкости перед растущим па поверхности нагрева пучырьком нами проводится в двух зонах [2]: тонкой пристенной области вязкого течения и области внешнего потенциального течения (см. рис. 3.1). Решепием упротёппой в соответствии <• принятой схемой системы уравнений сохранения импульса и массы в сферической системе координат определены радиальная компонента скорости [68,72]

где Я. R - cool вет с iBemio текущий радиус и скорость роста пузырька, v - кинема гичп ьая вязкость жидкости, г. у - радиальная и угловая коорлипаты;

и начальная толщина .микрослоя, выражаемая через толщину вытеснения [79]

Полученные расчётные соотношения (3.1.1), (3.1.2) имеют количественное согласие с данными Х.Ауверкерка.

3.2 О форме парового пузырька на поверхности нагрева

(3.1.1)

60(ño,t) = 4----

(3.1.2)

Рассмотрен вопрос об области существования микрослоя, который тесно связан с формой растущего парового пузырька. Форма растущего пузырька находилась из решения модифицированного нами уравнения Релея с учётом подтормаживающего действия стенки [74,76]

• 2 1 С°° 1 д2и

ПЯ + 3/2(Я) = -ИД) ~ -РМ1 + " / Т ' (3-1-3)

Р Зя г "У

С учётом (3.1.1) получено автомодельное решение (3.1.3), связывающее безразмерный радиус пузырька Я = с безразмерным углом X = [76]

Я = 1 - ^ + ехр(-Х2)(Х7 + 7/2Х5 + 35/4ЛГ3 + 105/8*) -

0\/7Г I 16

- ^/г-ег/с*], (3.1.4)

которое иллюстрируется на рис. 3.2 Из последнего следует, что при числах Якоба Ja > 30 (большие скорости роста, умеренные давления, значительный начальный перегрев стенки) пузырьки имеют форму, близкую к полусферической и под ними в процессе роста формируется микрослой. При числах ./а < 10 (медленный рост, большие давления, незначительный перегрев стенки) пузырьки имеют почти сферическую форму, и кал такового микрослоя выделить нельзя [68,78]. Результаты теоретического анализа подтверждаются тонкими опытами Хоспети и Меслера при кипении воды в условиях атмосферного давления. Основные их выводы сводятся к следующему: при За = 13,9 наблюдались сферические пузырьки, при 7а = 23,3 пузырёк имел приплюснутую форму и при ,/а = 32 - полусферическую.

3.3. Испарение микрослоя жидкости с твёрдой поверхности.

Математическая модель процесса испарения микрослоя жидкости с твёрдой поверхности строится в предположении неподвижности и одномерности микроплёнки с учётом теплопере-носа в нагревателе. Проведённый физический анализ довольно сложной нелинейной задачи с подвижной границей фазового перехода дал возможность внести существенные упрощения в математическое описание для предельных значений определяющих параметров [2,73]. Весьма важно, что в указанных случаях удаётся получить замкнутые решения. Из полученных расчётных соотношений определяются такие важные характеристики, как скорость испарения плёнки, время её полного испарения, радиус "сухой" зоны, флуктуация температуры стенки и др.[70-72].На рис. 3.3 продемонстрирован характер изменения теплового потока на границе "плёнка жидкости - нагреватель" и дано сравнение с детальным экспериментом Хейла и Эндерсона. Имеется хорошее количественное совпадение в рабочем диапазоне параметров.

3.4 Пузырьковое кипение на твёрдой поверхности с позиций модели микрослоя

При самых общих предположениях объём пара в растущем пузырьке складывается из доли за счёт испарения микрослоя и из второй доли, которая генерируется за счёт испарения с купола, Составляющая Укп легко определяется из зависимости по росту пузырька в однородно - перегретой жидкости, например, по зависимости Плезета и Ивика. Схема иллюстрирующая испарение с микрослоя приведена на рис. 3.4 Знание начальной толщины микрослоя ¿о(Я, ') и текущей толщины испаряющейся плёнки ¿(¿) дают возможность записать материальный баланс пара

2 г л

= 31ГЙ3 = [ у 602тггйг + у (¿о - 6)2тгйг| ■ £ (3.1.5)

где, Яс - радиус сухой зоны под пузырьком, />, р" - соответственно плотность жидкости и пара. Расчётные зависимости для различных значений коэффициента тепловой активности Кс нами получены в [72] и сопоставлены с экспериментальными данными таких исследователей, как М.Купер,В.В.Ягов, Р.Коул и другие. Для любых Кс закон роста пузырька имеет вил [75,77]

R = 2 JaVât

, 1 9 \ 1/21 -1/2

где Ja - число Якоба, М = р(То-г,) ' критерий фазового перехода, < - текущее время. Для радиуса "сухой" зоны получено выражение [78]

Я, = 2R

3 M

1-1/2

С учётом влияния теплофизических свойств материала стенки уравнение роста пузырька принимает вид [77]

R = 2 JaC2y/PrVâi

к с*

Б = С2гРг + 4-

'М(Ш + 2Ксг)

На рис. 3.5 представлен практически весь имеющийся на сегодня опытный материал по росту пузырьков при насыщенном кипении воды (0,15 -г 100 бар), этанола, бензола и др. Анализ графиков показывает, что для воды в диапазоне чисел Ja = 30 -г- 800 наилучшее соответствие с экспериментом дают решения с теоретически найденной константой Сг = 1,27, для органических теплоносителей Ci = 0,8. Необходимо особо подчеркнуть наличие излома линий R/\fàt = f(Ja), который качественно согласуется с ранее приведённым выводом о различной форме пузырьков при больших и малых числах Ja. При Ja < 10 наилучшие результаты даёт модель сферического пузырька, а для Ja > 30 - модель полусферического пузырька с микрослоем. Из сравнения также следует,что применение модели роста в однородно - перегретой жидкости не пригодно для описания динамики поверхностных пузырьков во всём временном интервале их роста.

Анализ показал [77], что влияние материала поверхности пагрева на скорость роста пузырька сказывается в большей степени при малых значениях С^Яг1'2 т.е. при давлениях, близких к атмосферному. С понижением давления тецлофизические свойства материала нагревателя оказывают всё меньшее влияние на динамику роста пузырька, а следовательно и на теплообмен при кипении. Опыты В.В.Ягова, подтверждают, что при давлениях Р < 0,2 бар влияние свойств поверхности на интенсивность теплоотдачи при кипении исчезающе мало.

Из полученных результатов также следует, что диффузионная модель поверхностного пузырька ограничена числами Ja = 800, т.к. при больших Ja требуется учёт инерционных эффектов в гидродинамической-модели.

Таким образом, проведённые теоретические исследования поверхностного пузырькового кипении на базе микрослоя дали возможность впервые установить границы применимости

модели полусферического и сферического пузырька, изучить динамику испарения и роста пузырька с учётом теплофизических свойств нагревателя, флуктуацию температур стенки под формирующимся пузырьком. Полученная детальная информация является основой создания инженерных расчётных методик по коэффициенту теплоотдачи и критическим тепловым нагрузкам.

4. Экологически перспективный угольный энергоблок как теллотехнологический комплекс

4.1 Состояние проблемы. Постановка задач исследования.

Освоение новых энергоблоков, реконструкция морально устаревших требует выбора наиболее эффективных конструкций котлоагрегатов, тошшвоподготовительных и топливосжига-ющих устройств, систем очистки и утилизации продуктов сгорания применительно к каждому виду топлива. Энергоблоки на твёрдом топливе относятся к классу высокотемпературных теплотехнологических комплексов (А.Л.Ключников). В существующих промышленных энергоблоках на твёрдом топливе теплотехиологические процессы организованы таким образом, что на их базе производится два вида продукции: электро- и теплоэнергия. Всё остальное - отходы основного производства. В практике отечественных ТЭС отхода повсеместно не утилизируются, представляя собой масштабный и многокомпонентный источник загрязнения окружающей среды. Минеральная часть углей содержит набор большинства элементов периодической таблицы Д.И.Менделеева. Поэтому на ТЭС вполне закономерно наряду с решением проблемы снижения удельных расходов топлива нри производстве кВт.ч или Гкал, т.е. проблемы энергосбережения, должны одновременно решаться не меньшей важности проблемы: практически полного и глубокого извлечения всех полезных веществ как из исходного топлива, так и в особенности из продуктов его сгорания, т.е. ресурсосбережения, а также экологии, водопользования и др. Перечисленные проблемы носят комплексный, взаимосвязанный характер и в этом их чрезвычайная сложность. Но их реализация, а это в конечном итоге инженерное решение безотходной технологии угольного энергоблока, гарантирует наивысшие энергоэкологические показатели ТЭС. [ 82,84,90,96].

Создание экологически чистой ТЭС (ЭЧТЭС), которое принято магистральным направлением научно-технического прогресса в энергетике, решает вопрос широкого вовлечения низкокачественных углей в топливный баланс. При таком подходе уже в ближайшей перспективе можно достичь существенного снижения вредных выбросов: золы - уноса, окислов серы и азота и др, не превышающих санитарных норм. Параллельно решается проблема широкого использования отходов: золы - для производства строительных материалов, металлургического сырья и для применения в сельском хозяйстве; окислов серы и азота - для удобрений и химического сырья и т.д. Удорожание электростанций за счёт дополнительных затрат на природоохранные системы в значительной мере компенсируется использованием в народном хозяйстве отходов ТЭС.

Ведущая роль в России при разработке ЭЧТЭС и модернизации существующих энергоблоков принадлежит научным и конструкторским коллективам ЦКТИ, ВТИ, ЭНИН, ПО "Сибэнергомаш", ПО "Красный котельщик", ЗИО, "Сибтехэнерго", ИТ СО РАН, МЭИ, ТПИ, УПИ, ЛПИ и других организаций. Минтопэнерго ведёт финансирование девяти проектов ЭЧТЭС.

