автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Моделирование явлений переноса и физико-химических превращений с целью усовершенствования технологического процесса в печи сопротивления для получения стекломассы

На правах рукописи Красавин Алексей Владимирович

Моделирование явлений переноса и физико-химических превращений с целью усовершенствования технологического процесса в печи сопротивления для получения

стекломассы

Специальность 05.17.01 «Технология неорганических веществ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006 год

Работа выполнена в Российском Химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева на кафедре общей химической технологии.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бесков Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маневич Вадим Ефимович

доктор технических наук, профессор Чернышов Валерий Иванович

Ведущая организация: ЗАО «Геро СЗ Заря» Харовский стекольный завод

Защита состоится 14 июня 2006 г. в_ч. на заседании диссертационного

совета Д 212.204.05 РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047 Москва, Миусская

пл., д. 9) в ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан_200_г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.204.05 Сучкова Е.В.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

В современных стекловаренных печах используется несколько способов подвода энергии к расплаву. Наиболее перспективным с технологической точки зрения является способ, реализованный на печах сопротивления, где энергия выделяется в самом расплаве при пропускании сквозь него электрического тока в результате высокого сопротивления расплава. Печи сопротивления значительно эффективнее пламенных печей (в которых тепло передаётся излучением от горящего факела к поверхности расплава) в теплотехническом аспекте. КПД пламенных печей существенно ниже электрических. Капитальные затраты на постройку пламенной печи выше, чем на постройку электрической, поскольку требуется дополнительное оснащение для утилизации тепла отходящих газов, для газового хозяйства. И, хотя на сегодняшний день стоимость единицы энергии (подводимой к расплаву), полученной сжиганием природного газа ниже стоимости электроэнергии, наблюдается тенденция к сближению этих величин. Вследствие высокого КПД и несколько меньшей стоимости капитальных затрат на строительство, электропечи могут конкурировать с пламенными печами в том случае, если цены на кВт получаемой энергии будут близки. Однако, в районах, оснащённых природным газом, использовать пламенные печи экономически выгоднее.

При проектировании электрических печей в нашей стране пользуются опытом проектирования пламенных печей, зачастую неоправданно перенося закономерности пламенной варки стекла на электроварку. Так как способ подвода энергии к расплаву в электрических печах существенно отличается от пламенных, то температурные и гидродинамические условия внутри бассейна электрической печи будут отличаться от условий в пламенной печи подобной конфигурации. Целесообразно разработать новый подход к исследованию печи для варки, рассматривая её как химический реактор с внутренним источником

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург ОЭ 200£акт г/к

тепла, т.е. использовать методы химической технологии для исследования процесса.

Исследования распределения температур и скоростей внутри варочного бассейна электропечи, выяснение особенности работы данного агрегата могут не только помочь в проектировании новых печей, но и в модернизации имеющегося оборудования.

Поэтому актуальным является как исследование печей сопротивления ( в данной работе объектом исследования является электрическая печь сопротивления, производительностью 30 тонн в сутки), так и использование методов химической технологии в других отраслях промышленности.

Цель работы.

Повышение эффективности работы стекловаренной печи путём изменения условий протекания процесса - распределения скоростей и температур внутри варочного бассейна. В соответствии с этой целью, были определены следующие задачи:

• Разработать метод исследования и создать экспериментальную установку, удовлетворяющую требованиям моделирования, и позволяющую изучить распределение температур и структуру потока в бассейне печи

• На основании данных физического моделирования электрической стекловаренной печи выяснить распределение температур и скоростей внутри печи. Определить основные факторы, влияющие на скорость данного химического процесса.

• Выяснить влияние конструктивных параметров на распределение температуры и структуру потока в печи, и предложить наиболее эффективную комбинацию этих параметров.

• Используя методы химической технологии, определить влияние структуры потока и распределения температур на превращения, происходящие при варке стекломассы.

Научная новизна.

Впервые исследовалась электрическая печь подобной конфигурации и размера. Ранее исследования проводились для пламенных печей. Получены данные по распределению скоростей и температур в данной печи, которые не соответствует распределению скоростей в пламенных печах, и имеют существенные особенности, связанные со спецификой подвода энергии к расплаву.

На основании исследований структуры потока и температурного поля в печи, внесены конструктивные изменения, обеспечивающие более равномерное перемешивание внутри бассейна - порог. Впервые для этого типа печи произведена оценка времени пребывания в варочном бассейне для различных режимов работы печи, и определены условия полного превращения исходного сырья в продукт.

Установлен основной определяющий фактор, обуславливающий разрушение кладки, определены наиболее уязвимые места разрушения кладки печи. Обоснованы конструктивные решения по уменьшению износа кладки в этих местах.

Практическая значимость

Для данной конструкции печи разработан ряд мероприятий, обеспечивающий увеличение времени непрерывной работы печи: изменение внутренней геометрии печи путём установки порога, выбор оптимального вылета электродов для обеспечения равномерного нагрева всего объёма, предложены соответствующие меры по уменьшению износа наиболее

уязвимых мест кладки. Результаты реализованы при реконструкции электрической стекловаренной печи на Харовском стекольном заводе.

На защиту выносятся:

1. Метод исследования и установка для физического моделирования процесса в стекловаренной печи

2. Результаты моделирования полей температур и скоростей внутри варочного бассейна электрической стекловаренной печи при различных условиях варки.

3. Результаты опытов по определению времени пребывания в варочном бассейне, и оценка эффективности агрегата на основании данных о времени полного растворения, временах пребывания и указанных полей скоростей и температур.

4. Результаты реализации разработки на печи Харовского стекольного завода.

Публикации

По результатам работы опубликованы 2 научные статьи в журналах и в тезисах конференции «Стекловарение 2002».

Структура и объём работы

Работа состоит из введения и обзора литературы, общетеоретической части (глава 1), экспериментальной части (главы 2-4), выводов, списка литературы и приложений 1-3.

Работа изложена на 127 страницах, содержит 61 рисунков, 10 таблиц и 70 литературных ссылок на работы отечественных и зарубежных исследователей.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи данной работы.

