автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение струйных теплоутилизационных устройств для нагревательных термических печей металлургического производства

! Ч I' ^

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ВЕЧЕРНИЙ МЕТАЛЛУРГИ Ч ЕСКИЯ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ХАРИТОНОВА Лариса Петровна-

УДК 621.783.2:662.957.8

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЁ СТРУЙНЫХ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ для' НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.16.02 "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1989

Работа выполнена в 'лаборатории металлургической теплотехники и новых технологий науно - производственного объединения "Волгоградский научно - исследовательский институт технологии машиностроения"

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор А. Г. ЗЕНЬКОВСКИЙ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Ü.M. С0С0НЮ1Н, кандидат технических наук А.Е. АНДРЕЕВ

Ведущее предприятие

Волгоградский металлургический завод "Красный Октябрь"

Защита состоится "17 " 0(Л._1990 г. . в час.

на заседании специализированного совета К - 063.07.01 по присуждению, ученой степени кандидата технических наук при Московском ордена Трудового Красного Знамени вечернем металлургическом институте по адресу : 111250, Москва, Е - 250, Лефортовский вал,26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "28 " ^М сер ¡та, 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

С. С. ВАСИЛЬЕВА

г i общая характеристика работы

.., - Актуальность работы. Выполнение поставленных "Основными на -- правлениями экономического и социального развития СССР на 19861950 года и на период до 2000 года" задач по экономии органического топлива, снижению энергоемкости, более широкому внедрению ресурсосберегающих техники и технологии, а. также более полному использованию вторичных ресурсов в металлургическом производстве ' неразрывно связано с повышением эффективности тепловой работы пламенны: нагревательных и термических печей, потребляющих огромное количество топлива, за счет использования тепла уходящих, продуктов сгорания. Однако применение существующих теплоутилизационных устройств сдерживается вследствие их низкой эффективности, недостаточной стойкости, значительной массы и габаритов.

Большие возможности открываются в результате применения струйных теплоутилизационных устройств. Их конструктивной особенностью является то, что теплоносители подаются на теплообменную поверхность через специальные решетки в виде систем струй. Это позволяет значительно интенсифицировать теплообмен и повысить эффективность работы. Однако несмотря на перспективность внедрение таких струйных теплоутилизационных устройств сдерживается из-за присущих им конструктивных недостатков. Не в полной мере изучены особенности тепловой работы и аэродинамическое сопротивление, а также их взаимосвязь с конструктивными и режимными параметрами. Нельзя считать законченной работу по созданию методики кх расчета.

В связи с этим разработку и внедрение струйных теплоутилизационных устройств, имеющих большую эффективность при малых затратах энергии ка прокачку теплоносителей, а также более полное изучение теплообмена в-них следует считать актуальной.

Цель Еа-боты. Разработка, исследование и внедрение в промышленность нсвых конструкций струйных теплоутилизационных устройств,име-

ющих большую эффективность и обеспечивающих снижение удельного расхода топлива.

Научная новизна работы. Разработаны методики конструктивного и поверочного расчетов струйных рекуператоров различных типов. Разработана математическая модель температурного поля теплообменной стенки при её обдуве плоскими импактными струями. Впервые получены уравнения для определения соотношения объем нагреваемого воздуха -поверхность теплообмена струйных рекуператоров любой конструкции при заданном аэродинамическом сопротивлении воздушного тракта, позволяющие численно оценить влияние на это соотношение диаметра отверстий, величины отбытой поверхности, коэффициента теплоотдачи по дымоеому тракту, температур дыма и подогрева воздуха, схемы движения теплоносителей, соотношения расхода дымовых газов к расходу воздуха. Получены аналитические зависимости расчета температур кладки и теплового потока к теплообменной стенке, которые могут служить для оценки влияния глубины и степени развития кладки дымового канала, степени черноты дымовых газов, теплообменной стенки и кладки на теплообмен в рекуператоре. Впервые получены экспериментальные зави-. симости теплообмена и аэродинамического сопротивления в струйных рекуператорах с натеканием воздух"1, в виде системы плоских струй.