Учитывая достигнутое, в данном разделе диссертационной работы ставятся следующие задачи:

1. На базе современных требований разработать технологические схемы угольной ТЭС

на принципах безотходной технологии, когда полезно используются практически все твёрдые отходы ТЭС, замыкаются циклы жидких стоков, утилизируются тепловые сбросы, нейтрализуются дымовые газы от вредных компонент.

2. Усовершенствовать с применением прогрессивного оборудования и энергосберегающей техники технологические схемы утилизации золошлаковых отходов, очистки дымовых газов от окислов азота и серы, получения обессоленной воды.

3. Провести научно-технические обоснования по выбору топочного устройства и выполнить исследования по рационализации конструктивных и режимных параметров парогенератора для эффективного сжигания широкой гаммы низкосортных топлив.

4.2. Научно-техпологические основы создания экологически перспективного энергоблока на твёрдом топливе (ЭПЭТТ)

Развиваемый нами подход к созданию ЭПЭТТ [3] содержит принципиально новое сочетание технико-экономических и экологических решений, а именно:

1. Котлоагрегат создается максимально теплоналряженвым , с минимальной металлоемкостью. При таком требовании топочный процесс должен быть высокофорсированным. Этому условию в большей степени отвечает вихревой способ сжигания твёрдого топлива, благодаря которому в камере горения возникают устойчивые энергонапряжённые циркуляционные зоны, которые играют решающую роль в ускорении газификационных и смесеобра-зовательпых процессов, самых медленных в последовательных стадиях сжигания твёрдого топлива. На таких принципах реализована вихревая топка НПО 11КТИ инж. П.В.Голованова с жидким шлакоудалением (ЖШУ),которая нами принята в качестве основного энергооборудования ЭПЭТТ.

2. При нейтрализации окислов азота и серы, содержащихся в дымовых газах, применяется система радиационной обработки их с использованием электропно-лучевых установок конструкции ИЯФ СО РАН, при которой окислы азота и серы переводятся в полезный продукт: или готовое минеральное удобрение (смесь сульфата и нитрата аммония при подаче в реакционный объем аммиака), или важнейшую составляющую при производстве жидких минеральных удобрений (смесь азотной и серной кислот при безаммиачном производстве).

Достигнутый уровень разработки этого метода очистки дымовых газов в Японии (2 пилотные установки производительностью ~ 50 тыс.м1 /ч), Германии, Польше и др. странах свидетельствует о том, что на сегодня это практически готовая к тиражированию тсхпология, которая выгодно отличается от альтернативных своей эффективностью и приемлемыми энергозатратами собственных нужд.

3. Очистка промстоков энергоблока осуществляется за счёт тепла дымовых газов, которые охлаждаются в контактпых теплообменниках. Для орошения в теплообменнике используется вода промстоков. Подогретая вода далее поступает в установку термического обессоливаяия (многоступенчатый испаритель мгновенного вскипания), где под вакуумом испаряется и охлаждается. Образовавшийся при этом пар конденсируется, а конденсат подается в контур питательной воды энергоблока. Продувочная вода (рассол) из последней ступени испарения направляется в установку грануляции золошлаковых(УГЗ) отходов. Таким образом, осуществляется полная нейтрализация промстоков, и одновременно решается задача обеспечения подпиточной водой котлов без использования системы химводоочистки.

4.Применяется сухая золоочистка. Основное улавливание мелкодисперсной золы из дымовых газов осуществляется в электрофильтрах. Доочистка дымовых газов после блока электронно-лучевой обработки от смеси сульфата и нитрата аммония и незначительного остаточного количества золы осуществляется в последовательно расположенных электрофильтре и рукавных фильтрах.

5. Способ подаига пылеугольного факела и поддержания горения на пониженных нагрузках - безмазутный. С этой целью применяются плазменное воспламенение и подсветка пылеугольвой аэросмеси с использованием плазмогенераторов конструкции ИТ СО РАН.

6. Утилизация низкопотенциального тепла с температурой выше 2Ь°С осуществляется с помощью теплонасосной техники.

Изложенное вн. 1-6 сочетает в себе решение двух важных народнохозяйственных проблем: создание экологически чистой и максимально экономичной тепловой электростанции, как основы развития энергетики, и производства минеральных удобрений, строительных материалов и др. продукции наиболее экономичным и экологически чистым способом.

В разработке ЭПЭТТ реализуется принцип комплексного использования практически всех отходов, который основан на многоотраслевом энергоагропромышленном комплексе (ЭАПК) [82,84]. ЭАПК - это серия сопряженных с теплоэлектростанцией дорстройпромкомбинатов и агропредприятий, позволяющих эффективно использовать отходы ТЭС, производить не только электроэнергию и тепло, но и сырье для стройивдустрии, металлургии и разнообразную сельхозпродукцию [3]. Рассмотренные теплотехнологии лишь в комплексе ЭАПК проявляют все экологические и экономические преимущества.

Нами впервые разработаны технологические схемы ЭПЭТТ в концепции ЭПАК на углях Сибирских месторождений, в частности на канско-ачинских бурых углях (КАУ) [3] и низкосортных кузнецких тошшвах (КУ) [83].

Ниже более подробно излагаются основные научно- технические положения, заложенные при реализации теплотехнологических схем ЭПЭТТ на КАУ (рис.4.1, 4.2)

4.3 Теплотехнологические схемы угольного энергоблока в концепции энергоагропромком-плекса.

1. При высокотемпературном сжигании КАУ в вихревом факеле происходит полное проплавление и усреднение всей массы шлака. Такой шлак может быть непосредственно использовав как ценный вяжущий материал в цементном производстве. Удаление из топки котла расплава шлака с утилизацией его тепла организовывается аналогично освоенным технологиям в чёрной металлургии и подробно рассмотрены в [3].

Зола уноса из электрофильтров обрабатывается вместе со шлаковыми отходами и требуемыми добавками в мельницах. Получаемые таким образом основные компоненты для изготовления продукции стройицдустрии поступают на склад, откуда разбираются внешними строительными организациями и идут на производство изделий на дорстройпромкомбина-те при ТЭС. Указанная технология на стандартном оборудовании, использующая разработки ИХТТИПМС СО РАН, представлена на рис 4.3 Зола используется также в схеме радиационно-химического обезвреживания для нейтрализации смеси кислот с целью получения низкосортных вяжущих или наполнителей для бетонов. Часть шлака и золы направляется на нужды сельского хозяйства.

2. Рассмотрены два варианта газоочистки от МОх и Б0Х электронным пучком [3] 1) с применением аммиака ("сухой способ"); 2) безаммиачный с применением скрубберов ("мокрый способ").

В варианте 1 (рис 4.4) дымовые газы после сжигания углей поступают в электрофильтр. После этого их направляют в камеру облучения, куда впрыскивается аммиак в эквимоляр-ном количестве. В последующем отсеке камеры происходит химическое преобразование, результатом которого является выход сухих солей аммония, представляющих товарные ми-нудобрения.

В варианте 2 (рис 4.5) дымовые газы после электрофильтра и облучательвой камеры поступают на скрубберы, орошаемые водой. Далее образовавшаяся смесь слабых кислот

H2SO4 и HNO3 направляется в нейтрализатор, где раствор стабилизируется золой КЛУ, поступающей сюда из электрофильтра, содержащей окиси кальция и магния, вступающих во взаимодействие с кислотами. Из нейтрализатора раствор идет в первый загуститель, где осаждается CaSO4 ■ 1,5Я20, который проходя низкотемпературную обработку обезвоживается до CaSOt ■ 0,5Я20 и дальше используется как продукт в цементной промышленности. Слив с, первого загустителя, представляющий собой раствор Са(МОз)2, направляется далее на второй загуститель с получением товарного продукта в виде минерального удобрения, а "условно чистая" вода используется при орошении скрубберов. Указанная схема предусматривает одновременную утилизацию как вредных выбросов отходящих газов, так и золы ТЭС на КЛУ.

3. Эффективнее всего использование зол КАУ в сельском хозяйстве для повышения плодородия почв (их известкование, улучшение агрофизических свойств, внесение комплексов микроэлементов и т.д.), увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и сокращения сроков их созревания, создания искусственных почв и компостов для закрытого грунта. Расчёты показывают, что чистая прибыль от применения золы в сельском хозяйстве в зоне Сибири составляет 70 руб/га (1990). В работе применяется гранулирование золошлаковых смесей (сырцовые гранулы). Лля грануляции используются рассолы с аппаратов термического обессоливания (ATO), предусматривается их упаривание с использованием тепловых насосов.

4. Наличие источника теплых вод обуславливает формирование вокруг ТЭС крупных агрокомплексов: тепличного хозяйства, птицефабрики, рыбного хозяйства и др. Их строительство и достаточно быстрый ввод в эксплуатацию позволит в короткий период времени обеспечить собственной продукцией население Сибири.Предлагается использование пруда-охладителя ТЭС в качестве рыборазводного предприятия, что даст существенную прибавку биомассы.

5. Получение обессоленной воды обеспечивается на базе установок мгновенного вскипания. Принципиальная технологическая схема разработана нами (рис 4.6): условно-чистые стоки поступают в узел подготовки, где проходят стадии фильтрации, корректировки РН, деаэрации. Подготовленная вода направляется в контур установки. Циркуляционная вода подается в конденсаторы регенеративных ступеней испарителя, нагревается и далее поступает в скруббер. В скруббере путем пепосредствеппого контакта с дымовыми газами циркуляционная вода дополнительно нагревается, а дымовые газы при этом промываются, частично увлажняются, охлаждаются и выбрасываются в атмосферу. Нагретая в скруббере циркуляционная вода поступает в многоступенчатый испаритель мгновенного вскипания разработки Сибирского филиала НПО " Техэнергохимпром" ,где под вакуумом испаряется и охлаждается. Образовавшийся при этом пар конденсируется на трубках конденсатора и вода дистиллята подается на кондесатоочистку, где дополнительно очищается (при необходимости), а далее подается в контур питательной воды энергоблока. Продувочная вода из доследпей ступени испарения направляется в УГЗ.

