автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Многофункциональные теплообменники как средства защиты окружающей среды и ресурсосбережения

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На прапах рукописи

Медиокритский Евгений Леонидович

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ КАК СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ

05.14.16 - "Технические средства защиты окружающей среды"

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1994

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Безопасность жизнедеятельности и химия" Ростовского-на-Дону института автоматизации и технологии машиностроения.

\

Официальный оппоненты;

- доктор технических наук,профессор

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технический наук, профессор

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

\

Ведущее предприятие- Всероссийский атоминиево-мвгниевый институт (АО ВАМИ)

Защита состоится " О " р1994 года в /6 ^ часов

на заседании специализированного Совета Д.063.38.09 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ

Ваш отзыв и замечания, заверенные гербовой печатью учреждена просим направить по адресу: 195251 С.-Петербург, ул.Политехническая, 29, СПбГГ/, Ученому секретарю Совета университета

Автореферат разоояан " О " ПКГ1П;о£р1994 г.

А.И.Альхгаленко

В.Г.Лисиенко

Л.М.Шапыгин

Ученый секретарь специализированного Совета, канд.техн.наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Задита окружающей среды и ресурсосбережение относится к наиболее важным проблемам современности.

Главными источниками загрязнения атмосферы являются выбросы промышленных предприятий, теплоэлектроцентралей, промышленных печей, двигателей внутреннего сгорания и др.

Практически уте нет качественной разницы в составе атмосферного воздуха сельских и промышленных регионов, имеется лишь количественная по содержанию загрязнителей. Поэтому актуальность работы, направленной на сокращение вредных выбросов в атмосферу, на защиту окружающей среды не вызывает сомнения.

Кратчайший путь снижения вредных выбросов, в первую очередь пыли, окислов азота, серы, углерода, связан с совершенствованием технологических процессов в промышленности, особенно в металлургии и машиностроении, в которых природный газ и мазут служат основными технологическими видами топлива.

В связи с этим весьма актуальной является защита атмосферы от вредных выбросов при сжигании углеводородного топлива, заключающаяся в определении и нахождении таких уровней подогрева компонентов горения, которые удовлетворяли бы одновременно требованиям экологии, экономии расходуемого топлива в технологическом агрегате, улучшения теплотехнологий и др. Это связано с созданием не только новых эффективных топливоиспольэующих установок, но и совершенного вспомогательного оборудования, без которого невозможно достичь высокие экологичэскив и технико-экономические показатели производства.

Тем более это касается такого вспомогательного оборудования, которое могло бы решать сразу несколько задач, выполнять несколько функций, направленных, в частности, на защиту окружающей среды, экономию топливно-энергетических ресурсов и т.п.

Поэтому теоретическое обоснование и разработка многофункциональных теплообменников, способствующих защите окружающей среды и экономии природного газа и мазута, как наиболее деффицитных видов топлива, являются весьма современными и необходимыми.

Таким образом,, многофункциональные теплообменники (МОТ) - это вспомогательное оборудование для одновременного решения нескольких задач, глазные из которых: - защита окружающей среди;

- экономия топливно-энергетических ресурсов;

- улучшение технико-экономических показателей технологического оборудования.

Печные рекуператоры - большая и характерная группа многофункциональных теплообменников.

Рекуперативный пояогрев компонентов горения, который необходимо рассматривать как один из основннх способов решения поставленных выше задач, несмотря на кажущуюся известность, несет в себе крупные резервы по защите окружающей, срепы и снижению расхода топлива при нагреве материалов (металла), а следовательно, возможности повышения экологической чистоты теплотехнологий, увеличения производительности технологического оборудования, коэффициентов полезного действия печных установок.

Особенно большое значение утилизация теплоты продуктов сгорания имеет для промышленных печей, температура в рабочем пространстве которых превышает 1000 °С. Достаточно отметить, что в таких печах (методических, кузнечных) теряется ££»¡-80?. теплоты продуктов сгорания. Это в несколько раз превышает теплоту, сообщаемую материалу (металлу) при нагреве.

Несмотря на решение ряда задач рекуперативного подогрева компонентов горения в топливосикгяяцих промышленных установках (разработаны основы теории теплового расчета рекуперативных систем, внедрены эффективные конструкции рекуператоров), многие теоретические, технические вопросы этой проблемы еще не исследованы. Так, практически отсутствуют: теоретические подходы к многофункциональным теплообменникам как к объектам, решающим одновременно несколько задач, что значительно обедняет развитие рассматриваемого типа оборудования; недостаточно разработаны и освещены экологические и экономические стороны проблемы, а такте математическое моделирование тепловой работы многофункциональных теплообменников. Не рассмотрены вопросы, связанные с теплоаэродинамическим регулированием основных параметров, влиянием локального и общего теплового излучения на работу рекуперативных систем. Недостаточно развиты основы классификации и выбора конструкций, типа многофункциональных рекуператоров, отсутствует методологический подход при анализе патентных исследований по многофункциональным теплообменникам.

Поэтому разработка и исследование перечисленных проблем актуальны.

Нчстоя'чее исследование выполнено в соответствии с решением ГКНТ (1981), Всесоюзной программой "Человек и окру^чшая срепа" (1983-1930), отраслевыми научно-техническими программами и планом НИР Ростовского-на-Дону института автоматизации и технологии машиностроения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание научного направления по прогнозированию и пас чету процессов защиты окружающей среды, разработка на этой основе многофункциональных теплообменников, обеспечивающих снижение расходов топлива в огнетехнтесккх установках, вредных газовых и пылевых выбросов в окружающую среду.

ИДЕЯ РАБОТЫ состоит в одновременном представлении многофункциональных теплообменников как средств зашиты окружающей среды и рационального использования топливно-энергетических ресурсов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВКЛШАЛИ: анализ и научное обобщение результатов исследований, математическое и физическое моделирование процессов, проиехопяиих в многофункциональных теплообменниках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ЭВМ, сопоставление полученных результатов с экспериментальными исследованиями, выполненными в лабораторных и промышленных условиях, а также с результатами, полученньтуи другими авторами.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов и рекомендаций обоснована выбором физических моделей, базирующихся на основах теории горения, теплопередачи, аэромеханики, теории подобия и подтверж-пека адекватностью теоретических положений, научных выводов с результатами экспериментальных исследований и работами других авторов, получением прогнозируемых результатов при внедрении в производство многофункциональных теплообменников.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в том, что:

- разработана новая концепция многофункциональных теплообменников (МФГ) как средств защиты окружающей среды и рационального использования топливно-энергетических ресурсов;

- построены математические модели для расчетов основных теплотехнических параметров многофункциональных теплообменников, оско-ванныэ на интервально-итерационном методе численного анализа;

- получены физико-математические модели процессов сжигания то-плипа ппч рекуперативном подогреве, компонентой горения;

- установлено влияние теплового излучения на эффективность тепловой работы MÎT;

- предложен способ теплоаэролинамического регулирования основ-!!Ых параметров МФГ;

- разработана методика по выбору и оценке МОТ с обоснованием обобщающего коэффициента надежности и выполнен ряд классификаций рекуперативных систем и их элементов;

- найдены экспериментальные зависимости, характеризующие выход вредных веществ в атмосферу (оксидов азота, серы, углероца и пыли) при подогреве компонентов горения в многофункциональных теплообменниках и дана технико-экономическая оценка применения МФГ как средств защиты окружающей среды, учитывающая ущерб, наносимый окружающей среде вредными выбросами при сжигании углеводородного топлива.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ работы заключается в следующем:

- результаты диссертационной работы позволяют определять эффеК' тивность известных и вновь разрабатываемых процессов и аппаратов многофункционального назначения, направленных на защиту окружавшей среди и экономив топливно-энергетических ресурсов;

- разработаны инженерные методики по расчету основных параметров многофункциональных теплообменников;

- реализован в промотанном исполнении комплекс различных типов МФГ, новизна которых подтверждена 25 авторскими свидетельствами на изобретения;

- осуществлэно широкое внедрение (на 23 машиностроительных и металлургических заводах) многофункциональных теплообменников как средств защиты окружающей среды и рационального использования топливно-энергетических ресурсов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.