Первая глава посвящена рассмотрению основных типов стекловаренных печей, основных этапов стекловарения. В ней приведены схемы движения конвективных потоков внутри бассейна пламенных печей различной конфигурации. Также, первая глава посвящена рассмотрению основных химических превращений в процессе стекловарения. На основании анализа литературных данных, была определена скорость-лимитирующая стадия всего процесса. Сделан вывод о том, что наиболее медленной стадией процесса следует считать стеклообразование - растворения оксида кремния в расплаве силикатов. Из литературных данных получены сведения по механизмам химических взаимодействий и кинетике процесса стекловарения.

Определены основные факторы, влияющие на скорость данной стадии -температура, размер зерна, скорость обтекания, разность концентраций на поверхности зерна и в ядре потока. Из анализа литературных данных определена главная задача - исследование на установке распределения температур и скоростей внутри варочного бассейна печи, а также выяснение влияния основных технологических параметров на поля температур и скоростей.

В качестве метода исследования предложен метод физического моделирования, основанный на теории подобия.

Во второй главе обоснован метод физического моделирования электрической стекловаренной печи сопротивления, описана экспериментальная установка, выбран масштаб моделирования, модельная жидкость, и обоснован температурный режим установки. Описаны методики

исследования электрических и тепловых параметров, описана методика измерения скоростей потока в модели.

В третьей главе представлены результаты моделирования процесса на экспериментальной установке. Приведены тестовые измерения температуры на модели и на реальной печи для оценки степени достоверности данных о полях температур, полученных на модели. Некоторые результаты измерений приведены на графиках. На рис. 1. обозначены места ввода термопар в варочном бассейне. Рисунок представляет собой эскиз печи (вид сверху). Термопары обозначены точками. На рисунке показаны расстояния точек измерения (в см - размеры по реальной печи) от стен печи. Схематично показаны электроды (только с одной стороны), проток и направление течения

_здеюроды—| стекла на выработку. На

рисунке видно, что термопары вводились в центр бассейна (ядро потока) и вблизи стенки.

Рис 1 Расположение точек замера температур на модели и на реальной печи

На рис. 2 представлены измерения температуры по глубине, проведённые на модели и на реальной печи. Для удобства отображения

о Сравнение зависимостей температуры от температура НЭ МОДвЛИ Приведена С

глубины на модели и на реальной печи

учётом коэффициента масштабирования.

Рис 2 Сравнение полей температур на модели (линии) и на реальной печи (точки)

1,* - точка Т2 (рис.1),

2,я - точка Т5,

3,А - точка Тб

1000 1200

Полученные данные позволяют сделать вывод об удовлетворительном совпадении данных по распределению температур на модели и реальной печи.

Дальнейшие исследования процесса в печи проводились с использованием физической модели.

Опыты проводились по двум направлениям - исследование поля температур и исследование структуры потока (поля скоростей). Проведены серии экспериментов по влиянию на поле температур следующих параметров:

• способа подвода энергии к расплаву (вылет электродов и распределение выделяемой мощности)

• конструктивных изменений в бассейне

-_6___

1И I

5 Рис 3 Распределение „ | температур в

„ | поперечном (а) и .» | продольном (б)

о " сечениях модели

Ширина бассайиа, ни

Длина бассайиа мм

При обобщении результатов данных опытов, можно сделать следующие выводы:

• Увеличение вылета электродов повышает степень однородности температурного распределения. Уменьшение вылета электродов ведёт к снижению степени однородности распределения температуры по бассейну, причём сильнее всего реагирует на это верхний, приповерхностный слой.

• Установлено, что распределение мощности по рядам зависит от общей нагрузки, вылета электродов и распределения температур в бассейне

• При всех условиях поле температур симметрично в поперечном сечении, а в продольном сечении имеет сложную форму (рис.3,б).

• Проточная торцевая стена в верхней части сильно нагрета по сравнению с боковыми стенами, причём больше всего нагрета область на глубине от 20 до 40 мм от поверхности, что обуславливается характером гидродинамической обстановки в модели, (рис.3,4)

В следующей части опытов исследовалась структура потока (поле скоростей). На рис.4 показано распределение скоростей в центральном сечении варочного бассейна.

Торцевая загрузочная стена

Вал N01

В бассейне выделяются два крупных циркуляционных потока (на рис. 4 они обозначены, как 1 и 2) которые вращаются в противоположных направлениях, и обеспечивают перемешивание внутри бассейна, выравнивая температуру (естественная конвекция).

Кроме этих циркуляционных потоков, можно отметить выработочный поток, проходящий по дну модели, и имеющий скорость значительно ниже скорости в ядре потока. Начинаясь вблизи торцевой загрузочной стены, он движется по дну, частично увлекаемый в ядро потока силами перемешивания. Тонким слоем он перетекает в проток, причём его толщина не превышает 15 мм. Скорость выработочного потока по мере приближения его к протоку возрастает, вследствие общего увеличения температуры. Из-за ограниченного отбора продукта, в протоке образовывался дополнительный циркуляционный контур, который снижал тепловую эффективность печи (расплав с низкой температурой из выработки вновь поступал в варочный бассейн, и дополнительный подогрев этой части жидкости вёл к дополнительным затратам тепла). Для ликвидации этого контура был установлен порог перед протоком, который снизил скорость выработочного потока, тем самым, решив -две задачи: ликвидировал дополнительный контур и увеличил степень однородности распределения времени пребывания в бассейне. В последующих опытах

Рис 4 Распределение скоростей в центральном

продольном сечении модели Точки В,Е,Р - точки замера скоростей вдоль торцевой проточной стены

Центральное продольное сечение модели

Третий столб электродов

порог \ Выработочный поток ^Четвертый столб электродов № 4 8 12

выбиралась оптимальная высота порога, обеспечивающая более равномерное распределение температур и более однородное распределение времени пребывания в бассейне.