Практическая ценность работы. Разработаны новые конструкции струйных рекуператоров различных типов с натекайием воздуха в виде системы осесимметричных и плоских струй на плоскую и вогнутую поверхности, имеющие большую эффективность, требующие меньших затрат энергии на прокачку теплоносителей, и обеспечивающие снижение удельных расходов топлива до ЗОЙ. Получены зависимости для расчета температур кладки дымового канала и теплового потока к теплообменной стенке, а также уравнения, позволяющие оценить влияние режимных и конструктивных параметров на интенсивность теплообмена и аэродинамическое сопротивление, на основе которых разработаны методики расчёта различных типов струйных рекуператоров. Результаты работы исполь-

зованы при разработке типовых конструкций струйных рекуператоров.

Внедрение струйных теплоутилизационных устройств на методической печи стана "970" Волгоградского металлургического завода "Красный Октябрь" позволило получить годовую экономию 402,б5тонн условного топлива и обеспечило реальный экономический эффект 24,671 тыс. рублей в год.

Внедрение двухходовых струйных рекуператоров с гофрированной теплообменной стенкой и щелями вдоль образующих труб на Лозовском куэнечно-механическом заводе ПО "ХТЗ" позволило в результате эконо-

ч о

мии 159,5 тыс. м природного газа и 37,25 тыс. м технической воды получить на .одной щелевой печи экономический эффект 4Д84 тыс. рублей в год. Положительные результаты внедрения струйных теплоутилизационных устройств позволили разработать программу по внедрению струйных рекуператоров на заводах Минавтосельхозмаша (Чебоксарском заводе промышленных тракторов, Липецком и Харьковском тракторных и других). Эта программа является составной частью Основных чро-приятий комплексной программы по модернизации и замене топлнвопо -требляющего оборудования в металлургических цехах отрасли.

Апробация_работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных научно-технических совещаниях "Улучшение нормирования расхода топлива на нужды металлургического производства машиностроительных министерств" (Волгоград, 1960 г.), "Повышение технического уровня нормирования расхода огнеупорных изделий и материалов для ремонта тепловых агрегатов металлургического производства машиностроительных министерств" (Волгоград, 1962 г.); на секции 'Теплообмен в промышленных установках" Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы электротехнологии" (Ш Бенар-досовские чтения), (Иваново, 1987 г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Технология и оборудование для новых прогрессивных методов химико-термической обработки деталей тракторов и сельскохозяйственных машин" (Волгоград, 1988 г.); о'-раслевзм с£МУ.н?.ре

"Проблемы организации работы по экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях Минсельхозмаша" (Москва, 1988 г.); отраслевом семинаре-совещании "Повышение технического уровня технологической части проектов при проектировании производств термической обработки" (Волгоград, 1985 г.); областных научно-практических конференциях "Творческий поиск молодых учёных и специалистов - ускорению научно-технического прогресса" (Волгоград, 1987 г.); "Экономное и рациональное использование природного газа на предприятиях области" (Волгоград, 1987 г.); "Молодые учёные и специалисты Волгоградской области - ускорению социально-экономического развития" (Волгоград, 1986 г.); "Инициатива и поиск молодых - ускорению научно-технического прогресса" (Волгоград, 1988 г.); научно-технических конференциях Московского ордена Трудового Красного Знамени вечернего металлургического института в 1984, 1986, 1987 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, включая 7 авторских свидетельств на изобретения.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов,.списка литературы из 133 наименовании и приложений. Работа изложена на ibO страницах машинописного текста и иллюстрирована 51 рисунком и 7 таблицам^. Приведено Ю приложений с таблицами экспериментальных данных, программами расчетов на ЭВМ и документами по внедрению.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ методов утилизации тепла уходящих дымовых газов промышленных печей, а также обзор конструктивных схем и тепловой работы существующих струйных рекуператоров.

По конструктивным признакам струйные рекуператоры можно условно разбить на ряд групп: по количеству ходов теплоносителей на одно- к многоходовые; с натзканием теплоносителей в зидо системы 'ст^уй как отдельно с воздушной или дымовой, стороны, тек и с обеих;

'о гладкой воздухоподающей решеткой и имеющие специальные приспособления для устранения "сносящего потока"; с гладкой поверхностью теплообмена и с профилированной.