Научные результаты диссертационной работы использованы в рамках договорных и тематических работ с промышленностью, а методики расчетов многофункциональных теплообменников при проведении научных исследований и проектировании в ряде проектных организаций (ВНИИМТ, Сибгипромез, НО ВНИПИ Теплопроект, Гипрокомбайнпром и др.) и предприятий.

Результаты исследований автора нашли отражение в :

- руководящем документе "Типовые конструкции рекуператоров и

:хемы их установки на нагревательных и термических печах" (НПО 'ВНШГМАПГ РД 51.9360,01-83);

- рекомендациях семнадцати научно-технических конференций и ¡еминаров;

- разработке на уровне машиностроительных чертежей конструкторской документации ВНПО С0ЮПР0МГАЗ для изготовления РЩР-800 и ТЦР-Г500;

- рекомендациях для широкого внедрения многофункциональных 'еплообменников на заводах ряда Министерств (Минчермет, Минсель-гозмаш, Минтя'маш и пр. У;

- каталоге выступлений новаторов и ученых (вып. №32, ВДНХ, 1979);

- разработках, экспонированных на ВДНХ и отмеченных 4 серебря-гыми ("Кузнечная камерная печь с радиационным рекуператором"-■1973г.; "Новые конструкции печных рекуператоров"-1977г.;"Комби-гированные теплообменники глубокой утилизации тепла"-1987г.; Промышленные печи с многофункциональными теплообменниками на за-юпе "Ростсельмага"-1988г.) и 2 бронзовыми ("Печные агрегаты с мно-■офункциональными рекуператорами завода"Трансмаш"-1978г.; "Новые ;узнечныэ нагревательные печи завода "Агоммаш" -1982г.) медалями.

Материалы диссертационной работы использованы кафедрами "Безо-[асность жизнедеятельности и химия", "Машины и технология обра-отки металлов давлением" РИАТМа в лекциях по охране окружающей репы и спецкурсах, а такче 2 учебных пособиях.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- новая концепция многофункциональных теплообменников как редств запиты окружающей среды и рационального использования опливно-ь>нергетических ресурсов;

- математические модели расчетов основных теплотехнических па-аметров многофункциональных теплообменников, основанные на ин-ервально-итерационном методе численного анализа;

- физико-математические модели процессов сжигания топлива при екуперативном подогреве воздуха;

- комплексный метод расчета основных характеристик многофунк-иональных теплообменников - температуры стенки, охлаждаемого и агреваемого теплоносителя в любом сечении МФГ, обезпечиваюиий п^тчпиът? расчет с помоимэ ЭВМ элементов рекуперативных систем с

выбором конструкционных материалов для каждого узла системы.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты^'исследований были доложены на I Международной и 16 Всесоюзных, республиканских и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах (Москва, Киев, С-Петербург, Днепропетровск, Екатеринбург; Ростов-на-Дону, Новокузнецк, Челябинск).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные научные и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 57 статьях, 25 авторских свидетельствах на изобретения и в двух учебных пособиях.

СТРУКТУРА И 0Б1ЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы из 350 наименований и трех приложений, содержит 265 страниц машинописного текста, 86 рисунков и 12 таблиц.

В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками Ростовского-на-Дону института автоматизации и технологии машиностроения.

Автору принадлежит постановка проблемы в целом, задач экспериментальных исследований, разработка методик проведения экспериментов, создание математически* моделей для определения основных параметров MST, обработка и анализ результатов, руководство и непосредственное участие во внедрении МОТ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ, ' СОСТОЯНИЕ И ПАТЕНТНАЯ ПРОРАБОТКА V.'.'; ' ТЕМЫ 1ЕСЛЕД03АНЛЯ

К настоящему времени все чаше стали отмечаться отрицательные последствия техногенного воздействия на отдельные экосистемы, на здоровье людей, на биосферу в целому ¿се более увеличивающийся дефицит некоторых природных ресурсов (нефти, газа) , оказывает дестабилизирующее длълние на экономическую ситуацию в мире. Становится ясным, что научное познание не успевает за ростом экологических цроблем и поэтому оптимизация технологии и техники с учетом экологических, и социально-экономическюс требований, - это,за-дача конца нынешнего столетия. Решение указанной задачи лежит в грамотном^ и тачном управлении любым процессом, происходящим в , технологическом оборудовании.

Учитывая тот факт, что промышленные печи, в первую очередь, металлургические - это технологическое оборудование «эксплуатация

которого зависит от сжигания топлива и оценки последствия, окапываю™* негативное влияние на округакгцую среду, в работе выполнен аналмя факторов, влияющих на управление процессом защиты атмосферы от ввдякнх выбросов при сжигании углеводородного топлива.

Отмечено, что нахождение оптимальной температуры подогрева волнуха пля промышленных печей в зависимости от различных факторов предпринималось многими авторами. Однако, вопросы связанные при птом с запитой окружающей среды - сокращением вредных газовых выбросов (окислов азота, углерода, серы), обычно не рассматривались.

Таким образом,при оптимизации подогрева компонентов горения в многофункциональных теплообменниках задача сводится к тому, чтобы определить уровень подогрева, удовлетворявший технологическим, экологическим и якономическим требованиям эксплуатации промышленного оборудования.

С ятой целью рассмотрен механизм образования наиболее токсичных окислов азота, образующихся в продуктах сгорания углеводородных топлив, по Б.Я.Зельдовичу.

Выполнив некоторые преобразования, запаваясь температурой по-догпепа воздуха и найдя приращение калориметрической температуры горения для газообразного углеводородного топлива (Aiы) < в первую очередь, природного газа, были получены следующие формулы для определения выхода окислов азота НО* в г/кг продуктов сгорания:

СА/д«]=5,7-а,з+йЬгл)и*?ехртм/г<л,чь»)), ц) пля температур 1500 ... 1900

¿Ж7*(2)

пля температур выше 1900 °К;

ЪхрммаМЯп, о)

при изменении начальной энтальпии стехиометрической метано-воз-пушной смеси за счет подогрева воздуха для диапазона температур 1900...3020 °К. Тд-у,, - калориметрическая температура горения топлива. ■ ..

При аппроксимации расчетных точек математтескимн зависимостями с использованием метода наименьших квадратов получены более простые уравнения при коэффициенте корреляции 0,99 и пля тех *е температур, в г/м3:

¿"Ж 7 -4 +й36Ю Ы Л? ■ г/л; (4)

С&ОЛ = (6)

где teк - температура подогретого воздуха °С.

Наибольший интерес представляет уравнение (6) - кривая 3,рис,1, т.к. делается попытка определить с высокой точностью выход окислов азота при сжигании природного газа и подогреве возпуха в рекуператорах промышленных печей в широком диапазоне температур.

Комплекс исследований по изучению изменения содержания окислов азота в продуктах сгорания природного газа в рабочем пространстве кузнечных нагревательных печей, до и после рекуператора, а также без рекуператора, позволил получить соответствующие зависимости, наиболее представительной из которых явилась кривая Ч на рис.1, описываеуая уравнением

£А0х2= {Ш'±б< МГ/*.* (?)

Было отмечено, что количество образующихся НОх в большей степени зависит от времени пребывания газов в зоне высоких температур и от температуры процесса и в меньшей степени - от коэффициента расхода воздуха и топлива, а также от температуры подогрева воздуха, что, в свою очередь, позволяет, заранее определяя температуру подогрева воздуха, управлять процессом защиты окружающей среды путем уменьшения количества вредных веществ, поступающих с продуктами сгорания в атмосферу.

Вопросами эффективности применения подогрева компонентов горения в металлургических и других промышленных печах занимались многие исследователи.

Исследуя в работе влияние подогрева компонентов горения на производительность печного агрегата, была получена формула

л/мбЬ) V /-Л1

, (8)

гле^ и ¿у- производительность печи с подогревом компонентов горения и без него; 9кл = - относительное приращение ка-

лориметрической температуры от подогрева компонентов горения; ■ 9мк = -р^---- - относительная температура наг ретого метал-

. гае $ - коэффициент, соответствующий тангенсу угла наклона пвямых на полученных в исследованиях графиках;

» Ткл^ - калориметрическая температура горения топ-липа бел подогрева воздуха, полученная обычным путем.