Было определено, что в верхней части торцевой проточной стены скорость потока наибольшая. Именно в этом месте наблюдается максимум температуры на стенке, а, в реальной печи, именно в этом месте происходило разрушение кладки, что привело в конечном счёте к остановке печи на холодный ремонт. Эта температурная неоднородность может быть следствием особого положения электродов расположенных у проточной торцевой стены,

1 Прспж направления

- пот»» относительно остальных.

\\_ расплава

Рис 5 Изменение направления потоков у проточной стены в зависимости от вылета указанных электродов На рисунке представлен варочный бассейн, вид сверху, стрелками разной толщины показаны направления потоков расплава Точки В.ЕД7 -точки замера скоростей вдоль торцевой проточной стены

Был проведён ряд опытов, имевших целью выяснить зависимость распределения скоростей в данной области от вылета указанных электродов. В результате получены следующие выводы:

• Изменение вылета указанных электродов от 30 до 90 мм влечёт за Зависимость скорости в собой изменение гидродинамической картины внутри

точках В,Е и Р (рис 4,5) от

вылета электродов №4,8 и 12 модели (рИС 5) При изменении вылета указанных электродов векторы скоростей потоков смещаются вслед за концами электродов.

• В ходе измерений была отмечена высокая скорость движения жидкости в углу ванны от поверхности до уровня нижнего ряда электродов.

Уменьшение скорости вблизи от торцевой стены в центральном сечении ведёт к увеличению скорости в

30 80 90

Вылет электродов ми ЭТОЙ ОбЛаСТИ.

Рис 6 Зависимость скоростей вблизи проточной стены от вылета указанных электродов

На рисунке (рис.6) показана зависимость скоростей вблизи проточной торцевой стены от вылета указанных электродов. При вылете, лежащем между 60 и 70 мм, скорость обтекания торцевой стены минимальна. Можно сделать вывод о том, что вылет указанных электродов от 60 до 70 мм оптимален с точки зрения уменьшения скорости износа огнеупорной кладки в этой области.

Выяснено, что при изменении высоты порога, картина распределения потоков внутри бассейна несколько меняется. Место встречи двух основных циркуляционных потоков смещается по длине бассейна, (циркуляционные потоки меняют форму, изменяется расход жидкости в них), причём зависимость положения места встречи от высоты порога нелинейна.

Результаты исследования полей температур и скоростей привели к следующим выводам:

• Для всех рассмотренных высот порога доля объёмного расхода выработочного потока постоянна, и составляет около 4 % от общего расхода.

• Соотношение объёмных расходов указанных рециклов при изменении высоты порога от 30 до 20 мм меняется существенным образом - при высоте порога 30 мм около двух третей составлял циркуляционный поток № 1, то при высоте порога 20 мм около двух третей составил поток № 2. При уменьшении высоты порога до 10 мм получено близкое соотношение расходов рециклов -потока № 2 и потока № 1 - соответственно, 54,5 % и 40, 9 %.

• Приведя данные по зависимости теплосодержания от высоты порога, можно отметить, что для потока № 2 имеет место очевидный максимум теплосодержания в районе высоты порога 20 мм. При этом для потока № 1 характерен непрерывный рост теплосодержания и объёмного, а для выработочного потока - практически постоянная величина того и другого.

На основании данных о распределении скоростей внутри варочного бассейна при всех указанных высотах порога, были определены величины максимального и минимально возможного времени пребывания, при условии,

что вероятность перехода из одного потока в другой (например, из потока №1 в выработочный поток), равна 100 %.

По результатам проведённых расчётов и в совокупности с данными по определению положения места встречи двух рециклов и соотношению объёмных расходов и соотношению теплосодержания, можно отметить режим с высотой порога 20 мм, как режим с наибольшим временем пребывания частицы движущейся по кратчайшему пути (линия 1 на рис.7), что говорит о возможности получения продукции лучшего качества из-за снижения вероятности проскока не прореагировавшей шихты в выработку

По результатам проведённых измерений полей скоростей и температур, а также исходя из литературных данных, был проведён расчёт времени полного превращения частиц песка, используемого на Харовском стекольном заводе (размер зерна от 0.15 до 0.8 мм). Также, используя зависимость времени полного превращения от температуры, рассчитано изменение степени

превращения оксида кремния (песок) по линиям тока (минимальному и максимальному пути частицы от загрузки до выработки).

Рис 7 Линии тока, минимальный (линия 1) и максимальный (линия 2) путь

б

1

: о,в

& 06 :

1 04 I

N 2

/ /

/ /

//■

г

э <

Рис 8 Зависимость степени превращения частиц разного размера (■ - 0 8 мм, ♦ - 0,55 мм, ▲ - 0,15 мм) от времени пребывания в потоках 1 (а) и 2 (б) на рис 7

Как видно из представленных графиков, для полного растворения зерен размером до 0.55 мм оказалось достаточно времени пребывания в потоке, текущем по кратчайшему пути.

В четвёртой главе предоставлен ряд рекомендаций технологического и конструктивного характера позволяющих, по мнению автора, повысить эффективность использования стекловаренной печи, как химического реактора, снизить износ огнеупорной кладки стен в наиболее уязвимых местах, и повысить производительность печи (повысить качество продукции).

Конструктивные решения:

• Исходя из данных по зависимости тепловой обстановки от вылета электродов, а также исходя из данных о скоростях обтекания торцевой проточной стены, и зависимости этих скоростей от вылета электродов №№ 4, 8,12 (рис.4) был предложен вылет электродов, равный 700 мм.

• При таком вылете электродов скорости потока вдоль проточной стены наименьшие, что значительно уменьшает эрозию кладки печи в этом месте.

• Также на основании пп 3.3 и 3.4 была предложена высота порога 200 мм, обеспечивающая максимальное увеличение производительности при неизменном качестве продукции.

Технологические рекомендации:

• Для обеспечения полноты превращения песка, размер его частиц не должен превышать 0.55 мм

• Распределение мощностей по рядам электродов должно быть следующим -50 % / 35 % /15 % (верхний, средний и нижний ряды).