6. Тепловая мощность сбросного низкопотенциального тепла энергоблока мощностью 800 МВт на КАУ составляет около 109 ккал/час. Температура этого сбросного потока тепла в основном невелика - в среднем около 25"С, хотя незначительная часть тепловых потерь имеет относительно высокий потенциал - дымовые газы порядка 5% и около 5-6% тепла содержится в стоках, имеющих температуру 30 — 35°С, таких как продувочная вода (рассол) и вода из системы охлаждения конденсаторов ATO. Полезное использование этого тепла для целей теплоснабжения и теплофикации (приточная вентиляция, прямое калориферное отопление, тепловые завесы) может быть эффективно реализовано с применением теплонасосных установок

(ТНУ). Подробный расчетный анализ [3] привёл к технически обоснованной схеме утилизации этого тепла и выбору типов тепловых насосов для этих целей. Имеется положительный экономический эффект по сравнению с получением необходимого тепла из теплофикационных отборов турбоустановки.

На принципе безотходной технологии разработана также перспективная технологическая схема ЭПЭТТ с циркулирующим кипящим слоем на низкосортных КУ [3,83] с необходимым объёмом расчётно-экспериментальных обоснований.

Как следует из экономического анализа разработанной ? < зоологической схемы ЭПЭТТ на КАУ (табл. 4.1), затраты на природоохранительные технологии компенсируются положительными эффектами: - за счёт снижения ущерба, причиняемого выбросами и отходами с ТЭС ; - прогрессивностью технических решений по тепломеханическому оборудованию; -прибылью от реализации продуктов утилизации; - полезному использованию сбросного тепла. Народное хозяйство от энергоагропромкомплекса, которое формируется на базе ТЭС, получает полезный продукт с прибылью от реализации ~ 8 млн.руб/год, и природе не наносится ущерб от вредных выбросов на сумму около 48 млн.руб/год (в ценах до 1990 г.).

4.4 Основные результаты комплексных исследований теплотехнологических процессов в вихревой топке

Принципиальной особенностью конструкции котлов этого типа является применение топки, состоящей из вихревой камеры сгорания с высоким теплонапряжением и камеры охлаждения, насыщенной двухсветными экранами и ширмами. Сотрудниками ЦКТИ под руководством Н.В.Голованова был выполнен широкий спектр исследований по отработке профиля топки (физическое моделирование - В.В.Мигай, В.Ф.Литвиненко и др., математическое моделирование - В.Б.Довжик и др., опытно-промышленным испытаниям котлов -Е.К.Чавчанидзе, Е.Э.Гильде, А.А.Попов и др.). В проведении исследований и освоении опытно-промышленных котлов вихревого типа на Назаровской ГРЭС и Новосибирской ТЭЦ-3 при сжигании твёрдого топлива на разных этапах участвовали "Сибтехэнерго", ТПИ, ИТ СО РАН, "Красный котельщик", ПО "Новосибирскэнерго", Новосибирская и Назаровская электростанции.

Опыт сжигания КАУ в вихревой топке с ЖШУ показал по сравнению с их сжиганием в топках с СШУ ряд следующих заметных преимуществ [89,91,100].

1. Вихревая топка - эффективное устройство для двухступенчатого сжигания твердых топлив, что в большой мере решает проблему снижения выбросов окислов азота. Поддержание коэффициента избытка воздуха в камере горения 0.9 - 1.0 при общем избытке на горелках а = 1.1 - 1.15 позволяет достичь, при замкнутой пылесистеме, уровня выбросов окислов азота, не превышающего 300 .мг/лг5 и являющегося низким даже для топок с СШУ. Таким образом, использование котлов с вихревой топкой - один из путей виутритопочного подавления выбросов оксидов азота.

2. Высокотемпературная обработка золы при эффективной аэродинамике вихревой топки, способствующей контакту внутренней и внешней минеральных частей, обеспечивает связывание кальция с оксидами кремния и алюминия. Это приводит к образованию устойчивых алюмосиликатных соединений, что препятствует сульфатизации кальция. В результате первичный слой отложений на поверхностях нагрева менее сульфатизирован и соответственно менее прочен. Поэтому борьба с такими отложениями существующими методами очистки достаточно эффективна.

3. Из-за сепарации со шлаком части оксидов кремния и алюминия последний становится более легкоплавким, что способствует расширению диапазона нагрузок по выходу жидкого шлака, а в уносе повышается содержание кальция, что приводит к росту температуры

шлакования на 50 — 70°С, позволяя заметно повысить температуру газа на выходе из топки.

1. Низкая зольность КЛУ благоприятствует их сжиганию в режиме ЖШУ ввиду малой потери с физическим теплом жидкого шлака, которая к тому же компенсируется уменьшением потерь е механическим недожогом.

5. Сжигание в режиме ЖШУ: а) существенно уменьшает содержание золы, а вместе с ней СаО. в дымовых газах из-за высокого коэффициента шлакоулавливания (до 0,5); б) значительно снижает износ груб и конвективных поверхностей нагрева пе только за счёт падения озолеилости газов, но и за счёт оплавления золы в результате выскотемпературной обработки (остроугольные частицы золы превращаются в сферические).

*>. Высокотемпературный режим работы вихревой топки сводит до минимума (меньше ПДК) вредные выбросы бс«з(а)пирена, нитрозных соединений, окиси углерода. Малый же выброс ЭОх вызван связыванием малосодержащейся серы топлива в сульфат кальция.

7. Процесс селективной сепарации минеральных компонентов при шлакообразовании в вихревой топке происходит во всём диапазоне изменения зольности топлива, причём в наибольшей степени проявляется при её уменьшении, что особенно характерно для берёзовского угля, и убывает по мере её увеличения. Это приводит к тому, что отличие состава шлака от золы топлива наиболее выражено при малой зольности. Результатом эффекта избиратель-вой сепарации минеральных компонентов в шлак является, во-первых, расширение диапазона зольности по условиям надёжного шлакоудаления и, во-вторых, выдерживание достаточно стабильного состава шлака независимо от зольности сжигавшихся бурых углей КАБа. Надёжность выхода жидкого шлака в вихревой топке связана также и с тем, что в процессе сжигания преобладающая часть железа в шлаке представлена в закисной форме (РеО), что сказывается на увеличении Н'кучеои и уменьшении вязкости шлака. Низкая степень окисленности желе 1а в шлаке является характерной особенностью сжигания широкой гаммы бурых углей КАБа в вихревой камере горения из-за полувоеетановительных условий в непосредственной близости от шлаковой плёнки.

8. Получаемые в результате высокотемпературной обработки, обогащенные оксидом кальция и обладающие клинкерными свойствами, зола и шлак являются ценными строительными материалами, пригодными для транспортировки.

Однако, необходимость соблюдения ужесточённых экологических требований, разработка систем управления и оптимизация рабочих процессов, повышение надёжности, экономичности, маневренности требуют проведения дальнейших комплексных исследований аэродинамики, тепломассообмена. горения и образования токсичных выбросов применительно к данной конструкции [45].

Эти проблемы важны как при разработке новых котлов вихревого типа, так и при реконструкции морально устаревших, не удовлетворяющих современным требованиям, с переводом их в режим вихревого сжигания г улучшеппыми эпергоэкологическими характеристикам!.

В отличие о1 работ предшественников в данной проблематике главная стратегия проводимых нами исследований « вязана < реализацией совместного физического и вычислительного эксперимента. Сложность аэродинамических потоков в вихревой топке вынуждает для получения реальной картины течения вес I и ма иематическое моделирование в трёхмерной постановке. Те же требования предъявляются и к тепломассообмену, и лучистому теплообмену в особенности. Такие детальные исследования с применением уникальных диагностических систем и специальных пакетов вычислительных программ, проведены для вихревой топки (ВТ) впервые.

4.4 Физическое и математическое моделирование аэродинамики и лучистого теплообмена в топочной камере парогенератора ВТ

а) Экспериментальные исследования аэродинамики ВТ. Экспериментальная часть работы по изучению аэродинамики вихревой топки проводилось на изотермических воздушной (М1:15) и гидравлической моделях (М1:30) [85]. Схемы автоматизированных аэродинамических стендов приведены на рис. 4.7 и 4.8. На воздушной модели применялась следующая диагностика поля течения: термоанемометр постоянной температуры с линеаризатором, тепловизиопная техника, визуализация с помощью мелкодисперсных порошков. На гидравлической модели измерения полей течения проводились с помощью электродиффузионного метода, визуализация осуществлялась воздушными пузырьками с подсветкой их лазерным "ножом", а также подкраской рабочей жидкости.

Опыты проведены в диапазоне Re = (1 -í- 6)105 [103]. Измеренные профили компонент скорости и соответствующей пульсационной составляющей (рис. 4.9) позволяют сделать следующие выводы:

- средняя составляющая азимутальной компоненты имеет максимум напротив выхода из горелки. Профиль пульсационной компоненты при том же положении имеет минимум, что свидетельствует о струйном характере истечения из горелки;

- помимо преимущественно азимутального движения по перферии наблюдается циркуляция вдоль оси камеры сгорания;

- профиль азимутальной компоненты скорости в КГ является устойчивым и близким к осесимметричному;

- течение в диффузорной части носит "перчаточный" характер. Вынос основной массы происходит в плоскости симметрии между амбразурами горелок;

- в КО в зависимости от режимных и конструктивных параметров имеется сложное пространственное движение. В большинстве исследованных режимах поток существенно неравномерен как по длине, так и по высоте. В КО имеются области, где скорость по абсолютной величине в несколько раз превышает среднерасходную, На поперечном сечении КО существуют как вертикальные, так и горизонтальные вихри:

- график кинетической энергии турбулентности имеет максимум у левой стенки камеры, что, по-видимому, вызвано "размыванием" входной струи, создающей закрутку потока;

- в КГ существенна анизотропия распределения касательных напряжений.