Графическое изображение относительной производительности печи (^Vfô) от температуры попогретого воздуха нвглялно иллюстрирует положительны" эффект, сопутствующий этому процессу.

Однако, основное преимущество от подогрева компонентов горения при сжигании углеводородного топлива, которое учитывается при анализе заботы печей, оснащенных теплоутилизируючгами системами - рекуператорами, регенераторами и т.п., заключаются в экономии расходуемого топлива. В реальных условиях экономия при рекуперативном подогпеве компонентов горения оказывается больше из-за улучшения процессов горения топлива, уменьшения содержания несгорев-шта составляющих топлива (химического недорога), повышения температуры в ядре факела.

3 исследованиях автора показано, как установка радиационных щелевых рекуператоров на камерных кузнечных печах в условиях куз-чечно-термического цеха Западно-Сибирского металлургического ком-Зината, отапливаемых коксовым газом, повлекла за собой не только сокращение расхода топлива на 37f, но и увеличение удельной проиэ-зоамтельности, улучшение технологии нагрева металла, коэффициента использования топлива, который" предлагается рассчитывать как

™ IfTxiO

■ne вог= Тот/уГкл - относительная температура отходящих газов ta рабочего пространства печи.

При организации мероприятий, реализация которых не связана с юполнительными затратами (поддержание заданных коэффициента рас-;ода воздуха и разряжения в дымовом тракте, исключение или уменьшите времени горячих простоев, ликвидация утечек воздуха и проектов сгорания, а также подсосов атмосферного воздуха в течь, охранение от разрушений теплоизоляции, соблюдение режимных карт ксплуатации печей), подогрев компонентов горения (установка мно-офункциональных теплообменников) является основным и главным ме-огриятием по сокращению вредных выбросов в атмосферу; экономии оплива; увеличению КПД, ТкиГ* улучшению технологических факторов.

Исходя из условий зациты окружающей среды, рационального использования углеводородного топлива, технологических и технических возможностей промышленных печей, целесообразно ввести классификацию уровней подогрева компонентов горения: низший до 200°С, умеренный 200 - 5С0°С (наиболее предпочтительный), высокий -более 500°С.

Проведенные патентные исследования за последние 20 лет в области многофункциональных теплообменников - печных рекуператоров, воздухоподогревателей-выявшш следующие тенденции:

- до топливно-энергетического кризиса, разработка новых конструкций как бы "затухала",в последующие годы количество патентов в этой области возросло;

- в нааей стране после принятия законодательных мер, направленных на экономное расходование ТЗР, с конца 70-х годов наблюдалось резкое увеличение количества изобретений з области рекуператоров и в меньшей степени - воздухоподогревателей для ТЭЦ. Обработка полученных количественных данных по изобретениям в СССР методами математической статистики дает основание делать прогнозы о тенденциях развития в области многофункциональных теплообменников. Было введено понятие "дерево изобретений", отражающее

, причинноследственную связь между базисными изобретениями и последующими цепочками изобретений. Такой методологический прием помогает расширить область возможных новшеств и "ноу-хау" и облегчить создание новых типов конструкций. Предложен общий порядок проведения анализа патентной информации для научно-технического прогнозирования развития рекуперативных систем.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ' ШОГОШЯЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОЗ

. Управление процессом очистки атмосферы от вредных выбросов при сжигании углеводородных топлкв в промышленных (металлургических) печах будет заключаться в установлении таких температурных уровней подогреваемых компонентов горения - воздуха, природного газа, мазута, которые удовлетворяли бы одновременно нескольким требованиям: максимально возмонмому снижению выбросов вредных веществ. - окислов азота, серы, углерода, а также пыли в окружающую среду; не нарушали протекание технологических процессов или тепло-техкологий; способствовали сокращении расхода топлива (экономии топливно-энергетических ресурсов); уменьшали тепловое загрязнение ■ атмосферы-

Для изучения и математического моделирования тепловой работы многофункциональных теплообменников применен интервально-ите-рационный метод численного анализа. Были выполнены многоаариант-ные расчеты по определению основных параметров тепловой работы М5Т - температуш воздуха, дымовых газов, стенки. Каждая такая функция рассматривалась как функция одной переменной - положения точки по высоте теплообменника (рекуператора) X - расстояние точки от основания теплообменника. Если использовать уравнения теплового баланса для каждого из теплоносителей, то получится система дифференциальных или интегро-дифференциальных уравнений с дополнительными начальными или краевыми условиями, т.е. получается задача Коши или краевая задача для соответствующей системы обыкновенных дифференциальных или интегро-дифференциальных уравнений. Такие задачи поддаются решениям при помощи стандартных методов' Эйлера, Рунге-Куття и др.

Представителем МОТ принята широко распространенная конструкция радиационных рекуператоров - рекуператор Эшера (радиационный щелевой цилиндрический рекуператор одностороннего обогрева с прямоточным движением продуктов сгорания и воздуха). Такой рекуператор был исследован на лабораторном огневом стенде и промышленных кузнечных печах. Полученные экспериментальные данные послужили основой для отладки и совершенствования имитационной модели. Разработка этих моделей проходила последовательно - от простого к сложному с учетом теплофиэических особенностей теплопередачи в рекуператорах.

Из условия теплового баланса для воздуха получили:

(Хг-С/'Яа ;

- уравнение изменения температуры воздуха по высоте рекуператора X, где Тв, Тст - температура воздуха и стенки; - скорость

и теплоемкость воздуха; Хв=273/Тз - коэффициент пересчета внут-эеннея теплоемкости воздуха; внутренний диаметр и толщина зтенки цилиндга;£ - внутренний диамэтр внешнего цилиндра.

Из условия теплового баланса для кольцевого слоя стенки:

у

Из условия теплового баланса для цилиндрического слоя газа:

в

где Тг, Тц - температуры продуктов сгорания, дорекуператорного пространства;

'Ог - скорость течения продуктов сгорания;

Ср - теплоемкость продуктов сгорания;

£е £г~ степень черноты стенки, продуктов сгорания;

~ эффективная степень черноты стенки; ¿Сг = 273/7г - коэффициент пересчета теплоемкости продуктов сгорания; - коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, продуктов сгорания .

В вышеиспользованных уравнениях величины Тв, Тст, Тг являются функциями переменного X, т.е. Тв=Тв(Х); Тст=Тст(Х); Тг=Тг(Х). Эти функции и являются неизвестными, подлежащими определению при решении задачи теплообмена.

Используя уравнения (10),(II),(12) можно получить различные .математические модели теплообмена в радиационном щелевом цилиндрическом рекуператоре (РЩР). Наиболее адекватной математической моделью РЩР с двусторонним обогревом и двойной циркуляцией воздуха, как основным элементом МЭТ, является модель, учитывающая все основные тепловые потоки в рекуператоре:

-ЪУЪ , (13)

** (ЯУ^)Ъ-Сзг '

5й +'>& 'Со К

^=Гг' ъ, -с.*, *

X Г/Т.П,уЧ] (16)

^'-¿¿^¿^[ЯбТгг Твг +

^='ЬвЯ+Ля'Л*71

Решение систем уравнения (10) - (19) с начальными условиями:

Й - Тв1; (О)=• ££ -для прямотока,

Г'>Ю)*Тв*; Тзг/фт£; Г„/0;*Г?г ~ правого-

ка считается правильным, если выполняются три (правила) равенства:

(17)

(18)

4-/К.С7). МФТ

Рис.1 Рис.2

В противном случае переяэчаются значения

В вышеприведенных уравнениях:

/ 2 1?... " ~ порядковый номер теплообменных поверхностей; Т\ь> Тр Тза Токр ~ температура стенок до- и зарекуператорно-

' ' го пространства и окружающей среды;

Со - степень черноты абсолютно черного тела;

приведенная степень черноты системы; Л-илд Лкл- коэффициент теплопроводности изоляции, кладки; М - высота теплообменнргка;

Д -расстояние от края теплообменника до крышки футеровки; у^КА' ЦЗА ~ обозначения стенки, кладки, изоляции.