• Установлены наиболее уязвимые места огнеупорной кладки. Предложены меры по уменьшению коррозии огнеупорной кладки стен печи - введения постоянного контроля за температурой кладки по всей поверхности стен,

использования пристенных холодильников для охлаждения наиболее уязвимых мест стен печи.

Предложения были реализованы на электрической стекловаренной печи Харовского стекольного завода, производительностью 30 тонн в сутки. К настоящему времени печь проработала 24 месяца без остановки. Для сравнения - длительность двух предыдущих кампаний печи, соответственно, 8 и 10 месяцев. Таким образом, при внедрении указанных рекомендаций длительность кампании печи увеличилась почти в три раза.

Выводы

1. Рассмотрены основные химические реакции в системе №2С03 + СаСОз + ЯЮ2. Рассмотрены кинетические кривые двух основных стадий процесса -образования силикатов и стеклообразования. По времени протекания процессов показано, что скорость определяющей стадией является стеклообразование, на которое затрачивается 90 % всего времени процесса.

2. Поскольку скорость превращения лимитируется переносом вещества от поверхности частицы в ядро расплава, то распределения температуры и скоростей в бассейне печи являются основными технологическими факторами, обеспечивающими эффективность процесса.

3. Для исследования основных конвективных потоков внутри бассейна электрической стекловаренной печи была построена модель в масштабе 1:10. На основании теории подобия и основных методов физического моделирования была подобрана моделирующая жидкость и определены условия моделирования. Данная модель позволяет моделировать поля температур и скоростей внутри варочного бассейна печи сопротивления с электродами, установленными горизонтально в боковых стенах.

4. При помощи метода физического моделирования проведена серия экспериментов, имевшая целью выяснение распределения температур и скоростей внутри варочного бассейна электрической стекловаренной печи

Харовского стекольного завода. Сравнения результатов моделирования (поля температур) с измерениями на реальном объекте показали адекватность физической модели. Профили температур на печи и на модели в выбранном масштабе температур отличались менее чем на 5 %.

5. Рассмотрено влияние основных технологических параметров (распределения мощностей на электродах, вылета электродов и пр.) на однородность распределения температур внутри варочного бассейна печи. Показано, что изменение вылета электродов электрической стекловаренной печи в сторону увеличения влияет на тепловую обстановку внутри печи, увеличивая степень однородности температурного распределения. Уменьшение вылета электродов ведёт к уменьшению однородности распределения температуры по бассейну, причём сильнее всего реагирует на это именно верхний, приповерхностный слой.

6. Рассмотрено влияние геометрических характеристик бассейна - высоты порога - на гидродинамическую и тепловую обстановку внутри печи, а также на распределение мощности по электродам. Показано:

a. В модели изменение высоты порога в диапазоне высот порога от 10 до 30 мм не влияет на характер распределения мощности по рядам электродов.

b. Увеличение высоты порога изменяет распределение температур по глубине бассейна и приводит к смещению температурного максимума ближе к поверхности модели в сторону проточной торцевой стены.

c. Также от высоты порога зависит и гидродинамическая обстановка внутри печи. Для всех рассмотренных высот порога доля объёмного расхода выработочного потока остаётся постоянной, и составляет около 4 %. Найдена высота порога (20 см), обеспечивающая высокую однородность времени пребывания внутри бассейна печи.

7. Анализ картины распределения скорости внутри варочного бассейна печи (на модели) позволил определить зоны наиболее интенсивного износа

огнеупорной кладки. Основными причинами износа являются высокая скорость обтекания стен расплавом, и высокая температура расплава вблизи стены. При анализе износа огнеупора на реальной печи области наиболее высокого износа подтвердились. Очевидно, что износ огнеупора в данных областях зависит от скорости обтекания. На основании анализа картины распределения потоков и распределения температур, предложены меры по уменьшению износа огнеупорной кладки - изменение вылета отдельных электродов (№ 4,8,12 до 700 мм) и высоты порога до 200 мм.

8. На основании полученных данных по распределению скоростей внутри варочного бассейна, предложены меры по уменьшению обратного потока из выработочного в варочный бассейн, что позволит повысить качество производимой продукции. Рассчитаны минимальные значения времени пребывания в варочном бассейне и получена их зависимость от высоты порога.

9. Проведён анализ процессов превращения в варочном бассейне, рассматривая стекловаренную печь, как химический реактор. Получено изменение степени превращения по линии тока и движению частиц в бассейне. Определено влияние размера частиц на скорость процесса.

10. Для состава шихты, использующейся на Харовском стекольном заводе рассчитаны величины времени полного растворения зёрен песка.

11. Предложена оптимальная конфигурация бассейна для обеспечения полного растворения зерен песка указанного размера (высота порога 200 мм). Также предложен оптимальный вылет электродов (700 мм) для снижения скорости разрушения кладки печи, и повышения скорости варки (повышения однородности распределения времени пребывания в бассейне).

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Севастьянов Р.И., Красавин A.B. Исследование конвективных потоков стекломассы в электрических стекловаренных печах на физических моделях. //Процессы и методы технологии неорганических веществ. Сб. научных трудов. -Вып. 180. -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. -2005.-С. 119-126.

2. Красавин A.B. Картина износа бакора в электрической печи. //Процессы и методы технологии неорганических веществ. Сб. научных трудов. -Вып. 180. -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. -2005. -С. 112-118.

3. Красавин A.B. Особенности износа бакора в электрических печах. //Матер. Междунар. Конф. «Стекловарение XXI». -Владимир. -2002 г.

ООО «ВНИПР» 127644, Москва, Клязьминская ул., д.15 (495) 486-80-76 зак_М|1270 от 04.05.2006 г. тираж 100 экз

»1 037e

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Классификация стекловаренных печей.

1.2 Основные этапы стекловарения.

1.3 Оценка эффективности работы оборудования.

1.4 Структура потока в печах для производства стекломассы.

1.5 Современные представления о физико-химических превращениях в стекловаренных печах.

1.6 Износ огнеупорных стен печи.