Исследованы такие важные аэродинамические эффекты вихревой камеры как прецессия

вихревого ядра, присоединение выходной струи из диффузора к стенкам КО (эффект Коанда) и др. Выработаны способы управления структурой течения.

При замыкании пылесистемы в котле ТПЕ-427 НТЭИ-3 встала проблема эффективного сброса сушильного агента, которая бы улучшала аэродинамические качества основного потока. Наиболее рациональным оказался вариант сброса, реализованный на фронтальной стенке через амбразуру, расположенную над основной горелкой [95]. Данный вариант наиболее целесообразен в сочетании с увеличением площади пережима диффузора [94]. При этом струя сбросного потока разрушается основным течением и практически не доходит до заднего ската диффузора. Уменьшенная скорость восходящих потоков и высокие температуры в пережиме обеспечивают сжигание сушильного агента в нижней части КО.

б) Математическое моделирование аэродинамических процессов

Для описания движения газа используется система уравнений Рейнольдса и одна из стандартных моделей турбулентности. Для численного решения задачи использовался метод Патанкара [106]. Тестирование велось сравнением результатов расчёта "холодной" аэродинамики с данными моделирования на воздушной модели [105]. На рис. 4.10 показано поле скоростей в топочной камере, а на рис. 4.11 приведено сопоставление результатов физического и математического моделирования по распределению кинетической энергии турбулентности.

Таким образом, результаты проведённого численного моделирования достаточно адекватно отражают картину пространственного течения внутри геометрически сложной области типа вихревой топки [98,106].Учтено влияние твёрдой фазы в монофрационном приближении.

Анализ результатов аэродинамических исследований показал [89,100], что для устойчивой работы котла площадь горловины диффузора должна составлять 40% относительно диаметрального сечения КГ. Увеличенная площадь проходного сечения пережима приводит к падению скорости потока продуктов сгорания в КО, частицы успевают охладиться, что положительно с точки зрения уменьшения отложений на экранные и ширмовые поверхности.

С целью сокращения размеров возвратных вихрей, формирующихся на фронтальном и заднем экранах КО, углы скатов диффузора должны приниматься: переднего ~ 20°, заднего ~ 30" по условиям качества аэродинамических процессов. Условный диаметр вихревой камеры отработан равным ~ 6.2 м, отношение длины одного модуля к диаметру должно быть ~ 1 -г 1,5 [100].

в) Математическое моделирование лучистого теплообмена в вихревой топке. Для создания алгоритма и компьютерной программы выбрана математическая модель переноса излучения в сером приближении. Далее к интегральным уравнениям лучистого теплообмена (ЛТ) применялась зональная процедура, использование которой позволило успешно решить задачи ЛТ в излучающе-поглошаюше-рассеивающих системах произвольной пространственной конфигурации, что как раз характерно для топочных устройств. Модель учитывает: объёмный характер лучистого обмена, конвективный тепломассообмен, выгорание топлива и теплопередачу через стенки топки. Для математического описания используется наиболее общая запись системы нелинейных уравнений теплового баланса и теплопередачи для случая, когда неизвестны ни температура обмуровки топки, пи тепловые потоки, а известны только теплофизические и радиационные характеристики.

Приведённые угловые коэффициенты (УК) находятся процедурой Монте- Карло. Для численного решения системы нелинейных алгебраических уравнений теплового баланса и теплопередачи применяется метод Ньютона - Канторовича. Модуль описания геометрии в компьютерной программе расчётов УК позволяет отразить все конструктивные особенности топочной камеры котла Голованова Н.В. (наличие топочных ширм, двухсветных экранов, пережимов и др.). Численные данные распределения температуры и тепловых потоков (суммарного и радиационного) качественно и количественно согласуется с натурпыми данными (рис 4.12, 4.13) [92,104]. Расчёты выгорания показывают, что основная масса топлива (9093%) сгорает в КГ, остальная - часть в диффузоре топки.

На основании детальных исследований топочных процессов и длительных опытно-промышленных испытаний котла ТПЕ-427 следует, что к настоящему времени вихревая топка является достаточно отработанным топочным устройством, обеспечивающем надёжное сжигание широкой гаммы бурых углей КАБ в режиме ЖШУ при соблюдении требований по экологическим показателям (рис. 4.14).Разработана система оптимизации процесса горения на базе микропроцессорной техники [46]. Выданы авторские свидетельства на способ сжигания и конструкцию вихревой топки [86,87].

Проведено также комплексное физическое и математическое моделирование аэродинамики, тепломассобмена и горения в топке с ИКС [69,93,97,99,101]. Получено положительное решение [102] на новую конструкцию котла с ПКС.

В результате выполненных исследований разработаны технологические схемы ЭПЭТТ на принципах безотходной технологии с позиций современных научно-технических достижений в области энергетики. Проведёнными исследованиями установлено, что отличительными особенностями вихревой топки является повышенная устойчивость к воспламенению и высо-

кал эффективность выгорания нылеугольного факела, обусловленные вихревой структурой потока. В вихревой топке обеспечивается экономичное сжигание низкосортных углей с соблюдением экологических нормативов при значительных колебаниях их качества, в широком диапазоне регулирования нагрузки. Всё это позволяет рекомендовать вихревую топку в качестве перспективного маневренного топочного устройства уменьшенных габаритов. Результаты работы могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями и энергомашиностроительными заводами при разработке и модернизации котлоагрегатов с вихревой топкой.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Методами математического моделирования, оптимизационных исследований и опытно-промышленных испытаний тепловой обработки слитков кипящего и спокойного металла и заготовок массой 11 - 22 т, вскрыты закономерности влияния важнейших физических, режимных и конструктивных параметров на готовность металла к прокатке, на уровень максимальных напряжений и макроструктуру металла. Проанализированы взаимосвязи параметров тепло-технологии с технико-экономическими показателями совмещённого комплекса "сталь-прокат". Указаны пути реализации теплотехнологических процессов, удовлетворяющих требованиям минимума расхода топливноэнергетических ресурсов, угара, оплавления и гарантированного качества прокатываемых заготовок.Установленные закономерности рабочих процессов являются научно-технической основой при формировании минимальноэнергоёмкого и экологически перспективного теплотехнологического металлургического комплекса.

2. Исследование режимов нагрева полностью затвердевших слитков спокойной стали в совмещенном процессе показало, что приближённо- оптимальным режимом нагрева является двухступенчатый: максимальный расход топлива в первом периоде,а в периоде томления -нагрев при постоянно понижающейся температуре среды, что обеспечило в условиях КарМК экономию топлива до 14%, уменьшение угара до 7%, при улучшении качества проката.

Наложение импульсной подачи коксодоменного газа в фазе томления дополнительно экономит до 18% топлива. Такой комбинированный режим явился самым наивыгоднейшим по тоцливоиспользованию, угару и оплавлению.

При нагреве слитков кипящей стали с "жидким" ядром приближённо- оптимальным режимом нагрева является также двухступенчатый режим: постепенное с малой скоростью нарастание температуры печи в первом периоде до окончания кристаллизации слитка, затем непродолжительный, но интенсивный её подъём во втором периоде до получения заданных параметров нагрева перед прокаткой, что дало для КарМК экономию топлива до 51%, повышение производительности комплекса "сталь-прокат" до 6%, при одновременном улучшении качества металлопроката.

На данном этапе в практику внедрены энергометаллосберегающие теплотехнологии обработки 11 - 22 т слитков и организационные мероприятия, не потребовавшие больших капиталовложений: с незатвердевшей сердцевиной и импульсным отоплением, но которые обеспечили доход государству в сумме более 1,84 млн.руб.в год (в ценах 1990 г.). Получен акт внедрения по межведомственной форме Р10.

3. Для широкого круга достаточно сложных нелинейных математических моделей теплотехнологических процессов, базирующихся на явлениях теплопроводности, конвективного теплообмена, теплового излучения, затвердевания, испарения, термомеханики, и имеющих важное самостоятельное теоретическое значение и практическое применение, осуществлён их параметрический анализ методами теории подобия, который позволил ещё до проведения

решений вскрыть качественные закономерности протекающих процессов, внести существенные упрощения в первоначально усложнённую постановку задачи, и тем самым справиться при решении с её нелинейными особенностях™, дать количественную оценку безразмерным параметрам, в границах которых "работает" более простая математическая модель.

4. Развит новый подход к приближённому решению нелинейных задач тепломассопере-носа, который успешно справляется: - с нелинейностью из-за присутствия лучистой составляющей в суммарном тепловом потоке; - с нелинейностью, вызванной переменностью тепло-физических и физикомеханических свойств с температурой;- с нелинейностью стефановского типа, обусловленную фазовым переходом.

5. Обосновано квазистационарное приближение при решении пелипейпых задач затвгр-девания (плавления, испарения). Определены критерии и дана их количественная оценка, позволившая классифицировать процессы с фазовым переходом по интенсивности внешнего теплового воздействия.

Проведён качественный анализ режимов с сохранением расплава и мгновенным его упо-сом, с намерзанием гарниссажного слоя и без него и др., а также даны оценки скоростей роста кристаллов.

Разработаны численные процедуры и решены важные в практическом плане пространственные математические модели затвердевания и нагрева затвердевающих слитков с набором всех характерных нелинейностей и необходимой детализацией процесса.