ШАЛИЗ РЕКУПЕРАТИВНЫХ СИСТЕМ

Рекуперативная система как подсистема печной установки мо^ет быть ппепстаалена рекуператором, системами подвода и отвода воздуха, а ттк^е гготуктов сгорчния. Анализ функций и элементов рекуперативное системы показал наличие ме^яу ними тесных функциональных связей - внеягних и внутренних, позволивших составить пе-гоч-тнь из 12 характеристик.

Физико-техническим исследованиям, проектированию и расчетам конструкций, режимам работы и эксплуатации рекуперативных систем поевошены работы И.С.Назарова, Б.П.Тебенькова, И.М.Рафалови-чч, З.А.Криванпина, Ю.И.Розенгарцта, В.Г.Лисиенко, А.Е.Еринова, Е.З.Крейнина, В.Н.Губинского, В.Д.Сезоненко, Е.С.Раменской, В.И.Ми-невичч, И.Т.Иванова, Г.Д.Рабиновича, А.А.Щукина, И.М.Лемлеха, . Г.К.Маликова, В.Хейлигенштедта, Я.йаргута, И.Козела и др.

Разработан классификатор, в котором представлены главные технические направления развития рекуперативных систем.

Выполнена классификация печных рекуперативных систем и предложена методика выбора многофункциональных теплообменников на примере радиационных рекуператоров, перспективность которых заключается в том, что в их конструкциях сочетаются компромиссные решения, базирующиеся на интенсивной теплопередаче, простоте конструкции и приспособленности к условиям эксплуатации.

Разработана методика сравнения и оценки эффективности многофункциональных теплообменников, исходными условиями для которых являются: равная производительность, одинаковый характер теплопередачи и применение идентичных конструкционных материалов.

Обоснованы для МФГ два вида характеристик: -определяющие (исходные): расходы теплоносителей; температуры подогретого воздуха, продуктов сгорания, деталей конструкции; сопротивления по воздушному и дымовому трактам; поверхность нагрева; полезный объем; масса, габаритные размеры и т.д.; -определяемые (производные) параметры, описывающие эффективность процессов теплопередачи (энтальпия подогретого воздуха, коэффициенты теплопередачи, удельный теплосъем и пр.).

Предложен единый комплекс, оценивающий надежность рекуперативной системы,- температурный коэффициент (Кт), описывающий термические условия эксплуатации МФГ и состоящий из двух' коэффициентов: ^ = „ Кв-'Ьсг/йз,

гае tp.t¿)tcr - соответственно температуры дымовых газов, воздуха и стенки.

Меньшие значения коэффициентов Кд, Кв указывают на низкую температурную напряженность поверхности нагрева и на более длительный срок ее эксплуатации и дополнительно Кв - на эффективность ее работы, Объединив Кд и Кв соотношением

Аг - • (20)

можно сравнить любые конструкции, работающие в различных условиях: чем меньше величина температурного коэффициента Кт, тем выше стойкость рекуператора к воздействию высоких температур, тем г>ф-фектиэнее он работает и тем менее жаростойкие стали требуются для его изготовления.

Предложены и обоснованы понятия 'Эталонного рекуператора" и "эталонных характеристик", за которые приняты:

- минимальные величины - температурного коэффициента, поверхности нагрева, массы, содержания легированных сталей, объема, удельных сопротивлений на воздушном и дымовом трактах*,'

- максимальные величины - производительности и утилируемого тепла I мэнагретого воздуха.

На.практике реализация эталонного рекуператора маловероятна, однако сравнение любой конструкции с эталоном позволяет объективно судить о степени ее совершенства.

При разработке комплексного критерия эффективности многофункционального теплообменника - печного рекуператора - было принято, что катдый параметр по отношению к другому является равноценным, тогда выбор конструкции в большей степени оказывался зависимым от наилучшего показателя в пределах рассматриваемого ряда. В итоге комплексный критерий равен единице для эталонного и больше единицы для любого конкретного КОТ. Разработанная методика позволяет обоснованно оценивать и выбирать для эксплуатации имеющиеся- и вновь coздaвaevыe типы многофункциональных теплообменников, определять .преимущества одних конструкция перед другими по любым заданным технологическим показателям.

СОЗДАНИЕ НОВЫХ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЩИХ -КОНСТРУКЦИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Исследования, расчеты и разработки конвективных, радиационных и радиапионно-конвективных рекуператоров позволили создать

лучшую по технологическим, экологическим и экономическим показателям конструкцию рекугератороа многофункционального назначения -- радиационный щелевой циллинпрический рекуператор двустороннего обогпева и дпойной (тройной) циркуляции воздуха (РЩР и РЩРо), которая явилась главным элементов многофункциональных теплообменников типа рекуператоров-циклонов.

Разработанный метод теплоаэроаинамического регулирования температур стенок циллиндрических рекуператоров, включающий последовательное разрешение задач по поцвопу и отводу теплоносителей, организации и интенсификации движения воздуха и дымовых газов, конструированию по- и яарекуператорных пространств/ 36, 39/ нал возможность получать одинаковую скорость двитения теплоносителей в любом сечении каналов МФГ,. при этом угол конусности теплообменник поверхностей определяется го формуле:

Ъ^Шёт' «I)

гае Уь - объемный расхоп нагреваемого воздуха при нормальных усло-аиях, м3/с;.£- температурный коэффициент (1/273°); заданная

по проекту температура подогрева воздуха, °С; - наружный диаметр внутреннего цилиндра, м; £ - высота (длина), рекуператора, м; и?а - скорость воздуха в щели, м/с.

Наряду с этим разработан новый тип подводящего коллектора с воздухопоцогревятельным устройством/ 37/, позволяющий сократить расход легированных сталей, используемых при изготовлении рекуператоров, на 20...30? и обеспечивающий интенсивный отбор теплоты от поверхности нагрева.

, Исследован и определен положительный эффект интенсификации "внутреннего" теплообмена за счет струйного обдува поверхностей нагрева, защищенный авторскими свидетельствами на изобретения/40,46/

Получены обобщающие критериальные уравнения, описывающие "внутренний" теплообмен в радиационных щелевых рекуператорах:

лГи -о,о/6-/?еа'* (22)

для рекуператоров одностороннего обогрева;

Л(23) ■ для рекуператоров двустороннего обогрева; исключ'айпгле применение многочисленных коэффициентов Си в

уравнениях типа ^йсС-Дв"-Рт" (24)

Разработана классификация до- и зарекуператсрннх пространств.

го

позволившая уточнять расчеты, связанные с интенсификацией "внешнего" теплообмена в МФт.

Выявлены три випа характерных конфигураций яо- и зарекупера-торннх"пространств и рассмотрены возможные формулы для нахождения угловых коэффициентов излучения и даны рекомендации по их применению. Наилучшие результаты по определению углового коэффициента излучения достигаются при пользовании формулой Д.В.Вудрина, которую можно считать универсальной для заданных конфигураций до- и зарекуператорных пространств:

1&Н = ^-(/-£г), (25)

где - угловой коэффициент поверхностей металла Рм и кладки для того случая, когда эти поверхности разделены лучепроэ-рачной средой, £г - степень черноты дымовых газов.

Получены универсальные уравнения теплообмена наряду с математическим моделированием, с помощью которых возможно определить температуру стенки, воздуха и продуктов сгорания (с точностью - 1,7 в любой точке МФТ:

± _ Р,9£__ _ (26)

*тах ~ ехрС0.00772(-&)г+аз56(^)г] >

гдвт^- температура дымовых газов (стенки) \£так- максимальная температура дымовых газов, входящих в МФТ, Т - расстояние точки от оси цилиндра; - расстояние (высота) этой же точки от основания МФТ; 1а - внутренний радиус цилиндра, м.

Разработан способ нанесения защитных покрытий на поверхности нагрева рекуператора. Способ реализован при изготовлении промышленного РЩР.и является первой удачной попыткой в отечественном рекуператоростроении по замене остродефицитных никельсодерта-щих марок листовой стали на рядовые углеродистые (Ст 3) с защитными покрытиями.