В нашей стране стекольная промышленность за последние 20-30 лет развивалась темпами, значительно уступающими темпам роста других отраслей химической промышленности. Первые работы, посвященные электрическим стекловаренным печам, появились в середине 40-х годов. Развитие пламенных печей, широкое использование жидкого топлива, а, впоследствии и природного газа, существенно ослабило интерес к электрическим печам, ограничив их использование областями малых высококачественных стёкол, оптических, технических, и пр. Теперь, в наше время встаёт вопрос о повышении эффективности стекловаренных печей, об оптимизации всей производственной схемы. Энергоресурсы дорожают, и изменений в ближайшее время не предвидится, а нефти становится всё меньше. Поэтому, наряду с природным газом, электричество является одним из наиболее перспективных энергоресурсов для стекольной промышленности. КПД пламенных печей низок из-за косвенного, опосредованного нагрева расплава, из-за больших потерь тепла с дымовыми газами. Использование электрических печей в нашей стране ограничено, прежде всего, отсутствием твёрдых знаний о внутренних процессах, свойственных именно электрическим печам. Химию стеклообразования мы знаем довольно точно, условия теплообмена можем рассчитать, однако гидродинамику, перемешивание при помощи естественной конвекции пока мало кто принимает во внимание. За границей подобные работы уже в самом разгаре, а у нас таких работ очень мало, тем более сейчас. Кроме некоторой личной заинтересованности в успехе данной работы, автором владела и мысль о продвижении науки вперёд, как это не высокопарно звучит. Таких больших, полностью электрических печей в нашей стране больше нет. Данная печь - единственная, после того, как в Алтайском крае завод остановился. Однако, производительность этой печи - 30 тонн/сутки -является невысокой по сравнению с пламенными печами. Сам принцип проектирования электрических печей достался нам по наследству от пламенных, потому на вопрос о причине выбора именно таких геометрических характеристик печи ответа зачастую не дают. В прошлых кампаниях печь работала около 8-10 месяцев, в то время как пламенные печи работают несколько лет. Напрашивается вывод о необходимости усовершенствования технологического режима работы агрегата.

Актуальность данной работы определяется возможностью получить агрегат, имеющий возможность производить стекло заведомо лучшего качества, чем пламенные печи, причём имеющий возможность работать более эффективно, с точки зрения потребления энергии.

Подобные работы в широком объёме проводились для пламенных печей, однако принципиальное отличие в способе нагрева не даёт возможность использовать эти данные в электрических печах. С точки зрения науки, данная работа, на взгляд автора, даёт возможность ещё немного углубить наши познания в области течения вязких расплавов, коим является расплав стекломассы, и даёт возможность другим авторам пройти несколько дальше и глубже в понимании основ процесса стекловарения для совершенствования имеющихся технологий до мирового уровня. Повторюсь, в Голландии, Германии, Чехии, США подобные исследования ведутся, однако в нашей стране теперь предпочитают не развивать собственные технологии, а закупать западные.

Как уже сказано выше, дальновиднее было бы не импортировать продукцию, а импортировать технологии, и далее, не импортировать технологии, а создавать собственные, независимо от других стран. Быстрый способ обогащения не всегда самый верный - любой процесс надо рассматривать во времени. А кроме потребления существуют ещё и другие занятия, например, созидание.

В данной работе мы будем рассматривать стекловаренную печь, как химический реактор, в котором создаются определённые условия для протекания химических и фазовых превращений. Особенностью такого реактора является интенсивный точечный подвод энергии, осуществляемый через отдельные электроды.

Поэтому, при изучении процессов в стекловаренной печи, необходимо определить структуру потока, распределение температур, и, как следствие, результат протекания в таком реакторе фазовых и химических превращений исходного сырья (песок, сода, известь) в продукты реакции.

Какие выводы могут следовать из этого опыта? Во-первых - подобное распределение мощности по рядам является функцией не только вылета электродов, но зависит и от других параметров — тепловая обстановка в бассейне, геометрия, наличие посторонних предметов.

Заводская печь имеет в нижней своей части изоляцию, покрывающую межэлектродные брусья от дна почти до нижнего уровня электродов. Возможно, наличие изоляции обуславливает более высокую температуру в нижней части бассейна, что и даёт такие распределения мощностей. Ведь на модели и не удавалось достичь более высокого значения мощности нижнего ряда по сравнению со средним, из-за соответствующего распределения температур — нижняя часть сильнее остывает. Возможно, в комплексе с обломом ряда электродов, подобное распределение мощности и достижимо.

Попробуем суммировать вышесказанное и в конце главы сделать основные выводы:

• Изменение вылета электродов в сторону увеличения влияет на тепловую обстановку внутри печи, увеличивая степень однородности температурного распределения. Уменьшение вылета электродов ведёт к уменьшению однородности распределения температуры по бассейну, причём сильнее всего реагирует на это именно верхний, поверхностный слой.

• Изменение высоты порога в диапазоне высот порога от 10 до 30 мм (в данных температурных условиях) не влияет на характер распределения мощности по рядам.

• Распределение мощности по рядам является функцией не только вылета электродов или их нагрузки, но зависит и от других параметров -тепловая обстановка в бассейне, геометрия, наличие посторонних предметов.

3.3 Конструктивные параметры печи

В данной части работы также рассмотрены взаимные влияния поля температур на структуру потока, а также влияние конструктивных параметров (порог перед протоком) на распределение температур и на структуру потока в бассейне. Можно разделить эту часть на исследование поля температур, и на исследования структуры потока (гидродинамики) внутри бассейна, а также основные выводы о связи поля температур и структуры потока внутри бассейна.

В ходе исследований были получены данные о распределении температур в бассейне модели при различных условиях. Так как объём данных полученных в этих опытах не позволяет представить его полностью на страницах этой работы, то приведём сводную таблицу (см. приложение) и график распределения температуры по глубине.

По оси абсцисс указана глубина модели, по оси ординат указана температура. Для удобства можно показать изменение температуры по глубине и поменяв оси графика, но, в целом, это не меняет картины. На данном графике собраны данные по термопарам (Т1-Т7), установленным в среднем продольном сечении по длине модели. Данный график не даёт представления о распределении температур по продольному сечению, для понимания всего «семейства кривых» необходимо к каждому такому графику представить пояснительную записку с указанием мест ввода термопар.