Несмотря на многообразие струйных рекуператоров их конструкциям присущ ряд недостатков, а возможности струйного обдува до конца не исчерпаны.

В нашей стране и за рубежом выполнен ряд работ по изучению теплообмена при струйном натекании, в том числе посвященных исследованию тепловой работы струйных рекуператоров. Многообразие конструкций струйных рекуператоров не позволяет получить единых зависимостей, которые обеспечивали бы расчет требуемых параметров при проектировании новых конструкций. Весьма ограничены сведения об аэродинамическом сопротивлении систем с малой величиной открытой поверхности, а имеющиеся в литературе зависимости в ряде случаев значительно отличаются от экспериментальных данных. Поэтому при разработке новых конструкций требуется проведение специальных исследований по изучению тепловых и аэродинамических характеристик м их взаимосвязи.

При изучении литературных источников не было обнаружено сведений о конструкциях и тепловой работе рекуператоров с подачей воздуха в виде системы плоскопараллельных струй, которая также может быть использована для интенсификации теплообмена и повышения эффективности рекуператоров.

В литературе нет сведений о влиянии различных конструктивных и ре:*имных параметров на температуру подогрева воздуха. Практически отсутствуют данные по аэродинамическому сопротивленца систем плоских струй с малой величиной открытой поверхности при малых числах

а также данные по затратам мощности на прокачку теплоносителя и её связи с теплообменом.

В связи с этим перёд данной работой ставились следующие задачи: разработать перспективные конструктивные схемы струйных рекуператора с натеканием плоских и осесимметричных струй, отли'^м-илсп гтгл-

в

Стотой, надежностью и высокой эффективностью; разработать опытные модули струйных рекуператоров для исследования теплообмена и аэродинамических характеристик и установления функциональных зависимостей между конструктивными и режимными факторами и параметрами; разработать методику их расчета и схемы установки на печах; провести про-мыклянные испытания и внедрить предложенные конструкции; разработать типовые конструкции с целью их серийного применения в металлургическом производстве.

Вторая глава посвящена разработке перспективных конструктивных схем струйных рекуператоров. Конструкции рекуператоров разрабатывались на осноне анализа парка печей металлургического производства Минавто-еельхозздаиа для наиболее широко распространенных типов печей и .реальных условий производства. Разработать рекуператор, который удовлетворял бы всем требованиям, не удается, поэтому был предложен, ряд конструктивных схем струйных рекуператоров, на которые получены авторские свидетельства,

Дня установки в боровах может быть использован петлевой струйный рекуператор. Он содержит установленные в дымоходе наружные ¿У -образные короба, внутри подводящих и отводящих ветвей которых находятся перфорированные вставки, через отверстия которых воздух натекает на теплообменную поверхность короба. Вставки установлены последовательно друг"за другом, что обеспечивает многоступенчатость рекуператора.

Для установки над борова^.и или ь качестве'одной из стенок дымохода могут быть использованы следующие панельные рекуператоры. Рекуператор с 5-образными полостями состоит из короба с плоской тепло-ьоспринимающей поверхностью, крышки с патрубками подвода и отвода воздуха и внутренних перфорированных перегородок, делящих рекуператор на два (три или более) хода и образующих 5-образные полости, последовательное дзижопие ьозцуха в б -образных полостях и.многократное струйное натекание его'на тсглово::ир:пш( 'ающую стенку повыгаа-

ёт э(йфективность этой конструкции рекуператора. Указанное достоинство характерно и для рассмотренного выше петлевого струйного.

С целью использования преимуществ плоских струй и снижения влияния сносящего потока был разработан рекуператор с желобами. В нём воздух из раздающего короба поступает в зазоры мевду боковыми стенками рядом расположенных желобов, которые*образуют параллвльше сплошные щелевые сопла,и натекает на тепловоспринимающую поверхность. Далее, проходя вдоль желобов между рёбрами, которые могут быть расположены на тепловоспринимающей поверхности и служат для интенсификации теплообмена, нагретый воздух отводится через патрубок отвода.