Решена проблема компенсации температурных удлинений в цилиндрических рекуператорах аа' счет организации двустороннего обогрева и совмещенных коллекторов подвода и отвода воздуха, что позволило отказаться от громоздких и трудноиэготовимых линзовых и других типов компенсаторов.

Выполненные исследования позволили создать и внедрить на заводах машиностроения и металлургии новые типы многофункциональных теплообменников - РПУТ (рекуператоры глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания) /46,17,<18/, рекуператор-цшслон/ЗР,31,32/ и новые птшые установки - нагревательные и ваграночные печи /35,42/.

ЭКОНОМИКА ПОДОГРЕВА КОМПОНЕНТОВ ГОРЕНИЯ В МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ

От решения экономических вопросов, совершенствования подогрева компонентов горения углевопородного топлива зависит бережное отношение к расходованию невосполняемых запасов природного газа, нефти и т.п. Однако в действующем хозяйственном механизме еще не созданы условия, обеспечивающие заинтересованность предприятий в рациональном природопользовании, т.к. отсутствует учет экономического результата выполнения природоохранных мероприятий как для конкретного предприятия, так и для народного хозяйства в целом.

Заинтересовать предприятия в ресурсосбережении можно, лишь создав систему экономического стимулирования природоохранной деятельности, основанную на учете экономического ущерба, причиняемого вредными выбросами предприятий, при определении суммы прибыли, оставшейся в распоряжении трудового коллектива.

В исследованиях разработаны имитационные математико-экономичес-кие модели для МФГ, которые, используя формализованный подход к решению задачи по определению экономической эффективности, позволяют огеративно вносить коррективы по изменяющимся показателям себестоимости изготовления, экологической ситуации, ценам на топливо, материалам и т.д. В основу таких моделей положена методика определения годового экономического эффекта при внедрении новой техники (до и после внедрения МСТ - печной рекуперативной установки).

При определении экономических преимуществ новой конструкции МФГ использовалась формула:

' Э=Р, -Сг) -/С,)-- -¿Л) -<< 2 (27)

/г/ /г/

где С1,С2 - разница эксплуатационных затрат сравниваемых вариантов, руб; К1,К2 - капитальные вложения в рекуперативную установ-. ку базовую и новую, руб; Ен - нормативный„коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,15;/Л' - суть экономии от различных факторов в стоимостном выражетш, руб\J3l - сумма затрат, руб.

Сумма экономии определялась как: л

£ =Л.<- +Эг Эс , (28)

где Э о.с. - экономия от уменьшения ущерба окружающей среде;

Эг - экономия топлива (газа) от. подогрева компонентов горения; Эп - экономия за счет увеличения производительности печи; Эо-- экономия за счет .уменьшения угара металла; Ъс -с-ая экономия.

Сумма затрат подсчитыэалась как:

£ ¿6 -3* +3р + +31, (29)

где Зэ - затраты на электроэнергию на приводы вентиляторов и дымососа (если он имеется); Зр - затраты на текущий ремонт рекуператоров ; За - амортизационные отчисления от дополнительных капиталовложений ; 3*' -/-ые затраты.

Суммарные капитальные вложения в рекуперативную установку Кр.у. находились как :

Крм -К,-К- 2 ¿¿г^ //Гг<г, (зо)

где Нр - капитальные вложения Ы. -ый рекуператор; Кв - капитальные влогения в С -тьгЯ вентилятор и дымосос; Ки - затраты на изоляцию (футеровку), фундамент и прочие каменные работы; Км.к,- капиталовложения в металлоконструкции установки, включая кожухи, крышки и пр.; Км - стоимость монтака установки; Кт.с. - транспортные и заготовитэльно-складские расходы.

При расчете экономической эффективности от рекуперативного подогрева компонентов горения оценка качества рекуперативной установки производится путем ранжирования их по экономическому эффекту. При этом за исходное состояние принимается печь без рекуператора.

За исходные данные для определения экономической эффективности были приняты расчеты стоимости радиационных щелевых реккпе-раторов двустороннего обогрева и двойной циркуляции возлуха, выполненных Сибгипромеэом и Новокуэнецким отделением ВНИПИтеплопро-ект. Эти расчеты базировались на действующих ценниках и нормах Госстроя, ведомств и министерств.

Исходными параметрами расчета явились: номинальная производительность рекуператора по воздуху Уе , м3/ч; температура подогретого возлуха'ЙАспри условии начальной температуры вентиляторного воздуха 0°С; темперчтура продуктов сгорания, входящих в рекуператор, ¿оЛЗ; соптютивленис на возпуцчом тракте рекуператора йра' 10, Па; время работы рекупеоатора при двух - и трехсменной эксплуатации печного оборудования за год Ху,.ч; расход продуктов сгорания, проходящих через рекуператор, принят как 1,1 Уа ; амор-

тизационные отчисления а= 0,1 Кр,У; затраты на ремонт для данного типа рекуператоров отсутствуют, так как длительный опыт их эксплуатации показал, что срок их службы составляет более 10 лет; калорийность топлива 34000 кДж/м3; цена I мэ природного газа 0,03 руб.

Выполнены расчеты на ЭВМ стоимости четырех типов рекуператоров: радиационных щелевых цилиндрических двустороннего обогрева и явочной циркуляции воздуха конструкции (РЩР); тоже с опускной частью (РЩРо); радиационных щелевых цилиндрических одностороннего обогрева и двойной циркуляции конструкции ВНИГШтеллопро-ект серии Н6476-Н6479; конвективный тип "термоблок". Эти расчеты позволили получить аппроксимирующие зависимости капитальных вложений с использованием метола наименьших квадратов от производительности рекуперативной установки.

Получены следующие уравнения для расчета капитальных вложений в рекуперативную установку при коэффициенте корреляции! 4),99:

для РЩР

Кр.у. = 224+0,№-Уз +0,«-/О--*- VI

для РЩРо

Кр.у. . №6+(1аЗ'Ъ

для конструкции ВНИПИтепяопроект кр.у.

для конвективных типа "термоблрк", "Г =0,999

Кр.у. = 2,М5-Уа руб. (34)

Результаты расчетов показали, что диапазон годового экономического эффекта колеблется, в широких пределах. Это связано, в первую очередь, с длительностью эксплуатации в году (двух- или трехсменный режим работы), температурой подогретого воздуха и от-хопящих продуктов сгорания, а также сопротивлением на воздушном тракте.

Необходимо отметить, что потери продуктов сгорания от печи до рекуператора, разбавление продуктов сгорания холодным атмосферным воздухом, тепловые потери в окружающую среду также возможно отразить в предложенных алгоритмах расчета.

руб; (31) руб, (32) РУб, (33)

ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШОГО^НКДЙОНЛЛЬШХ

ТЕПЛООБМЕННИКОВ НА ЗАЗОДАХ

ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИЙ И МАШИНОСТРОЕНИЯ

Исследования, выполненные в данной работе, были направлены, в первую очередь, на конкретную реализацию разработанных методов и устройств по защите окружающей среды, экономии углеводородного топлива, повышению эффективности тепловой работы промышленных печей.

Относительно .быстрая апробация конструкций многофункциональных теплообменников - печных рекуператоров, обусловленная предварительно проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями, позволила проектным организациям (Сибгипромеэу, Новокузнецкому отделению ВНИПИ Теплопроект, Гипрокомбайнпрому, ЗН5ШТ и др.), а также заводам (Кузнецкому и Западно-Сибирскому металлургическим комбинатам, Новосибирскому металлургическому, Атоммашу, Роетселькащу, Трансмашу и многим другим) приступить к их широкому внедрению [4,5,9,10,16,25,27,29,31].

Были подготовлены решения по разработке многофункциональных рекуператоров металлургических печей, позволившие наряду с реализацией обычных, функций - уменьшением количества вредных газовых выбросов, тепловых загрязнений, экономией топлива -осуществить очистку дымовых газов от пыли [30].