6. Показано теоретически и экспериментально подтверждено, что при нестационарном и стационарном радиационно-конвективном теплообмене в пограничных слоях в условиях как вынужденной,так и естественной конвекции излучение приводит к смене закона конвективного теплообмена от граничных условий второго рода к граничным условиям первого рода. Скорость этого перехода детерминируется безразмерным параметром излучения.

Теория и эксперимент по нестационарной и стационарной конвекции в теплоизлучающих каналах показали, что определяющая роль в формировании закона конвективного теплообмена принадлежит величине производной от управляющего теплового потока с радиационной составляющей на стенке канала. Если она мала, то теплообмен протекает при граничных условиях второго рода. При больших значениях этой производной теплообмен происходит при граничных условиях первого рода.

7. Проведён анализ локальных и иптегральпых характеристик пузырькового кипепия с позиций существования микрослоя. Получены теоретические результаты о структуре течения вокруг растущего пузырька, геометрии микрослоя и форме пузырька, испарению микрослоя, скорости роста пузырька. Дана количественная опенка по числу Якоба, которая устанавливает границы применимости полусферической (с микрослоем) и сферической моделей роста пузырька. Выделена информация о флуктуациях температуры поверхности нагрева, размерах "сухого пятна", времени полного испарения микрослоя, влиянии теплофизических свойств теплопередающей стенки на динамику роста поверхностных пузырьков.

8. С помощью совместного вычислительного и физического эксперимента исследована тонкая аэродинамическая структура турбулентных потоков в вихревой топке. Проанализирована картина радиационных потоков в камере горения (КГ) и камере охлаждения (КО). Определена степень выгорания и выход токсичных выбросов при сжигании низкокачественных углей. Детальная информация о рабочих процессах в топке вихревого типа, адаптированная опытно-промышленными испытаниями на котле ТПЕ-427 Новосибирской ТЭЦ-3, является научно-технической базой создания новой и модернизацию! существующей котельной техники на принципах вихревого сжигания с улучшенными экологоэкономическими показателями.

Э.Разработаны и прошли Государственную экспертизу два проекта ЭЧТЭС на низкосортных сибирских углях, основанные на принципе безотходности технологических процессов, с созданием в конечном итоге на базе ТЭС - энергоагропромкомплекса. Проработаны технологические схемы по полезному использованию вредных газов, золы, шлака, низкопотенциального тепла, жидких стоков.

Народное хозяйство от энергоагропромкомплекса (электрическая мощность ТЭС 6,4 ГВт) получает прибыль в 8 млн.руб. в год и природе не наносится ущерб от вредных выбросов на сумму около 48 млн.руб. в год (в ценах 1990 г.).

Таким образом, на основании выполненных комплексных исследований и разработок, осуществлено решение сложных проблем энергоматериалосбережения, экологизации и повышения качества металлопродукции на комплексах "сталь-прокат", а также улучшения технико-экономических и экологических показателей энергоблоков на низкосортных топливах, имеющих важное народнохозяйственное значение. Внедрение сформулированных научных рекомендаций, технических и технологических решений является решающим фактором повышения уровня инженерного и экологического совершенства базовых теплотехнологических комплексов в чёрной металлургии и энергетике.

Основные результаты опубликовании в работах:

1. Саломатов В.В. Методы расчета нелинейных процессов переноса тепла // Из-во ТГУ, Томск, 1976,4.1,-245 с.

2. Саломатов В.В. Методы расчета нелинейных процессов переноса тепла // Из-во ТГУ,Томск,1978,4.2,-181 с.

3.Накоряков В.Е., Бурдуков А.П. Саломатов В.В. Экологически чистая тепловая электростанция на твёрдом топливе (концептуальный подход)// СО РАН, Новосибирск,1990,-138 с.

4. Саломатов В.В. Теплофизические основы энергосберегающих технологий в металлургическом производстве на линии от разливки до прокатки //Препринт ИТ СО РАН, Новосибирск,1987,- 67 с.

5. Саломатов В.В., Сайфаров А.Я.,Пакун H.H. Процессы кристаллизации, охлаждения и последующего нагрева слитков к прокатке.// Сб.Теплофизика кристаллизации веществ и материалов, Новосибирск, 1987, с.154 - 161.

6. Саломатов В.В.,Боберь Е.Г.,Сайфаров А.Я. Оптимизация тепловой обработки металла перед прокаткой как метод энергосбережения //Препринт ИТ СО РАН, No 181, 1988, - 51 с.

7. Боберь Е.Г.,Саломатов В.В. Оптимальные режимы нагрева неполностью затвердевших слитков // Изв. ВУЗов,Чёрная металлургия, 1986, No 3, с. 153 - 154.

8. Саломатов В.В. Теплофизические процессы и экономия топлива в технологической линии "разливка - прокатка"//Тезисы докл."Энергосб.техн.и теплоэнерг.пробл. оптим.печ.хоз-ва металл.предприятий.",Миасс,1987, с.29-30.

9. Саломатов В.В., Боберь Е.Г.,Сайфаров А.Я. Разработка энергосберегающих технологий для металлургических комплексов "сталь-прокат"// Тез.Всесоюз.сем. "Новые металлург. технологии",Новосибирск,(СО РАН) 1988,с.19-21.

Ю.Саломатов В.В. Теплофизические основы энергосберегающих технологий для металлургических комплексов "разливка-прокатка". //Известия СО РАН СССР,серия техн. наук, 1989,вып.4, с. 138 - 156.

Н.Саломатов В.В.,Боберь Е.Г.,Сайфаров Я.Ю. Оптимизация тепловой обработки слит-

ков перед прокаткой.//Известия СО РАН СССР,серия техн. наук, 1989,вьш.4 с. 95 - 113.

12.Саломатов В.В. Математическое моделирование и оптимизация тепловой обработки металла на металлургических комплексах "сталеразливочный пролёт-печь".//Труды Международного форума "Тепломассообмен",Изб. доклады,Минск, 1989,с.112-130.

13.Саломатов В.В., Боберь Е.Г., Сайфаров Я.Ю. Влияние длительности продвижения составов с металлом от разливочной площадки до отделения нагревательных колодцев на продолжительность нагрева слитков в условиях Карметкомбината.// Тез.докл.Всесоюзного сем."Соверш.метод.нагр. и охлажд. метал, в прокат, произвол.", ВДНХ СССР,М., 1989,с.11-12.

14.Саломатов В.В.,Боберь Б.Г. Исследование оптимальных режимов нагрева слитков в колодцах обжимного цеха Карметкомбината.//Тез.докл.ХН паучно-техн. копф. "НТП в чёрной металлургии" ,Темиртау, 1984, с. 75-76.

15. Саломатов В.В.,Сайфаров А.Я.Д1акун H.H. Теоретическое обоснование,опытно-промышленное опробование и внедрение рациональных графиков продвижения составов и режимов нагрева плавок со слитками с незавершённой стадией кристаллизации слябинга 1150 Карметкомбината.//Тез.докл.научво-тех.конф."Проблемы нагрева слитков с не-полн.затв.сердцевиной", Свердловск, 1983,с.12-13.

16.Саломатов В.В.,Касьянов Е.И. Теоретический анализ процессов затвердевания, охлаждения и последующего нагрева слитков с жидким ядром в цикле их подготовки к прокату.//Тез.докл.научно-техн.конф. "Проблемы нагрева слитков с неполн. затв. сердцевиной", Свердловск, 1983, с.13 - 14.

17. Боберь Е.Г., Саломатов В.В. Оптимальные режимы нагрева металла с незавершённым процессом кристаллизации.// Сб.Теплофизические процессы при кристаллизации веществ, СО РАН, Новосибирск, 1987, с. 136 - 148.

18.Саломатов В.В.,Горбунов А.Д.,Мельников А.Н. Математическое моделирование тепловой подготовки слитков в технологической цепи от разливки до прокатки.// Инж.-физ. журнал, 1975, No 5, с. 919-925.

19.Саломатов В.В., Макеев А.Д. К расчёту температурных напряжений при нелинейных явлениях теплового переноса.// Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1975,No 2, с.152 -156.

20.Саломатов В.В.,Мельников А.Н. Численное решение задачи кристаллизации и нагрева стального слитка.// Мат-лы 4 науч.конф. по матем. и мех., Томск,1974,с.72-73.

21.Саломатов В.В. Метод теплового квазистапионарного. приближения в задачах с фазовыми превращениями.// Изв.ТПИ, Томск, 1974,т.252, с. 71 - 77.

22.Саломатов В.В. Асимптотические решения нелинейных задач нестационарного высокотемпературного теплопереноса. // Сб.Тепло- и массоперенос,Минск 1974, т.10,ч.2, с. 569 - 570.

23.Salomatov V.V., Gorbunov A.D. An analytical invtstiqaton of heat transfer in bodies with . mobil boundaries. //Heat transfer,SR, Amer.Soc.Mech.Eng., 1974,v.6,No 3,pp.55-66.

24.Саломатов B.B. Асимптотический апализ процессов теплопереноса с существенной нелинейностью в краевых условиях. // Изв.АН СССР, Энергетика и транспорт,1974, No 1,с.121-131.

25.Саломатов В.В.,Горбунов А.Д.О решении задач теплопереноса с подвижными границам™ фазовых превращений.//Труды IV Всесоюз.сов.по тепло- и массопереносу,Минск,1973, т.И,с.511-515.

26.Саломатов В.В. Асимптотические решения нелинейных задач тепло- и массоперепо-са.// Труды 1У Всесоюз.совещ.по тепло- и массопереносу, Минск,1973,т.Н с. 516 - 519.

27.Саломатов В.В.,Горбунов А.Д. О решении задач тенлонереноса с подвижными границами методом теплового квазистационарного приближения.//Физика и химия обработки материалов,1973,No 5, с. 37 - 44.

28.Саломатов В.В.,Горбунов А.Д. Аналитическое исследование теплоперепоса в телах с подвижными границами.// Изв.АН СССР, Энергетика и транспорт, 1973 No 1,с.138 -147.