При решении задачи интенсификации теплообмена с дымовой стороны была разработана конструкция рекуператора с гофрированной тепло-обменной стенкой, которая выполнена из соединенны« мевду собой дугообразных элементов, охватывающих воздухоподводящие трубы, проходящие по длине короба. Все трубы .с одного торца заглушены, а с другого - ввареш." в'трудную доску. В каздой трубе вдоль её образующей выполнена щель, обращенная к гофрированной тепдопере,чающей .стенкэ. Холодный воздух попадает в трубы и струями через щели натекает-на дугообразные элементы теплопередающей стенки. Разворачиваясь вдоль этих элементов и нагреваясь, воздух отводится из'рекуператора. В этой конструкции удается избежать сь*;шешя нагретого воздуха с холодна, а та к:'.; 6 коробления теплообменной стзнки под воздействием высоких температур. В данном рекуператоре также, как и в рекуператоре с желобами,исключено отрицательное влияние сносящего потека. Каждую конструкцию рекуператора можно собирать в блок из нескольких секций, соединяя их последовательно или параллельно.

Третья глава содержит описание экспериментальных установок.Тепловая работа опытных модулей рекуператоров с плоскими щелями (с желобами и с гофрированной 'теплообменной стенкой и шелти вдоль образующих труб) исследовалась на стендах, а рекуператора с осесиммот-

ричными отверстиями (с б -образными полостями)- на-опытной полуметоди-' ческой печи. Рассмотрена программа исследований и методика обработки экспериментальных данных. Проведена оценка погрешностей измерений.

В четвертой главе приведены математические модели температурного поля плоской теплообменной стенки при струйном обдуве. Наряду с достоинствами, присущими струйное натекянию, для него характерен и недостаток - неравномерность коэффициента теплоотдачи по теплообменной поверхности, что вызывает неравномерность её температурного поля. Для исключения температурных напряжений и, следовательно, обеспечения долгозечности конструкции рекуператора необходимо, чтобы перепад температур вдоль теплообменной стенки в направлении, перпендикулярном к струям, был бы мал.

В связи с этим определим распределение температур Т(х) в плоской стенке (считая её термически тонким телом) толщиной <£", одной стороной омываемой системой нормально натекающих и достаточно удаленных друг от друга плоских струй. С противоположной стороны стенка находится в дымовом канале, по которому проходят дымовые газы (плотность теплового потокафн-постоянна во времени и неизменна в направлении оси X). Примем за начало координат линию растекания струи, в которой X « 0. Разобьем расчетный участок О^Х^/Я стенки на элементарные объемы длиной X, шириной ¿и высотой При этом будем счи-

тать, что температура в каждом объеме постоянна и .равна Тст\ .

Определив экспериментально распределение температур Тот00 в теплообменной стенке толщиной 5 при определенных конструктивных и режимных факторах, можно найти распределение температуры воздуха по формуле

, XУ + -ТсгТ,<-2ТстУ/х # ( ! ,

где 1Гц^¿¿¿(¿ПщСщ),^ ; ¿^ , -длина и количество щелей.

л . if)

Определить распределение температуры стенки Тст = ^(х) ПР" е® толщине §J , отличной от той, при которой проводились эксперименты, можно по формуле:

Т=Р х2 g.nr ■ х2 (Тст?, J

Эта зависимость действительна для любого случая распределения температуры вдоль теплообменной стенки, то есть в случаях, когда температура стенки по ходу воздуха возрастает, убывает или на участке имеет место экстремум.

Температуру воздуха в уравнении (3) можно получить из формулы

т5ЫХ - ¿¿t • Тсс£ • х£ -ТвУ (xU£ - 2 ^• сЮ м

,BL " XUSC +2V^-CCB? ' V '

при этом температура воздуха на выходе с предыдущего (¿-го) участка принимается равной температуре воздуха на входе в последующий (¿+1) участок.

Пятая глава посвящена исследованиям тепловой работы струйных рекуператоров.

Согласно разработанным матрицам планирования для рекуператора с желобами были проведены 12 серий опытов, в каждом из которых определялись следующие основные параметры: дТв,E.MfF в ЗПБН_ симости от констру1стивных({), режимных

или

Re; Факторов.

По значениям параметров, получен;мм в экспериментах, рассчитаны коэффициенты уравнений"регрессии, которые являются математическими моделями изучаемых процессов в диапазонах: 2 4 8 и

13,3«^$ 80; S-0,04... 0,08м; & =0,001...0,003м; VySg416'7-" 1250 м^ч-м2).