Совместно с Сибгкпромезом на Новокузнецком заводе "Сантех-лит" внедрен проект утилизации теплоты и пыли за пятью эмалепла-вильными печами с помощью рекуператоров-циклонов по а.с.''1466415, (см. рис.2).Рекуператор выполнен из двух кассет,соединенных по воздуху последовательно. Первая кассета представляет собой радиационный щелевой цилиндрический рекуператор двустороннего обогрева и двойной циркуляции воздуха, выполняющий функцию выхлопной трубы, а вторая - радиационный щелевой рекуператор одностороннего обогрева с одноходовым движением воздуха, выполняющий роль корпуса циклона.

Техническая характеристика рекуператора - циклона

Расход, м^/ч: подогреваемого воздуха .................. 2500

дымовых газов ........................... 3000

Температура,

подогрева воздуха .................. до 400

продуктов сгорания ................. до 1000

продуктов сгорания после рекуператора до 600 Сопротивление, кПа:

на воздушном тракте ................до 1,0

на дымовом тракте ..................до 0,2

Степень очистки от пыли, % ........................... 80

Экономический эффект от внедрения, включающий размер предотвращенного ущерба от сокращения выбросов пыли и снижения расхода топлива (20*) при установке рекуператоров-циклонов,составил 26? тыс. руб. (в ценах 1988 г.).

В кузнечно-термическом цехе Западно-Сибирского металлургического комбината эксплуатируются с 1974 года, а на Кузнецком металлургическом комбинате с 1984 года радиационные щелевые цилиндрические рекуператоры с двусторонним обогревом и двойной циркуляцией воз,пуха (ИДР), которые выполняют одновременно функцию пылеочистки. НДР установлены на своде печей вместо термоблочных рекуператоров без каких-либо увеличений габаритных размеров пе-' чи. При этом вместо двух термоблочных рекуператоров, эагроионда-ю;цих свод печи, установлено по одному компактному НДР.

Исследования, проведенные для выяснения эффекта установки ребер в воздушной щели Р1ЦР, показали, что этот прием позволяет

увеличить температуру подогрева воздуха на 25-35$, однако возрастает сопротивление рекуператора на воздушном тракте в 1,5 раза. Изготовление рекуператоров резко упростилось без возрастания сопротивления на воздушном тракте, когда вместо ребер стали применять тонкие гофрированные ленты, надеваемые с небольшим натягом на внутренний цилиндр, согласно а. с. Р 901735.

Было показано, что подогрев воздуха положительно влияет на . основные теплотехнические показатели работы печей: увеличивается коэффициент использования топлива; сокращается расход топлива; интенсифицируется теплообмен в рабочем пространстве и, как следствие, возрастает производительность печи; уменьшаются потери металла от окисления за счет более быстрого нагрева и меньшего времени пребывания заготовок в окислительной атмосфере рабочего пространства печи. Все это наглядно иллюстрирует многофункциональность .рекуперативных систем»

Убедительным примером эффективного использования много-

функциональных рекуператоров служит внедрение Ри,Р на секционной печи скоростного нагрева Новосибирского металлургического завода, Одной из трудноразрешимых проблем этих печей явилась утилизация теплоты высокотемпературных продуктов сгорания, отходящих из печи. Зта задача была решена, в конечном итоге, за счет применения комплекса рекомендаций, полученных при моделировании тепловой работы РцР на ЭЗМ, теплоаэродинамического метода регулирования температур стенок рекуператора, выбора теплоустойчивых парок стали, заложенных в конструкцию,и т.д.

Одним из перспективных направлений в технике защиты окручаю-щей среды и экономии топливно-энергетических ресурсов является совмещение функций теплоутилизатора с устройством по очистке дымовых газов от пыли или'других вредньо-. веществ, Представителем таких универсальных устройств явился рекуператор-циклон (по а.сЛ'10оОЗС7) иахтной печи для нагрева ферросплавов, выполненный Сибгипромеэом для кузнецкого металлургического комбината (проект С-17-932-3). Компактность устройства достигается за счет полного использования эффекта теплового излучения от футероэки кодуха и саких дымовых газов и интенсификации конвективного теплообмена за счет организации вихревого импульсного движения дымовых газов путем устройства выступов треугольного профиля на футеровке кожуха.

В 1991 году на заводе Спсцинструмента и техостнастки АО "Рост-сельмаш" внедрена конструкция многофункционального теплообменника -кассетного комбинированного рекуператора (КНР) на нагревательной печи кузнечного цеха. Особенностью внедренного ЖР является возможность подогрева не только воздуха, поступающего на горение, но и воздуха, направляемого на обогрев помещений по выпуску товаров народного потребления з холодное время года. Ы2Г состоит кз двух кассет, соединенных по воздуху параллельно и представляющих собой ра- ' диациокные щелевые рекуператоры двустороннего обогрева и двойной циркуляции воздуха, вставленных одна а другую. Зоздуховоды КК? выполнены таким образом, что позволяют обеспечивать несколько режимов работы комбинированного устройства : максимальный нагрев воздуха двумя кассетами; подогрев воздуха, поступающего на горение, в случае выхода из строя другой кассеты; работа внутренней кассеты на печь и внешней - на отопление.

Знедрение ¿ИР позволило снизить расход природного газа на печь на 20%, обогревать помещен/я по выпуску Т!Ш в холодное время года, уменьшить ущерб, наносимый окру'-акудей среде выброса:/,VI МО* и СО'и

потенциально обеспечить газом 586 чел/год.

Барнаульский завод транспортного машиностроения "Трансыаш" является передовым предприятием в отрасли и в отечественном машиностроении по экономии ТЗР на кузнечных высокотемпературных пламенных печах. К 1985 г. на заводе большинство кузнечных нагревательных печей, отапливаемых мазутом, было оснащено МОТ, что позволило получить значительный экономический эффект. Внедрение современных конструкций многофункциональных печных рекуператоров открыло новые перспективы для передовых приемов, связанных с защитой окружающей среды, совершенствованием технологии нагрева, уменьшением окисления металла.

Наиболее успешное применение многофункциональны» печньв рекуператоры - радиационные щелевые двустороннего обогрева и тройной циркуляции воздуха с опускной частью по а. с. Jí 6I53I5 (ЩРо) нашли на нагревательных камерных печах завода "Атоммаш"(г. Волгодонск) (проекты Новокузнецкого отделения ВНИГШ "Теплопроект" ТР 52435-01МЧ, ТР52435-С1МЧ, ТР52437-01МЧ) и кольцеэых нагревательных печах завода "Центрокуз" (г. Кировск) (проект НО ВНЯЛИ "Тепло-проект" 507II МЧ). РЦРо - 5000 подогревают воздух до 250°С при температуре входящих продуктов сгорания до 850°С и являются одним из крупных металлических радиационных щелевых рекуператоров на отечественных машиностроительных заводах.

Решение проблемы защиты окружающей среды и экономии топливно-энергетических ресурсов - природного газа было удачно осуществлено в новой системе отопления промышленных печей "рекуператор -инфекционные горелки". Такой системой на заводе "Красный Аксай" (г. Ростов-на-Дону) к 1991г. было оборудовано пять печей и одна печь' в кузнечном цехе НПО "НЭВЗ" (г. Новочеркасск). Причем новой системой оборудованы печи как находящиеся в эксплуатации, так и вновь вводимые. На всех печах использовались те ие инжекционные горелки с одной активной газовой струей, которыми были оснащены печи до реконструкции.

Исследования и опыт эксплуатации топливоскигающей системы на о промышленных печах показали ее надежность, экономичность (экономия природного газа до 50%) и простоту в эксплуатации.

При этом экономия топлива составила 22$ за счет подогрева воздуха в МОТ, а 60% экономического эффекта пришлось на долю сокращенного ущерба окружающей среде, Определяемого по известной "Типовой методике ..... экономической оценки ущерба от загрязнения окружающей среды" (М. - IS88r.).