-♦-то -»-Т1 Т2 ТЗ —Ж—T4 —•— Т5 -Ж-Т6 -T7

Рис. 3.9. Усредненное распределение температур по глубине бассейна

Как видно, использование таких графиков не вполне удобно, особенно, если надо представить распределение температур не только по глубине, но и по длине модели. В связи с этим, было предложено использовать другой способ представления данных, основанный на понятии изотерм. По оси абсцисс отложена длина модели, по оси ординат высота в мм. Температуры указаны как линии изотерм - линии равной температуры. На рис 3.10. - 3.12. показаны примеры изотерм центрального продольного сечения для моделей с разной высотой порога.

И-90 -»-И-91--И-93 К И-95 Ж И-96 И-97 -Н—И-98 -И-100 -Поверхность -Порог 20 мм

-И-90 —И-91 И-93 -*-И-95-Поверхность -•-И-96 -»-И-96-Порог 10 мм

Рис. 3.11. Изотермы порог 2

Рис. 3.10. Изотермы порог 1 без средних электродов

300 200

Длина модели, мм

Длина модели, мм

300 200

Длина модели, мм

-И-90 —И-91

И-93 X И-95

Поверхность

И-97

И-97 —порог 30 мм

Рис. 3.12. Изотермы порог 3

Рис ЗЛО. - 3.12. Изотермы по длине модели при различной высоте порога. Порог 1 - высота 10 мм, порог 2 - высота 20 мм, порог 3 - высота 30 мм.

Также для случая с порогом 1 были построены изотермы по усреднённым значениям температур для каждой точки. Всего было использовано 4 измерения температуры по глубине бассейна в центральном продольном сечении модели. В легенде {спискеусловных обозначений - Excel) для каждого графика указаны обозначения линий изотерм, где число указывает на значение температуры, например И-90 означает линию постоянной температуры, равной 90° С.

300 200

Длина модели, мм

-♦-И-90 —И-91--И-93 -Х-И-95 Ж И-96 -•-И-97 -порогЮ мм

Рис. 3.13. Изотермы для порога 1. Статитстика

Распределение температур для высоты порога 10 мм, построенные по усреднённым значениям температур

Кроме того, термопары устанавливались не только по центральному сечению модели. Термопары устанавливались в нескольких сечениях, соответственно, получено распределение температур по объёму модели. п г 120

300 200

Длина модели, мм

И-90 -•—И-91--И-93-*-И-95 Ж И-96 • И-97 —(—И-98-И-99-И-100--И-101 -Порог 10 мм

Рис. 3.14. Изотермы по продольному сечению 3

Очевидно, графики распределения температур по глубине для этого не подойдут - слишком много кривых на графике - не представительно. Одним из решений этой задачи может стать построение изотерм для отдельных продольных и поперечных сечений. Так, распределение температур по всему объёму можно представить в виде 9-ти семейств изотерм, построенных для разных сечений.

0 I I I I I I I I I I I

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Ширина, мм

И-90 —И-91--И-93 j* И-95 -Ж-И-96 -«-И-97 —Н-И-98-И-99 —И-100 -»~И-101 -Поверхность

Рис. 3.15. Изотермы для поперечного сечения 5

Для экономии места здесь представлено лишь 2 рисунка - продольное и поперечное сечения. Остальные графики, равно как и представленные ранее, указаны в приложении в большем масштабе для удобства использования. Во всех случаях по оси абсцисс и по оси ординат отложены линейные размеры модели в мм, для сечений по ширине - длина и высота, для сечений по длине - ширина и высота соответственно.

Следует отметить, что в поперечных сечениях температура вблизи стен не измерялась, и мы можем говорить о температурах только внутри измеряемой области, распределение температур вблизи стен нам не известно. Это утверждение относится лишь к поперечным сечениям, в то время как для продольных сечений распределение температур у стен известно, т.к. температуры у стен замерялись.

Кроме того, были предприняты попытки представить распределение температур более явно, так сказать, визуализировать, - «чтобы всё видно было.»

В принципе, для визуального представления этот способ, конечно удобен, однако, при попытках претворения его в жизнь автор столкнулся с некоторыми затруднениями технического характера. К тому же, при более пристальном рассмотрении данного способы представления данных стало очевидным, что в дальнейшей работе он сводится всё к тем же профилям температур по сечениям - изотермам, однако возможен произвольный выбор сечения, и пр.

Рис. 3.16. Распределение температур по объёму модели в первом, линейном приближении.

Разными цветами показаны различные поверхности равной температуры. График построен с применением простой линейной интерполяции, поэтому поверхности изотерм не замкнуты, а линии, соединяющие отдельные точки, прямые.

В принципе, мы видим картину распределения температуры по глубине модели, соответствующую картине распределения температуры в пламенных стекловаренных печах, представленной в литературе. При изменении высоты порога, для высоты порога более 20 мм, мы наблюдаем разделение бассейна модели на две тепловые зоны по длине печи (порог словно «поджимает» конвективные потоки и формирует иную картину распределения температуры). Кроме того, представленные данные позволяют сказать о том, что печь разделена ещё и в продольном направлении на две части. Таким образом, при использовании низкого порога мы имеем две тепловые зоны, условно симметричные относительно плоскости, проходящей через центральную продольную ось печи. При увеличении высоты порога, бассейн разделяется уже на четыре части вертикальными плоскостями, проходящими через центральные продольную и поперечную оси печи.

При рассмотрении рисунков 3.10 - 3.16 видно, что наиболее нагретые участки поверхности находятся ближе к стенам модели, центральная же часть сравнительно меньше нагрета, максимум температур по поверхности приходится на область вблизи проточной торцевой стены, ближе к стенам печи (рис 3.16.).

При анализе результатов опытов получены следующие выводы:

• В течение всей серии опытов отмечено разделение модели по центральному продольному сечению на две части (имеется в виду тепловая картина).