Получены различные зависимости, в том числе вида

а/и,а%} д/с = cre'fofw3 s (5)

или лРа,А/0 = СЯеПХ%)(п^д (%)Пл ёп\ (*)

За определяющий размер в числах Л/и , Ей и Йв здесь и далее принимались ширина щели (диаметр отверстия), за определяющую температуру - температура выхода из щели (отверстия).

Эмпирические коэффициенты С и показатели степени соответственно составят, например, для формул (5-6):

велЯи-;ния.4 чина : У то С : п2 ; ; п4

О^д 2« • .8 0,1217 ,0,6065 0,1852 0,0466 -0*6652

А/и 2...8 4,8032 -7 0,5975 -0,8114 0,0486 0,3379

дРв 2...8 3,7 • 10" 1,4743 1,4049 0 -1,2107

¿¿А 2...8 5,2 • 10" -12 2,4789 1,3965 0 -2,1994

<?СВ 10...20 0,2446 0,5771 0,2207 -0,2092 -0,647

Ыи Ю...20 10,063 0,5891 -0,7965 -0,2202 0,3821

д/7аЮ...20 1,8 - КГ -7 1,531 1,4686 0 -1,2364

10...20 2,3 • 10" -12 2,5241 1,483 0 -2,2473

Зависимости коэффициента теплоотдачи от безразмерного расстояния от среза сопла до теплообменной стенки носят экстремальный хай/

рактер, а максимум теплоотдачи соответствует значению =8...10. Зависимость интенсивности теплообмена от относительного шага струй в системе имеет пологий характер в диапазоне = 20...80, что свидетельствует о допустимости большого интервала относительно шага% (рисЛ). Определены эмпирические коэффициенты и показатели степени полученных для малых чисел Не критериальных уравнений, которые адекватны экспериментальным данным и могут применяться в инженерной практике.

После получения математических моделей процесса был проведен поиск оптимальных конструктивных и режимных факторов методом крутого восхождения. Однако оптимизация приводит лишь к незначительному рос-

•у* Ю 5 Д5 2.5 20 1,6 1,4 ^/р2^

30

•во

оо

/V \ >

— 1

у —> У'- -т I

5-У

ю го зо м 50 во

70

го %

Рис.1. Определение геометрии системы плоских струп при

Н/& =10, 5.-0,08 м; 1-^=5,5 м/с; 2 - и) =8,2 м/с; 3 ,.<¿=»11 м/с; 4 - и) =16,') м/с; 5 - о>=22м/с; б - = 27,3 м/с; 7 -и) * 32,8 м/с ;

о_о - экспериментальные данные;

- - расчет по формулам.

ту температуру подогрева зоздуха, и значения факторов, полученные

при этом, не могут быть приняты за окончательные. Поэтому вопрос

оптимизации решался с помощью метода Фиакко и Маккормика.

Анализ экспериментальных данных по исследовании рекуператора

о гофрированной теплообменнсй стенкой и целями адоль образующих

труб позволил сделать внвсд о том, что результата, полученные при

исследовании теплообмена в системе целевых сопел, натекающих на

плоск.у® теплопсредающуо стенлу в рекуператоре с яелойрм1:' , могут

быть использованы и при натекании воздуха на вогнутую поверхность (рекуператор с гофрированной теплообменной стенкой). При этом следует пользоваться коэффициентом интенсификации 1,3.

пчн исследованиях двухходового рекуператора с осесимметричными отверстиями (с & -образными полостями воздушного тракта) на опытной полуметодической печи определялась температура подогрева воздуха на выходе из первого и второго ходов, а также аэродинамическое сопро- • тивление первого и второго хода и всего рекуператора в целом при фиксированных расходах воздуха. Определялась зависимость температуры подогрева воздуха при заданных расходах дымовых газов и различной их температуре, а также зависимость дТ& от объёма дымовых' газов при их фиксированной температуре. Некоторые результаты экспериментов представлены на рис.2.

При обработке опытных данных на ЭВМ были получены критериальные эаьисимости£ц(^/ц=^^, а также соответственно для первого и второго ходов гоэдуха.