выводы

1. На основании проведенного анализа в диссертации показано, что управление процессом защити окружающей срвди (атмосферы) от вредных выбросов при сжигании углеводородного топлива в промышленных пэчах осуществимо на начальных и последующих стадиях теплотех-нологий за счет нахождения определенных уровней (200.. .500°С) подогрева компонентов горения. Такой подогрев осуществим в многофункциональных теплообменниках - печных рекуперативных системах, решающих несколько задач одновременно:

а) защита окружающей среды путем уменьшения количества вредных выбросов;

б) рациональное использование топливно-энергетических ресурсов за счет экономии (сокращения расхода) углеводородного топлива - природного газа, мазута и др.;

в) улучшение нагрева материалов интенсификация теплопередачи

и др.

2. В области защиты окружающей срэцы на основе теории получены экспериментальные зависимости, позволившие определять количество вредных веществ - пыпи, оксидов азота, серы, углерода, поступающих в атмосферу при реализации рекуперативного подогрева компонентов горения. В исследованном диапазоне подогрева воздуха не отмечено резкого возрастания количества вредных выбросов, что послужило основанием для разработки новой системы отопления металлургических печей "рвкуператор-инжекционныэ горелки".

3. В области теории и практики многофункциональных теплообменников :

а) разработаны имитационные математические модели, описывающие физическую картину теплопередачи в МФГ, которые реализованы с помощью интервапьно- итерационного метода численного анализа на ЭВМ различных классов. Используемый метод позволяет определять

' основные параметры - температуру подогреваемого воздуха, продуктов сгорания, стенки в яюйоЗ точке и сечении MIT;

б) предложена классификация и методика оцэнки и выбора многофункциональных рекуператоров для любых условий эксплуатации на промышленных печах;

в) разработан метод теппоаэродинамического регулирования температур поверхностей нагрева, базирующийся на создании рационаяь~

ной скорости движения воздуха и продуктов сгорания, получаемой за счет оригинальных конструктивных решений и приемов, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения;

г) выполнен анализ теплопередачи в высокотемпературных многофункциональных рекуператорах, который позволил: оценить влияние теплового излучения из дорекуператорннх пространств и предложить меры по его использованию или ограничению; получить обобщающие критериальные уравнения, описивающие "внутренний" теплообмен МФР; исследовать струйное патокание воздуха на теплопередающую поверхность и эф&активность оребрвния воэдуиной щели;

д) исследования, проведенные го замене остродефицитных легированных марок стачай, используемых в овиупвраторостроенич, путем применения защитных покрытий, в том числе недорогого порошка ферросилиция, позволили показать перспективность данного направления для решения проблема исключения никепьсодеркащих сталей при изготовлении металлических рекуператоров;

а) комплекс теоретических, экспериментальных и патентных исследований, проведенных автором, привел к созданию нового типа многофункциональных печных рекуператоров - рекуператора-циклона, предназначенного для улавливания'пылевых выбросов или нужных компонентов технологического процесса с одновременной утилизацией теплоты отходящих продуктов сгорания, обеспечивающий защиту окружающей среди от тепловых загрязнений. МФР защищен а.с. на изобретения Л 1086307 "Циклон-охладитель"; а.с. »1247637 и № 1466412 "Рекуператор-циклон", конструкция которого внедрена за пятью эмалеплавильннми печами завода "Сантохпит" (г.Новокузнецк).

,4. В области экономики МОТ разработана методика расчета эконо-, мической эффективности от применения рекуперативных устройств на базе имитационных моделей, позволившая получить табулированные величины годового экономического эффекта для четырех типов многофункциональных печных рекуператоров и подготовить программу для определения обобщающей экономической эффективности, учитывающей:

- защиту окружающей среды;

- возможности-изготовления рекуператоров;

- выбор типа рекуперативной установки;

- планирование внедрения печных рекуператоров в отраслях народного хозяйства.

5. Результаты работы нашли применение в промышленности, в учебном процессе и исследовательской практика в виде новых разработок и рекомендаций по совершенствованию теплоиспользующего оборудования, методик и программ для экспериментально-аналитического исследования и математического моделирования процессов теплообмена в многофункциональных теплообменниках на базе ЭВМ.

Представленная работа квалифицируется как теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы в области технических средств защиты окружающей среды, имеющей важное народно-хозяйственное значение. 1

Содержание диссертации отражено в 84 публикациях. Основные из них следующие:

1. МедиокритскиЯ Е.Л. Экология и подогрев воздуха Ц Повышение эффективности использования газа и мазута в отраслях народного хозяйства: Тез.докл.Всесоюзн.научно-твхн.семинйра. -М.: Мингазпром, 1%0. -С. 57-58.

2. Медиокритский Е.Л., Зинченко A.A. Вредные выбросы при сжигании газа и мазута в промышленных печах // Газовая промышленность. Обз.информ.Сер.Использование газа в народном хозяйстве. -1984.

К 10. - 51 с.

3. Медиокритский Е.Л., Гапонов В.Л., Дьякова Т.В. Исследование образования окислов азота в продуктах сгорания промышленных

' печей // Рациональное использование природных ресурсов, создание малоотходных технологий, охрана окружающей среды в Ростовской области: Тез.докл.научно-техн.конф. - FicTon-на-Дону, 1986. -С.48-52.

4. Медиокритский Е.Л. Многофункциональные теплообменники как средства защиты окружающей среды и ресурсосбережения://Обеспылива-

нив воздуха и технологического оборудования в промышленности: Сб, тр. Всесоюэ. науч.-техн. конф. Том 2.-Ростов н/Д,1991.-С.48.

5. Медиокритский Е.Л., Талонов В.Л. Разработка и внедрение многофункциональных теплообменников на промышленных печах с целью экономии топлива и защиты окружающей среды//Прэблемы экологии в металлургии, машиностроении и пути их решения: Тез. докл. конф, СНГ.-М.: ЛЦ йнформтехника, 1992.-С. 2-3.

6. Медиокритский Е.Л. Повышение эффективности использования природного газа в промышленных печах с помощью радиационных реку-ператоров//Газозая промышленность. Обзорная информ. Сер. Использование газа в народном хозяйстве.-1980.-вып.5.-55с.

7. Медиокритский Е.Л, Рекуперация тепла промышленных печей -эффективный путь экономии топливно-энергетических ресурсов// Повышение качества и эффективности производства деталей сельхоз-маш. Межвуз. сб.- Ростов н/Д, I98I.-C. 110—114.

8. Медиокритский Е.Л. Экономия природного газа при применении современных рекуператоров//Газовая промышленность.Обзорная информ. Сер. Использование газа в народном хозяйстве. -1981.-вш1.8.~53с.

9. Медиокритский Е.Л. Повышение эффективности использования природного газа при рекуперативном подогреве воздуха//Газовая промышленность. Обзор, информ. Сер. Использование газа в народном хозяйстве.-1983.-вып.9-1983. -35с.

10. Медиокритский Е.Л..Гапонов В.Л. Экономия природного газа при применении комбинированных рекуператоров в промышленных печш;// Газовая промышленность. Обзорная, информ. Сер. Использование газа в народном хозяйстве.-1986.-вып5.-48с.

11. Медиокритский Е.Л..Корочхин Е.И. .Сельский Б.И. Эффективность теплоутилизационной системы нагревательных колодцев с одной верхней горелкой//Бюллетень ВДШ ТЭИЧМ.-1972.-МК679) .-С.54-55.

12. Медиокритский Е.Л. О тепловом расчете радиационных рекуператоров// Кузнечно-штамповочное производство.-I972.-P6.-С. 34-36.

13. Медиокритский Е.Л., Тараборин Ф.Н., Золотарева Т.Д. Исследование "внутреннего" теплообмена радиационных рекуператоров// Известия Вузов. Черная металлургия.-1973.-Г8.-С. 152-155.

14. Медиокритский Е.Л. О выборе и конструировании металлических рекуператоров// Сталь.-1975.12.-С. II4I-II43.

15. Медиокритский Е.Л. Утилизация тепла отходящих продуктов горения высокотемпературных печей средней и малой тепловой ыощ-яостц//Использование вторичных энергоресурсов и охлаждение arpera-

тов в черной металлургии: Тем. отрасл. сб.!Р6,-М.: Металлургия, 1977.-С. 32-37.