29. Salomatov V.V An approximate method for calculating nonlinear heat conduction problems.// Heat transfer,SR, Amer.Soc.Mech.Eng. 1972,v.4,No 2,pp.41-49

30. Salomatov V.V, Gorbunov A.D. High - temperature heating of ablation cooled structural elements.// Heat transfer, SR, Amer.Soc.Mech.Eng.l973,v.5,No 2,pp.129-140

31.Саломатов B.B. К расчёту нестационарного температурного поля в телах конечных размеров, подверженных радиационному нагреву .// Изв. ТПИ, Томск, 1972,т.205, с.46-54

32.Саломатов В.В. Нестационарная теплопередача в оболочках в режиме их высокотемпературного разогрева.// Изв.ТПИ,Томск, 1972,т.205, с. 41 - 46.

33. Саломатов В.В. О приближённом методе решения нелинейных задач теплопроводности.// Изв.АН СССР, Энергетика и транспорт,1971, No 1,с.132-140.

34.Salomatov V.V. Temperature conditions in solids under combined effects of radiation and convection.// Heat transfer,SR, Amer.Soc.Mech.Eng. 1970,v.2,No 2,pp.1-9

35-Саломатов B.B. Исследование высокотемпературного переноса тепла в твёрдых телах при переменных условиях теплообмена.// Физика и химия обработки материалов,1970,No 6,с.17 - 25.

36.Саломатов В.В. К расчёту радиационного охлаждения твёрдых тел.// Инж.физ. журнал, 1969,No 1,т.17, с.127 - 134.

37. Саломатов В.В. О нагреве массивных тел лучистым источником тепла переменной интенсивности.// Инж.физ.журнал 1969,No 2,т.17, с.292 - 299.

38.Саломатов В.В. Температурный режим твёрдых тел при совместном воздействии радиации и конвекции.// Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт» 1969,No 4, с. 91 - 99.

39.Саломатов В.В. Аналитическое исследование нелинейного переноса тепла в твёрдых телах.// Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1969,No 3, с.154 - 158.

40.Саломатов В.В.,Торлопов A.A. Прогрев массивных тел лучистым теплом.// Изв. ВУЗов, Чёрная металлургия, 1968, No 10, с. 155 -166.

41.Саломатов В.В. Закон связи между температурами в процессах нелинейной теплопроводности.// Изв.ВУЗов, Физика, 1968, No 9,с.152-154.

42.Саломатов В.В.,Торлопов A.A. Лучисто-конвективный нагрев "тонких" тел с учётом переменности теплофизических характеристик .// Изв.ВУЗов, Чёрная металлургия,1967, No 8,с.139-140.

43.Саломатов В.В.Дорлопов A.A. Исследование динамики нагрева стальных изделий.// Изв.ТПИ,Томск, 1967,т.150,- с. 125 - 133.

44.Саломатов В.В.,Торлопов A.A. Прогрев металлических тел при одновременном воздействии радиации и конвекции с учётом переменности теплофизических характеристик.// Изв.ТПИ,Томск, 1967,т.150, с.117 - 124.

45.Алексеенко С.В.,Бурдуков А.П.,Накоряков В.Е. Саломатов В.В.Теплофизические аспекты создания экологически чистой электростанции.// Доклад в Президиум АН СССР, ИТ СО РАН Новосибирск, 1988,- 72 с.

46. Разработка системы оптимизации горения для котла на газовом топливе.// Алексе-енко C.B., Бурдуков А.П., Саломатов В.В. и др. Докл. Межд. семинара "Новая техника и технологии в теплоэнергетике", Новосибирск - Гусиноозёрск, 1995, с 64-68.

47.Саломатов В.В.,Гончаров Э.И. Температурное поле неограниченной пластины при

значениях коэффициента теплообмена и температуры внешней среды.//Инж.-----:,!"58,No 4, т.14,с.743-745.

■tv.iJajiuMaivB В.В. К расчёту теплопроводности при нестационарном коэффициенте теплообмена.// Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт,1968, No 6, с.156-159.

49.Садоматов В.В. Гончаров Э.И. Исследование переноса тепла в твёрдых телах при переменном коэффициенте теплообмена.// Изв. АН СССР,Энергетика и транспорт, 1968, No 4,с.144-147.

оО.Саломатов В.В..Горбунов А.Л. Приближённый метод расчёта температурного поля в растущем кристалле с учётом теплоизучения.// Изв.ВУЗов, Физика,1971,No 2, с. 89 - 95.

51.Саломатов В.В. Высокотемпературный разогрев элементов конструкций с пассивным теплозащитным покрытием.// Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт,1970, No 3,с.165 -170.

52. Саломатов В.В. Температурное поле в кристалле при нагреве радиацией.// Изв.ВУЗов, Физика, 1965,No 5, с. 86 - 89.

53. Саломатов В.В.Скорость роста кристалла, рассеивающего теплоту кристаллизации излучением.// Изв.ВУЗов,Физика,1966, No 1, с.60-62.

54.СаломатовВ.В., Горбунов А.Д. Авализ температурного режима монокристалла конечной протяжённости, рассеювающего теплоту кристаллизации по закону конвекции .// Изв. ВУЗов, Физика,1971, No 8,с.41 -46.

55.Саломатов В.В., Горбунов А.Л. Высокотемпературный разогрев элементов конструкций с активным теплозащитным покрытием.// Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1972. No 1, с.160-168.

56.Саломатов В.В.,Пузырёв Е.М. Влияние теплового излучения на ламинарный пограничный слой непоглащающей жидкости.// Инж.- физ. журнал, ]97J,No 6,т.20.с. 1008-1014.

57.Саломатов В.В., Пузырёв Е.М. Течение Кучтта с учётом переноса излучения. // Сб. Теплообмен и теплофизические свойства веществ, Томск, Изд. ТГУ, 1971, с.43-51.

58.Саломатов В.В., Пузырёв Е.М. Нестационарная ламинарная конвекция на излучающей поверхности.//Теплофиз.выс. темп.,1972, No 1, с. 106 - 112.

59.Саломатов В.В., Пузырёв Е.М. Нестационарный теплообмен при ламинарном течении жидкости в излучающих трубах и каналах с тонкими стенками // Сб.Тепломассоперенос в телах и системах при различных граничных условиях,

Омск. 1972, вып.З, с.72-77.

60.Саломатов В.В..Пузырёв Е.М. Нестационарная ламинарная конвекция на излучающей пластине.// Изв. ТПИ,Томск, 1976,т.254, с. 128 - 136.

61.Саломатов В.В., Пузырёв Е.М. Нестационарная естественная конвекция на излучающей поверхности.// Сб.Современые проблемы тепловой гравитационной конвекции,Наука и техника,Минск, 1974,с.124-130.

6'2.Пузырёв Е.М., Саломатов В.В. Закономерности нестационарного теплобмена при лучистом нагреве ламинарного потока жидкости в длинных каналах. //Теплоф. выс. темп. 1974, No 4, с.769 -774.

63. Salomatov V.V., Puzyrev Ye.M. Heat transfer in laminar flow of liguids in radiabing channels// Heat Transfer, SR, Amer.Soc.Mech.Eng. 1974,v.6,No .4,p.128-134

64.Саломатов B.B.,Пузырёв Е.М. Экспериментальное исследование ламинарной конвекции на теплоизлучающих поверхностях.//Теплоф.выс.темп. 1975,No 3, с.674 - 677.

65.СаломатовВ.В.,Пузырёв Е.М. Теплоизлучаюший канал с ламинарным течением теплоносителя.// Изв.ТПИ, Томск,1974,т.252, с. 12 - 16.

66.Саломатов В.В.,Пузырёв Б.М. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в те-плоизлучающих каналах.// Изв.АН СССР, Энергетика и транспорт, 1973, No 4,с.152-158.

67.Саломатов В.В.,Кузьмин А.В.,Горбунов А.Д. Динамика испарения плёнок на твёрдой поверхности.// Изв.ВУЗов.Физика,Ыо 11 (Деп. в ВИНИТИ No 1552-74, 1974, - 19 е.).

68.Пузырёв Б.М..Кузьмин А.В.,Горбунов А.Д., Саломатов В.В. Гидродинамические и теплофизические аспекты теории микрослоя.// Док. V Межд. конф. по тепломассообмену,Минск, 1974,с.27-38.

69.Rycbkov A.D., Salomatov V.V., Grehov V.A. Numerical Simulation of aerodynamic processes in furnaces with a CFB winh account of solid fuel particles burning. J. Thermophysics and Aeromechanics, vol.l, No 3, 1994, p. 237 - 241.

70. Кузьмин A.B.,Прохоров И.A.,Саломатов В.В. Аналитическое определение температуры стенки и динамики испарения жидкой плёнки на поверхности твёрдого тела.// Мат-лы 4 науч. конф.по мат-ке и механике, Томск,1974,с.71-72.

71. Кузьмин А.В., Горбунов А.Д.,Саломатов В.В. Испарение плёнки жидкости с малой теплоёмкостью на поверхности твёрдого тела. Изв.ВУЗов, Физика, 1974,No 11. (Деп.в ВИНИТИ No 2066-74, - 20 е.).

72.Пузырёв Е.М..Горбунов А.Д.,Кузьмин А.В., Саломатов В.В. Теория образования и испарения микрослоя.// Мат-лы У Всес. конф.по тепло-и массопереносу, Минск,1976,т.З, с. 82 - 86.

73.Саломатов В.В.,Горбунов А. Д.,Кузьмин А.В. Приложение метода теплового квазистационарного приближения к задаче испарения микрослоя.// Изв. ТПИ,Томск, 1976,т.254, с. 137 - 144.