Сравнение разработанных рекуператоров с известными конструкциями проводилось по энергетическому коэффициенту. Разработанные струйные рекуператоры позволяют достигать того же значения коэффициента теплоотдачи при значительно более низких затратах мощности на перемещение теплоносителей. Следовательно, они более эффективны. Кроме этого, рекуператоры с Э -образными полостями имеют наименьшую металлоемкость и их можно устанавливать горизонтально или вертикально на дымоотводящих каналах или боровах печи вместо одной из поверхностей ограждения. В случав большого теплового потока со стороны дымового тракта (например, камерные печи) целесообразно (из-за большей стойкости к температурным деформациям) использовать струйные рекуператоры с гофрированной теплообменной стенкой и щелями вдоль образующих труб. Их можно устанавливать вместо водяных щитов на выходе дымовых газов из рабочей камеры печи. Рекуператоры с желобами имеют весьма низкое аэродинамическое сопротивление, поэтому

их можно использовать при ограниченной мощности вентиляторов.

Сравнение экспериментально полученного распределения температур вдоль теплообменной стенки при её обдуве системой плоских струй с расчетными значениям!; показало удовлетворительное соответствие. Для уменьшения температурной неравномерности и увеличения срока службы тепло-обменной стенки струйного рекуператора с натеканием плоских струй целесообразно выполнять её толщиной 0,004...0,008 м.

В шестой главе представлены разработанные методики расчета струйных рекуператоров. Получены аналитические зависимости результирующего теплового потока от дымовых газов и кладки на поверхность теплообмена рекуператора, а также температуры кладки дымового канала от степени черноты кладки, теплообменной стенки и дымовых газов; температур дымовых газов и теплообменной стенки; геометрических размеров дымового канала и рекуператора. При этом учитывались теплопотери кладкой дымового канала (или тепло, поступающее к ней при установке рекуператора непо -средственно на печи ). Анализ зависимостей показывает, что целесообразно увеличение степени чернота теплообменной поверхности рекуператора и кладки дымового канала, а также его глубины. На основе полученных зависимостей и экспериментальных исследований разработаны методики конструктивного и поверочного расчета струйных панельных рекуператоров различных типов, для практической реализации которых составлена программа расчета на ЭВМ. Сравнение результата расчета с экспериментом показало хорошую сходимость.

Экспериментальные данные по теплообмену, как правило, обобщаются зависимостью М/=т-/?е, гдеАп>0, 0<Л<1. В тадсом случае можно показать, что верно уравнение

а-Рп-14 + =0, (?)

где для противотока

а-М^сГ,- «

л • т

- СЛп Апрог Ипрот --тГ^У1 ' щ ( )

а для прямотока другой вид имеют лишь коэффициенты 3"* и Дпрям '• 0-*л Т' -Т'

Уравнение (7) при любых 0.>0,£>?0,<)?0 имеет единственный корень, что легко установить графически (рис.3), записав его в виде

Показано, что уменьшение диаметра отверстий и величины открытой поверхности, а также увеличение коэффициента теплоотдачи £>¿1 пг (например, за счёт изменения степени черноты, глубины дымовогсг канала и т.п.) приведет к увеличению соотношения объём нагреваемого воздуха - поверхность теплообмена. Приведены примеры расчетов, которые свидетельствуют о хорошей сходимости расчетных данных с экспериментальными.

Как

правило, при разработке рекуператоров имеется ограничение по допустимой потере давления. Поэтому значительный интерес представляет вопрос о влиянии Д Р^ на величину соотношения . При решеыи этой задачи можно использовать зависимости вида:

Ей

• Проведя преобразования, можно записать -(0£1>1)/ С-*

= (ю)

где для противотока ^

р* _ /збоо \°,5п,-п

р-т, ) > « =Св-СпА^г ' • С11)

Коэффициенты для прямотока отличаются лишь величиной О > равной

в ^п Дпрям . (12)

Формулы (7-12) являются универсальными и могут быть использованы для расчета подач;! теплоносителя через системы оеесимметричных

О

о 400 8оо то то гооо

Рис.3, Влияние конструктивных и режимных параметров на соотношение объем нагреваемого Еоздуха - поверхность теплообмена.