16. Медиокритский Е.Л., Повар В.З. Кузнечные печи, оснащенные радиационными рекуператорами//Нузнечно-штамповочное производство. -1977.-Г4.-С. 36-38.

17. Медиокритский Е.Л..Федосеев В,fi..Бондаренко 8.И. Опыт эксплуатации радиационного горизонтального рекуператора//Боллетень ЦНИИ ТЭИ ЧМ.-1977.-Г5.-С. 27-28.

18. Короткое С.Г..Медиокритский Е.Л.,Фишман Б.Д. Применение газопламенного напыления для увеличения стойкости щелевого радиационного рекуператора//Порошковая металлургия.-1979.-Г4.-С. 77-80.

19. Медиокритский Е.Л. Аэродинамика и конструирование щелевых цилиндрических рекуператоров//Куэнечно-штамповочное производство. -1979.-Ш.-С. 26-28.

20. Медиокритский Е.Л.,Логинов В.Е. Об одном подходе к определению температуры стенок радиационных щелевых цилиндрических ре-куператоров//Известия Вузов. Черная металлургия.-1980.-F2.-С.103-106.

21. Медиокритский Е.Л.,Логинов В.Е. О выборе,конфигурации поверхности нагрева рекуператоров//Известия Вузов. Черная металлургия. -1982. -F-II.-C. 139/140.

22. Медиокритский Е.Л., Гайко В.Г., Сутягин .,Е.А. Повшение тепловой эффективности печей при установке радиационных рекуператоров// Сстершенствование систем отопления и повышение тепловой эффективности металлургических печей. Тем. отрасл. сб.-М.: Металлургия, I983.-C. 24-20.

23. Медиокритский Е.Л..Гапонов В.Л..Логинов В.Е. О системе отопления рвкуператор-инжекционная горелка//Известия Вузов. Черная металлургия. -1983. -Ш. -С. 138-140.

24. Медиокритский Е.Л.,Еаповал Б.Г..Зинченко A.A. Экономика рекуперативного подогрева компонентов горения в металлургических печах//Известия Вузов. Черная' металлургия.-1966.-F2.-С. 120-124.

25. Медиокритский Е.Л.,Гапонов В.Л..Бельдий Н.В. Создание и внедрение современных печных рекуператоров//Повышение эффективности использования газа в промышленности. Материалы международ, семинара, Киев, 22-25 июня 1987.-Киев: Наукова думка, 1987.-С. 58-60.

26. Волокитин Г.И.,Медиокритский Е.Л.., Логинов З.Е., Тарасенко Е. Об одном асимптотическом методе решения задачи теплообмена в радиационном рекуператоре/Д'атематические модели и алгоритмы решений прикладных задач: Межвуз. сб. - Ростов н/Д, I9C9.-C. 43-51.

27. Медиокритский Е.Л., Гапонов В.Л. К создании рекуператоров глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания промышленных пе-чей//Гаэовая промышленность. Экспресс-информация. Подготовка, переработка и использование газа. -1990.-вып.1-1990.-С. 14-18.

28. Медиокритский Е.Л..Гапонов В.Л. Исследование новых конструкций печных рекуператоров на огневом стенде// Газовая промышленность. Научно-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в газовой промышленности. Информ. сб.-1990. -гг.-С. 67-71.

29. Медиокритский Е.Л.,Гапонов З.Л. Опыт внедрения системы "рекуператор-инжекционная горелка" на промышленных печах машиностроительных эаводов//Газовая промышленность. Научно-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в газовой промышленности. Информ. сб,-1991.-вып.П.-С. 11-35.

30. A.C. I4664I5 (СССР). Рекуператор - циклон/ Е.Л. Медиокритский, Г.Д.- Попова, В.Л. Гапонов. - Заявл. 21.07.67.

31. A.C. 1086307 (СССР). Циклон - охладитель/ Е.Л. Медиокритский , Ю.А. Алюшин, В.Г. Гайко и др. Заявл. 05.12.81.//Б.И. -1984. -144.

32. A.C. II33459 (СССР). Воздухоподогреватель/ Е.Л. Медиокритский. Заявл. 17.08.83.//Б. И.-1985.-*1!.

33. A.C. 1205599 (СССР). Теплообменный элемент/ Е.Л. Медиокритский, Заявл. 30.08.82.//Б.И.-1986.-)*3.

34. A.C. 6I53I5 (СССР). Устройство для нагрева воздуха/ Е.Л.Медиокритский, В.С.Федосеев, Г.С.Трапезников и др. Заявл. 14.ОI.76.//Б.И.-1978.26.

35. A.C. 715909 (СССР). Устройство для мокрой очистки дымовых газов вагранки/ Е.Л.Медиокритский, Б.А.Алюшин, Л.М.Барышевсккй

и др. Заявл. 26.06.78.// Б.И.-1980.-Г6.

36. A.C. 787807 (СССР). Радиационный рекуператор/ Е.Л. Медиокритский, В.Г.Гайко, D.А.Алюшин и др. Заявл. 21.09.78.//Б.И,-1980.-Г46.

37. A.C. 821844 (СССР). Воздухораспределительное устройство рекуператоров/ Е.Л.Медиокритский, В.Г.Гайко и др. Заявл. 26.02.79// Б.И.-1981.-ЛЧ4.

38. A.C. 901736 (СССР). Рекуператор/ Е.Л.Медиокритский, В.Г.Гайко и др, Заявл. 04.04.80.//Б.И.-1982.-Г4.

39. A.C. 909446 (СССР). Устройство для нагрева воздуха/

Е.Л.Медиокритский, З.З.Чураков, D. А.Алюшин и др. Заявл.13.06.80//

Б.И.-1982.-W8.

40. A.C. 95I0I3 (СССР). Рекуперативный воздухоподогреватель/ Е.Л.Медиокритский, В.Л.Логинов, Ю.А.Алюшин, В.Л.Гапоноа. Заявл. 09.07.80.// Б.И.-Г982-Ю0.

41. A.C. 977905 (СССР). Устройство для нагрева воздуха/ Ю.Ф.Болгов, В.Ф.Феоктистов, Е.Л.Медиокритский и др. Заявл. 17.09.79 // Б. И.-1982.-М4.

42. A.C. 996451 (СССР). Шахтная печь для плавки металла/ Е.Л.Медиокритский, В.И.Ермаченко, А.И.Берляндт и А.А.Чумов. Заявл. 28.07.81. // Б.И.-1983.-Ч>6.

43 A.C. I023I72 (СССР). Воздухоподогреватель / Е.Л.Медиокритский, Ю.А.Алюшин, А.К.Литошенко и др. Заявл. 14.07.80// Б,И.--1983.-№22.

44. A.C. 1040284 (СССР). Устройство для защиты рекуператоров промышленных печей/ Е.Л.Медиокритский, В.Л.Гапоноа, Г.С.Трапезников и др. Заявл. 16.09.80.// Б.И.-1983.-¥33.

45. A.C. II25444 (СССР). Стену, для исследования рекуператоров/ Е.Л.Медиокритский, Н.А.Куц, Т.В.Дьякова и В.Д.Костенко. Заявл. 25.04.83.// Б.И.-1984.-143.

46. A.C. 1229520 (СССР). Рекуператор/ Е.Л.Медиокритский, В.Л.Гапонов, А.Х.Манхаян и Н.А.Куц Заявл. 22.06.84.// Б.И.-1986.-- W7. о

47. A.C. I29679I (СССР). Рекуператор/ В.Л.Гапонов, Е.Л.Медиокритский, Н.В.Бельдий и Н.А.Войнич. Заявл. 26.06.85.// Б.И.-1987.--VI0.

48. A.C. I483I78 (СССР). Воздухоподогреватель /Е.Л.Медиокритский, В.Л.Гапонов, Г.С.Трапезников и др. Заявл. 26.07.84.// Б.И.--1989.-V20.

Подписано в печать 6.05.94 НС 24511 Формат 60x84 1/16 Бумага писчая Печать офсетная Усл.п.л. 1,88 Уч.-изд. л. 2,0 Тира* 130 Заказ ^