74.Пузырёв Е.М.,Кузьмин А.В.,Саломатов В.В. Гидродинамические и теплофизические аспекты микрослоевой модели кипения.// Докл.У Всесоюз. конф.по теплообмену двухфазных потоков,Л., 1974,с.27-28.

75.Кузьмин А.В.,Саломатов В.В., Пузырёв Е.И. Некоторые результаты теории микро-слоя.//Тепл.выс.темп.,1978^о 5,с.Ю86 -1092.

76.Пузырёв Е.М.,Кузьмин А.В.,Саломатов В.В. О форме пузырьков при кипении.// Сб.Теплообмен и гидродинамика при кипении и конденсации,Новосибирск, 1979,с.17- 21.

77.Кузьмин А.В., Саломатов В.В., Мухибулина Т.И. Динамика роста поверхностных пузырьков с учётом тецлофизическиз свойств нагревателя.// Инж.-физ.журнал, 1979, No 4, с.614-619.

78.Salomatov V.V., Puzyrev Ye.M., Kuzmin A.V. The shapes of bubbles during boiling// Heat Transfer, SR, Amer.Soc.Mech.Eng. 1980,v.l2,No 2,p.ll-15.

79.Salomatov V.V., Puzyrev Ye.M., Kuzmin A.V. Theory of the formation and evaporation of the microlayer// Heat Transfer, SR,. Amer.Soc.Mech.Eng. 1976,v.8,No 4,p.47-51

80.Саломатов В.В.,Раков Ю.Я. Влияние теплоотвода по термопроводам на погрешность измерения температуры поверхности.// Сб."Сост.и перспект.разв.средств измерения температур," Львов,1984, с. 196 - 198.

81.Саломатов В.В.,Горбунов А.Д., Раков Ю.Я. Комплексный метод определения тепло-физических свойств твёрдых тел при высоких температурах.// Сб.Теплофизические свойства твёрдых веществ, Наука,М., 1976, с. 59 - 63.

82.Саломатов В.В. Методологические аспекты создания современной энергетической технологии.// Сб.Методолог.пробл.создания новой техн.и технол. Наука„Новосибирск, 1990,с.64-72.

83.Саломатов В.В.,Стропус В.В. Сжигание низкосортного топлива в циркулирующем кипящем слое как современная технология экологически чистых ТЭС. //Сб. докл. Междунар.

п. прак. конф., "ЭкобиоЭН", Сочи, 1990, с.7-9.

84.Саломатов В.В. Методологические и социоэкологические аспекты создания современной энерготехники.//Там же,с.21-22.

85. Саломатов В.В.,Давыдов С.Ф.,Семёнова Г.П., Цветков П.В. Изотермическое моделирование аэродинамики парогенератора с вихревой топкой 11КТИ.// Сб.тезисов докл II Всесоюз.конф. "Теплообмен в парогенераторах",Новосибирск, 1990,с.79-82.

86. Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Голованов II.В., Саломатов В.В. Способ сжигания топлива в вихревом кипящем слое. Авт .свидетельство No 1888287, 1992.

87. Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Голованов Н.В., Саломатов В.В. Вихревая топка. Полож. решение к заявке No 4882871, 1992, приоритетом от 19.11.90.

88. Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Голованов Н.В., Саломатов В.В. Комбинированный пылеуловитель. Авт.свидетельство No 1835671, 1993.

89-Попов А.А., Бурдуков А.П., Саломатов В.В. Результаты моделирования и испытаний котла с вихревой топкой 11КТИ для обоснования режимов с улучшенными экологическими характеристиками.// Тез.докл.Всес. науч.техн.сов. "Перспективы науч.техн.прогресса энергет. оборудования", С-Петербург.1991, с.21-27.

90.Саломатов В.В. Энергетика: экология, безопасность. // Тез. докл. Всерос. науч. конф. "Современные проблемы охраны окружающей среды", Новосибирск, 1991, ч.П, с. 365 - 368.

91.Бурдуков А.П., Саломатов В.В., Семёнов В.И., Томилов В.Г. Вихревая топка как вариант реконструкции котлов с ЖШУ с целью их экологизации.// Докл. Между нар. семинара "Новая техника и технологии в теплоэнергетике", Новосибирск - Гусиноозёрск, 1995, с 21-27.

92.Саломатов В.В., Навроцкий А.Д., Давыдов С.Ф. Численное моделирование аэродинамики и лучистого теплообмена в малогабаритных парогенераторах. // Тез. докл. 11 Всесоюз. конф. "Теплообмен в парогенераторах", Новосибирск, 1990, с.27-31.

93.Bubenchikov A.M., Stropus V.V., Salomatov V.V. Numerical investigation of the aerodynamics in CFB installations// R.J.Engineering Thermophysics, 1993,v.3.No 3,p.257-261

94.Саломатов В.В.. Попов А.А., Навроцкий А.Д., Соколов Ю.А. Моделирование аэродинамики и лучистого теплообмена при модернизации котлов БКЭ-320 на основе вихревой камеры ШСТИ.// Сб.Физико-техн. и экологические проблемы теплоэнергетики", Новосибирск,1993, с. 44 - 55.

95.Саломатов В.В., Навроцкий А.Д. Моделирование топочных процессов при модернизации котлов.// Сб.Теплофизические проблемы энергетических и природоохранных систем, Новосибирск, 1993,с.3-8

96.Саломатов В.В., Кузнецов В.А. Методологические и социально-технологические основы экологической безопаспости в эпгрггтике.// Сб.изб.докладов. Всерос.семинара "Ио-осферные взаимодействия и ядерная безопасность",Томск 1993,43-54.

97.Саломатов В.В., Рьгчков А.А., Грехов В.А. Численное моделирование процессов розжига и горепия в котлах с ПКС .// Докл.II симпоз. "Проблемы катализа в углехимии". Красноярск, 1994,с. 10-17.

98. Красипский Д.В., Рычков А.Д., Саломатов В.В. Численное моделирование аэродинамики котельного агрегата с вихревой топкой.//Тез. док. "Математические проблемы экологии", Новосибирск, 1994,с.125-126.

99. Саломатов В.В., Рычков А.Д. Численное моделирование физико-химических процессов в котлах с ПКС.//Тез.докл. Всерос. конф." Математические проблемы экологии",Новосибирск, Наука,1994, с.123 - 124.

100. Бурдуков А.П., Томилов В.Г., Саломатов В.В. Результаты моделирования и испытания парогенератора с вихревой топкой 11КТИ с целью улучшения экологических показателей.// Тр.региональн. семинара" Новые технологии и научные разработки в энергетике" Новосибирск,вып.1,1994, с. 10 -14.

101.Рычков А.Д., Саломатов В.В., Грехов В.А. Численное моделирование аэродинамических процессов в котлах ИКС с учётом горения частиц твёрдого топлива. Журнал "Теплофизика и аэромеханика", t.1,No 3, 1994,с.219-223.

102.Саломатов В.В. Котёл с циркулирующим кипящим слоем.Полож. решение к заявке No 94030134, 1994, приоритетом от 15.08.94.

ЮЗ.Кейно A.B., Саломатов В.В. Исследование аэродинамики турбулентного потока в вихревой топке 11КТИ.// Тез.докл." Новые технологии и научные разработки в энергетике." вьш.2,1994, Новосибирск, с. 14 -16.

104. Саломатов В.В., Цветков П.В., Давыдов С.Ф., Навроцкий А.Д. Моделирование аэродинамики и лучистого теплообмена в парогенераторах с вихревой топкой. //Сибирский физ.-т'ехн. журнал, No 5, 1991, с.106-110.

105.A.V.Keyno, D.V.Krasinsky, A.D.Richkov, V.V.Salomatov. Experimental modelling and numerical simulation of Vortex Furance Aerodinamics Processes // R.J.Engineering Thermo-physics, 1995, v.5, n 4, pl2-20.

106 Красинский Д.В., Рычков А.Д., Саломатов В.В. Математическое моделирование трехмерного турбулентного течения в вихревой топке парогенератора. Сб. научн. трудов "Вычислительные технологии", под ред. акад. РАН Шокина Ю.И., т 4, No 12, Новосибирск, 1995, с. 189 - 198.

Q6

Q4

Ç2L

t

// <Г

А У

г - Qntim расчет

24 02 мин

из углеро-

Рис. 1.1 Прогрев цилиндра______

диетой стали (0.4% С) диаметром 100 мм : 1 - поверхность, 2 - центр

/Ж Тв

У / / / /

m я* юс J» JM у У {"А / У ✓

у / **

г

/ »у * ♦

г, '

Рис. 1.2 Сравнение расчётных данных по температурам поверхности Т„ и центра Т^ слитка с экспериментальными результатами: • -

расчёт по численной схеме; -- расчёт по

формулам настоящей работы; + - экспериментальные данные Ю.А. Самойловича

в

Рис. 1.3 Температурное поле слитка и из- вания экспериментального слитка; 1 -

ложницы при затвердевании без разгер- эксперимент Тагеева-Гуляева, 2, 3, 4.-

метизации; — расчёт по формулам насто- расчетные данные автора ящей работы, остальное - эксперимент

/1 / /

¿ко

Л

/

А

/Soi^S.