• Увеличение высоты порога изменяет распределение температур по глубине бассейна и приводит к смещению температурного максимума ближе к поверхности модели в сторону проточной торцевой стены.

• На самой проточной стене наблюдается сильный градиент температуры по высоте, и в целом, область над порогом, от проточной стены до порога более нагрета, чем остальной бассейн.

• Проточная торцевая стена в верхней части сильно нагрета по сравнению с боковыми стенами, больше всего нагрета область на глубине от 20 до 40 мм от поверхности, что обуславливается характером гидродинамической обстановки в модели.

Далее идёт рассмотрение собственно гидродинамики - структуры потока, поля скоростей внутри бассейна. При этом рассматриваются связи между температурным полем, полем скоростей и распределением тепловыделения при изменении вылета и фазировки отдельных электродов.

Выходит, в данной части автор собирает все полученные данные, и предпринимает попытку рассмотреть их совокупность, чтобы уловить основные закономерности, присущие данному химическому реактору -стекловаренной печи сопротивления.

Прежде всего, необходимо разделить проводимые опыты, классифицировать их, для удобства дальнейшего анализа результатов. Итак, по способу ввода индикатора опыты делились на:

• Опыты с непосредственным вводом индикатора в бассейн тонким столбиком окрашенной жидкости от дна модели и до самой поверхности загрузочного холодильника.

• Опыты с вводом индикатора на «поверхность» модельной жидкости - в отверстия загрузочного холодильника.

Для опытов с непосредственным вводом индикатора целью является определение гидродинамической обстановки внутри модели при базовом режиме. Поэтому существенными деталями являются точность ввода столбика, его вертикальное положение, прогрев всего столбика индикатора для устранения погрешностей определения скорости, возникающих из-за разной температуры индикатора и модельной жидкости, и вклада разности плотностей жидкостей с разной температурой. Для опытов с вводом индикатора на поверхность важен путь окрашенного объёма внутри модели, эти опыты имитируют загрузку помеченных сырьевых материалов. Целью таких опытов являлось определение возможности «проскока» не прореагировавшей шихты в выработочный канал, условия возникновения «проскока», распределение помеченного материала внутри бассейна или по поверхности.

Также, как и в опытах с измерением температуры, скорость измерялась при различной высоте порога, для определения влияния высоты порога на гидродинамическую обстановку в печи. Кроме этого, проводились опыты без загрузочного холодильника, как имитация аварийного режима. Результаты этих опытом представлены в приложении. Ниже приведены некоторые выводы и обобщения по результатам серии опытов измерения скоростей.

Анализируя полученный материал, можно отметить, что во время опытов не было собрано достаточно достоверных данных для полного описания распределения скоростей в объёме модели, что явилось следствием вышеупомянутых недостатков самого метода измерений. Соответственно, разговор дальше пойдёт преимущественно о центральном продольном сечении, как о наиболее изученном сечении модели, как по гидродинамическим данным, так и по температурному распределению. Однако стоит отметить, что при исследовании скоростей и температур вблизи стенки было показано (см. приложение), что для областей потока, лежащих на расстоянии, большем, чем 5 мм от боковой стенки распределение скоростей подобно распределению скоростей в центральном продольном сечении модели, меняются лишь абсолютные значения скоростей. Поэтому, для области, лежащей на указанном расстоянии от боковых стенок полученные результаты справедливы с поправкой на изменение абсолютных значений скоростей.

Итак, на рисунке 3.17. представлено распределение скоростей по центральному продольному сечению модели. (Высота порога - 10 мм. Базовый режим. Указаны лишь направления движения потоков без указания значений скоростей).

Центральное продольное сечение модели. Вылет электродов 60 мм

Рис. 3.17. Направления движения потоков в продольном сечении модели

Точками на рисунке отмечены электроды. Выработочная часть находится слева. Загрузка равномерная, вылет 60 мм.

Можно отметить также, что направление движения по ширине модели на расстояниях от боковых стен более 5 мм менялось мало, и центральное продольное сечение можно считать определяющим для всей центральной области модели в плане скоростей. Однако на области вблизи стен это утверждение не распространяется.

Для некоторого упорядочивания полученного материала внутри бассейна модели были произвольным образом выбраны некоторые точки, для которых вычислялось значение скоростей потоков жидкости. На данном этапе эти точки нельзя считать ключевыми, или определяющими что бы то ни было, однако, думается, впоследствии некоторые из них могут быть использованы для определения базового режима. На рисунке 3.18. эти точки нанесены на профиль скоростей по продольному сечению для того, чтобы принцип, по которому выбирались эти точки, был более понятен.

Центральное продольное сечение модели. Вылет электродов 60 мм

Рис. 3.18. Центральное продольное сечение модели с нанесёнными точками замера скорости

В принципе, скорости можно замерить в любой точке сечения бассейна, однако, для того, чтобы определить наиболее значимые потоки внутри варочной части, их число было ограничено 21 точкой (в первом приближении). Ниже, в таблице 3.5. указаны координаты этих точек на плоскости продольного сечения относительно центра координат, коим был выбран правый нижний угол варочного бассейна (угол, ближайший к точке

Q). Под длиной подразумевается расстояние от центра координат до точки по горизонтали, под высотой - по вертикали.

1. Под ред. И.И. Китайгородского. «Технология стекла.» Москва. 1967г.

2. Станек Я, «Электрическая варка стекла» М. Лёгкая индустрия 1979 г.

3. Бутт J1.M. Поляк В.В. «Технология стекла.» Стройиздат 1971г.

4. Ю.С. Зайцев и др. «Испарительное охлаждение стен стекловаренных печей.»

5. Гинзбург Д.Б. «Стекловаренные печи.» Ленинград 1948 г.

6. Под ред. Н.Ю. Тайца «Расчёты нагревательных печей.» Киев 1958 г.

7. Гущин С.Н. «Теплотехника стекловаренных печей.» Екатеринбург 1998 г.

8. Лаптев В.И «Электротермические агрегаты для варки стекла.» М. 1986 г.