/

Рис. 1.5 Зависимость времени нагрева полностью затвердевшего слитка в ячейке от момента разгерметизации и времени охлаждения на воздухе

700 аоо г„,с

Рис. 1.6 Зависимость времени нагрева слитка от температуры посада

\ V

ттаволо рсгпаие -— цввиъ* nraecua втЭСМК_ \ /

жчет» V

Тш1

Рис. 1.8 Зависимость времени нагрева слитка кипящей стали от температуры посада

Рис. 1.7 Зависимость времени нагрева неполностью затвердевшего слитка от момента разгерметизации и времени охлаждения на воздухе

и»-

, И

---тех5 реп ологвчес* амевт ЗС Ж чЧ

'■' 1 Дая гые расче~ 1 V

ч

Рис. 1.9 Зависимость времени нагрева слитка спокойной стали от температуры посада

К» »'/с

Рис.1.10 Оптимальный режим нагревательной ячейки (слитки спокойной стали): 1 - температура печи, 2 - температура поверхности, 3 - температура среднемассовая, 4 - температура центра, 5 - расход коксодоменного газа

поверхности, 3 - температура центра

Рис. 2.1 Конвективный теплообмен на тепло-излучающей поверхности, омываемой потоком "прозрачной" жидкости

Мимшл^яипшш

111111«(11Ш11ь№*К?<ШИ11Ш

ИНШСШЗЪтаКкЯИНН 1111НН11№аШШ1ЖМ111 111ШИ1Ш1ШШШШ 111ШМ11ШЯ111|Ш!11№№

Рис. 2.2 Изменение конвективной теплоотдачи с течением времени в условиях вынужденного обтекания поверхности

и т

и V и

е «

«

<1

г

II

I шин I нии хшнхтаюгм'гш

хг-13 *зиш'гг.инж'1ц?м~гч1Ч1

Рис. 2.3 Изменение конвективной теплоотдачи по длине пластины в условиях вынужденного обтекания

Рис. 2.4 К постановке задачи о радиационно- конвективном теплообмене на вертикальной поверхности в условиях естественной конвекции

Рис. 2.5 Распределение поверхностной тем пературы по длине пластины

■МУ/

? »T s ^

В-&.

Ш7щт77Г/

Оцдяашщп чА Ö*A

Рис. 2.6 К постановке задачи о радиаци-онно-конвективном теплообмене в канале

И I

Рис. 2.7 Влияние излучения на закономерности конвективного теплообмена, а - данные Чена

iem-i)/<'i/S-l)

Рис. 2.8 Схема экспериментальной установки для исследования теплообмена в условиях вынужденной конвекции: 1 - аэродинамическая труба, 2 - нагреватель, 3 - микроманометр, 4 - пневмометрическая трубка, 5 - рабочий участок, 6 -автотрансформатор, 7 - вольтамперметр, 8 - термопары, 9 - потенциометр, 10 - усилитель, 11 - термометр сопротивления, 12 - электронный мост, 13 - осциллограф, 14 - датчик электротермоанемометра, 15 - электротермоанемометр, 16 -вентилятор

г з ч в ! ю'1 1,5 г

Рис. 2.9 Сравнение теоретических и экспериментальных данных по распределению температуры поверхности в условиях вынужденной конвекции /3 = 8 и /0 = 3: кривые - теория, точки - эксперимент

ff,«

0,31

ff,3S w

ч s i W

i « Sk/VRi,

Рис. 2.10 Числа Нуссельта при естественной конвекции ß = 2.8: 1 - теория; 2 - данные эксперимента; 3 - опытные данные A.C. Ненишева

е в

л е

Рис. 2.11 Числа Нуссельта при вынужденной конвекции Р = 8 и Р = 3: кривые - теория, точки -эксперимент

область

потенциального течения

-

лофочммГ от

///^//////'/¿/¿/////////

Рис. 3.1 Схема образования микрослоя

числа Якоба

Рис. 3.3 Изменение теплового потока на границе микрослой-стенка:--расчет по полученным формулам; • • • - данные Хейла и Эндер-сона

Рис. 3.4 Схема испарения микрослоя

Рис. 3.5 Зависимость константы Скорости роста от числа Якоба. Заштрихованная область - экспериментальные данные В.В.Ягова, 1-4 -расчет по полученным формулам

Ри4.4.2 Технологическая схема эиерго-

Рис.4.1 Технологическая схема энергоблока ТЭС 6лйка Т„ЭС с ви*Ревой Т°1Ш0Й и ?УчевоЙ : вихревой, топкой -и лучевой очисткой дымовых ^сткой Дымовых газов мокрым спосо-

-азов. "сухим"- способом

Лцаашми

аоцш*

щи

Схлод

Добавки I 4мм

Тм»Ф*/>

I

Шшавчш»

И""*."!" ' | Злфкт^ри* *

чф^ "^ф^ ^ф?" ^ф?"

\Гктатсл>\ [ Питать» ] \Япаяы,\ )Ляич[ ¡Лттщ^

Рис. 4.3 Технологическая схема утилизации золошлаковых отходов

Рис. 4.4 Схема очистки дымовых газов с радиационной нейтрализацией окислов азота и сер

Ожла

___ _|_

З^У /Ъте очцЛ/дт' ТЙпр и с

Саго,, мм»)»,

2555?

окис/

¿и—

1 ' г

- очод.

~1-

Рис. 4.5 Схема рйдиационно-химического обезвреживав - с; применен 'Ч скруббера и золы как нейтрализатора

Рис. 4.6 Принципиальная схема установки для получения обессоленной воды: 1 -скруббер, 2 - многоступенчатый испаритель мгновенного вскипания, 3 - узел подготовки исходной воды

Рис.4.7 Стеяд для исследования гидродина- . мики потоков в модели вихревой топки: 1 -источник питания постоянного тока; 2 - дви-. гатель постоянного тока; 3 - муфта сцепления; 4 - насос; 5,6,7,8 - вентили; 9 - бак для электродата; 10 - система охлаждения; 11 - нагреватель; 12 - регулятор температуры; 14 -- расходомерная шайба; 15 - и-образный манометр; 16 - манометр; 17 -1 модель; 18 - датчик; 19 - тарировочное сопло; 20 - ПЭВМ; 21 - лазер; 22 -видеокамера; 23 - многоступенчатый подвод. ,

мики и теплообмена в воздушной модели вихревой топки: 1 - модель; 2 - ресивер; 3 - расходомер; 4 - 1Г-образйлй манометр; 5,7,9 - вентили; 6 - редуктор; 8 .- электронагреватель; 10 - датчик термоанемометра; И - термоанемометр; 12 - ПЭВМ; 13 - тепловизор; 14 - многоступенчатый . подвод. •

« Цд«50 т/с «,£ 2/5-0.212

? г"»0.269

0.3430«.

' ЛЛЛМ г.т^м*)

« и,-» т/с

Г 21/0-0.212 > 1*«05

Н. шин*.

Рис 4 9 Распределение осредненных и пульсационвых составляющих тангенциальной компоненты скорости в вихревой камере воздушной модели для сечении г* = 0.269 (сечение горелки) и г" = 0.5 (сечение между горелками), число

Яе = 5 • 105

0.0 -1-

(в)

I у 0.0 О.Ь 1.и у О. и и.Э 2

Рис. 4.10 Результаты математического моделирования гидродинамики вихревой топки котла ТПЕ-427: поле скоростей в вихревой топке при числе Яе = 5 • 105. (а) - сечение ХОУ по центру горелки, г = 0.293; (б) - сечение ХОУ между горелками, г = 0.550; (в) - сечение гОУ, х = 0.388

тов физического и вычислительного экспериментов для воздушной модели котла ТПЕ-427: распределение кинетической энергии турбулентности в вихревой камере (вдоль линии у = 0.605 в сечении горелки), число Яе = 5 ■ 10s

Рис. 4.12 Распределение суммарного и лучистого тепловых потоков по высоте правого бокового экрана (березовский уголь), 0=410 т/ч. 1 - <?£, 2 - длуч, А - измерения

---1 U.6,1- J-2LÜ2 -1Ъзй- 1 i. /|1б2S;N

127 1 | ¡I^/IKO] i62j[

I u67 ¡1460) 157^592 fl6lj(

-г-.-г,- r1----t<m;

№3

1134 j 1 168 i 1295

Рис. 4.13 Распределение температур в вихревой топке

500 500 100

-л

V

*

*о ц /л ¡2.4 гл глг ю

Рис. 4.14 Содержание оксидов азота в уходящих газах котла ТПЕ-427 Новосибирской ТЭЦ-3 при сжигании КАУ

Таблица 4-1

Перечень показателей экологически чистой ТЭС на КАУ

Показатель

Улектрическая мощность установки, МИт проектная единичная

Характеристики основного тепломеханического оборудования:

Парогенератор:

паропроизводительность, т/ч давление пара, кг/см2 температура пара, °С Турбоустановка К-800-240-5: мощность, МВт давление пара, кг/см2 температура пара,°С

температура промежуточного перегрева, °С Генератор:

мощность, МВт Использование отходов основной и природоохранной технологии:

Производство минеральных удобрений, тыс.т/г, в том числе: азотных

известковых

Прибыль от реализации минеральных удобрений, тыс.руб/г,

в том числе: азотных

известковых

Производство строительных материалов, тыс.т. золы в год

Экологически чистая ГЭС

"сухой" "мокрый"

способ способ

6400 800

2650 250 545

800 240 540 540

800

Бетонные конструкции и детали, тыс.м^/г Силикатный кирпич, тыс.т/г Вяжущие материалы, тыс.т/г Цементная промышленность (золы), тыс.т/г

Дорожное строительство

Прибыль от реализации стройматериалов, тыс.руб/г Использование зол в сельском хозяйстве для производства сырцовых гранул, тыс.т/г Прибыль от использования зол, коп/(квт ч) Общая прибыль от реализации твердых отходов, тыс.руб/г

620 486

240 106

380 380

2890 2010

1940 1060

950 950

890 857

309 309

284 284

155 155

111 111

1124 1091

5600 5390

380 380

0.0023 0.0023

8496 7400

Ожидаемые (расчетные) технико-экономические показатели:

удельные капитальные вложения в сооружение ТЭС, руб/кВт

удельная численность промышленно - производственного персонала, чел/кВт

эксплуатационный КПД (нетто) электростанции,

%

среднегодовой удельный расход топлива, г/(кВт-ч) приведенные затраты на производство электроэнергии, коп/(кВт ч)_

200.»

П.34

38

323 0.85