9. Шеффер Н.А. Хойзнер К.Х. «Технология стекла.» 1998г. Ю.Безбородов М.А. «Синтез и строение силикатных стёкол» Изд-во Наукаи техника. Минск, 1968 г. П.Кирпичёв М.В., «Теория подобия.» Изд. АН СССР, 1953 г.

10. Кирпичёв М.В., Михеев М.А., «Моделирование тепловых устройств.» М. Изд-во АН СССР, 1936 г.

11. Гухман А.А., «Введение в теорию подобия.» М. Высшая школа, 1963 г.

12. Гухман А.А., «Применение теории подобия к исследованию процессов тепло и массообмена». М. Высшая школа, 1967 г.

13. Веников В.А., «Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики)» М. Высшая школа, 1976 г.

14. Кутатладзе С.С., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А., «Моделирование теплоэнергетического оборудования»., М.Л. Энергия, 1966 г.

15. Лыков А.В. «Тепломассообмен. Справочник.» Энергия. М. 1978 г.

16. Лыков А.В. Берковский Б.М., «Конвекция и тепловые волны» М. 1974 г.

17. Савина И.М. « Влияние системы ДЭП в квельпункте на конвекцию стекломассы в высокопроизводительных печах листового стекла» Дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. ГИС. М 1984 г.

18. Пчеляков К.А. « Комплексное исследование потоков стекломассы в ванных печах для выработки стеклотары» Автореф. Дисс на соискание уч. ст. канд. техн. наук. МИХМ, М. 1969.

19. Трунова Т.К. «Моделирующая жидкость для исследования потоков стекломассы в электростекловаренных печах» Сб. Электронная техника, сер. Материалы 1970 в. 4.

20. Велев Д.С. « Исследование на модели коэффициентов торможения заградительных устройств в ванных печах», Стекло и керамика 1959, № 6, с. 27

21. Тэн Б.Я. « Интенсификация процесса стеклообразования при варке натрийсиликатного стекла в условиях принудительной конвекции расплава». Дисс на соискание уч. ст. канд. техн. наук.

22. Соколов А.А. «Исследование потоков стекломассы с помощью естественной радиоактивности калия», Стекло и керамика 1965, № 5, с. 7

23. Севастьянов Р.И. и др. «Влияние порога в квельпункте на теплообмен и движение стекломассы в варочном бассейне печи», Стекло и керамика 1973, №2, с. 4

24. Севастьянов Р.И. и др. «Механическое перемешивание стекломассы в печи цветного листового стекла», Стекло и керамика 1982, № 8, с. 11

25. Шейнкоп И.М. и др. «Моделирующая жидкость для исследования движения стекломассы в газоэлектрических печах», Стекло и керамика 1966, №9, с. 7

26. Павлов B.C. «Влияние заградительных устройств печей листового стекла на температурную однородность стекломассы», Стекло и керамика 1971, № 11, с. 6

27. Амплеев В.А. «Применение термозонда для измерения температуры расплавленной стекломассы», Стекло и керамика 1972, № 7, с. 11

28. Павлов B.C. «Влияние конвективного теплообмена в печах листового стекла на температурную однородность стекломассы», Стекло и керамика 1975, № 5, с. 8

29. Севастьянов Р.И. «Влияние дополнительного электроподогрева на конвекцию стекломассы в ванных печах листового стекла», Стекло и керамика 1977, № 5, с. 10-11

30. Севастьянов Р.И. «Конвекция стекломассы в печах с уменьшенной глубиной студочных бассейнов», Стекло и керамика 1985, № 2, с. 5

31. Савина И.М. «Массообмен стекломассы при повышенных температурах дна варочного бассейна», Стекло и керамика 1988, № 10, с. 9

32. Прохоров Б.Н. «Особенности электрической варки обесцвеченных натрий-кальций-силикатных стёкол», Стекло и керамика 1989, № 1, с. 7

33. Панкова Н.А. «Экспериментальное исследования восходящих потоков стекломассы в ванных печах», Стекло и керамика 1992, № 7, с. 3-4

34. Панкова Н.А. «Гидравлический режим стекловаренной печи и его технологическая роль», Стекло и керамика 1993, № 5, с. 6

35. Костанян К.А. «Варка стекла в электрической гарнисажной печи прямого нагрева», Стекло и керамика 1997, № 5, с. 7-8

36. Красавин А.В., Севастьянов Р.И., «Картина износа бакора в электрической печи, производительностью 30 тонн/сутки.» доклад на конф. «Стекловарение 2002». Владимир.

37. Красавин А.В., Севастьянов Р.И., «Исследование конвективных потоков стекломассы в электрических стекловаренных печах на физических моделях.»

38. Академия наук СССР., «Основы теории подобия и моделирования. Терминология», «Наука», М. 1973

39. Дж. Перри. Справочник инженера-химика. М., Химия. 1969. 640 с.

40. Бартковская Т. В. Разработка технологии варки стекла с повышенным содержанием боя :: Автореф. дис. канд. техн. наук : 05.17.11/ НИИ стекла.- М., 1989.- 16 с.

41. Матвеев В. А. Разработка эффективной энерготехнологической системы с получением электрической и тепловой энергии за счет теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей : Дис. канд. техн. наук : 05.17.11 -М., 1995.-255 с.ил

42. Марков С. И. Особенности процесса варки стекла из гранулированных шихт, приготовленных различными методами : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : 05.17.11 Гос. н.-и. ин-т стекла. -М., 1990

43. Богомольный М. Я. Разработка и внедрение рациональных способов тепловой изоляции элементов кладки стекловаренных печей : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : 05.17.11 Гос. НИИ стекла -М., 1989-17 с

44. Хирш П. Интенсификация процессов стеклообразования при тонкослойном стекловарении в печи с вращающейся ванной : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : 05.17.11 Моск. хим.-технол. ин-т им. Д. И. Менделеева -М., 1989

45. Ruud G.C. Beerkens "Analysis of Advanced and Fast Fining Processes in Glass Melts", TNO, Netherlands, 2000