200 300 Щ 5В0 600Ув,П*/Ч 220 330 440 550 Б60 I

Рис.2. Зависимость аэродинамического сопротивления и температуры подогрева воздуха в двухходовом струйном рекуператоре с S-образными полостями от расхода воздуха при постоянном соотноиежш расхода дымовых газов к расходу нагреваемого воздуха, равном 1,1, и различных температурах дымовых газов: о -Тпг - II73K; (Э-Тпг = 1373 К; О -Tnr = 1473 К;

-- дТзз; - - чг -дРв •

отверстий и плоских целей. В таком случае величина d заменяется на & .

Разр«-jotshhhA метод позволяет достаточно просто определяв требуемую ло ^рхность теплообмена струйного рекуператора для нагрева заданного расхода воздуха до определенной температуры; Кроме того, метод может найти применение при расчетах и проектировании струйных рекуператоров различных конструкций.

.Седьмая глава посвящена внедрению полученных результатов в промышленности.

Реализация полученных результатов и проверка выводов, сделанных в работе, проводилась на методической печи стана "970" Волгоградского металлургического завода "Красный Октябрь", Опыт промышленной эксплуатации показал, что использование струйного нате-кания в теплоутилизационных устройствах обеспечило годовую экономию 402,65тонн условного топлива и позволило получить реальный экономический эффект 24,671 тыс.рублей в год.

Разработанные на базе проведенных исследований двухходовые струйные рекуператоры с гофрированной теплообменной стенкой внедрены на Лозовском кузнечно-механическом заводе ПО "ХТЗ", что позволило на 30% сократить расход топлива. Рекуператоры установлены взамен водяных щитов. Годовой экономический эффект на одной двухкамерной щелевой печи составил 4,184 тыс.рублей в результате эко-

ч * ч '

номии 159,5 тыс.м° природного газа и 37250 м° технической воды.

На основе результатов промышленных испытаний и положительного опыта эксплуатации, а также, используя полученные в работе зависимости и методику расчета, были разработаны типовые конструкции струйных модулей рекуператоров трех типов: с5- образными полостями, с гофрированной теплообменной стенкой, с желобами различной производительности по воздуху. Рекуператоры вошли в альбом "Прогрессивное технологическое оборудование, средства автоматизации и механизации для нагрева и термической обработки деталей и заготовок", а также в каталог типовых конструкций унифицированных узлов печей и печных агрегатов, разработанные в НПО "ВНИИШАШ".

Рекуператор использованы в проектах типовых кузнечных полуметодических и камерной печей с внутренней рекуперацией тепла.

Разработана и согласована с заводами Минавтосельхозмаша программа по внедрению струйгых рекуператоров. Эта программа является составной частью Основных мероприятий комплексной программы по замене и модернизации топливопотребляющего оборудования в метал -лургическом производстве отрасли.

общие вывода

1. Разработаны конструкции четырех типов струйных рекуператоров: петлевого, с Б-образными полостями, с желобами, с гофрированной теп-лообменной стенкой, а также трех печей с рекуперчторами. Все семь кон струкций защищены авторскими свидетельствами.

2. В результате теоретического анализа получена математическая модель температурного поля теплообменной стенки при её обдуве системой плоских струй, обеспечивающая удовлетворительную сходимость результатов аналитического решения с экспериментом.

3. Созданы экспериментальные установки для исследований опытных модулей струйных рекуператоров. Проведенные испытания модуля рекуператора с желобами позволяют сделать вывод о том, что использование систем щелевых сопел в струйных рекуператорах дает возможность получать достаточно высокий коэффициент теплоотдачи при сравнительно низком аэродинамическом сопротивлении. Изучено влияние и получены функциональные зависимости коэффициента теплоотдачи, температуры подогрева воздуха, аэродинамического сопротивления и энергетического коэффициента от конструктивных и режимных факторов. Зависимости сЛ-от безразмерного расстояния от среза сопла до теплообменной стенки носят экстремальный характер, а максимум теплоотдачи соответствует /) /3 =8.. .10. Зависимость интенсивности теплообмена от относительного шага струй имеет пологий характер в диапазоне 5 /в =20...80, что свидетельству. ет о допустимости большого интервала &/&. Определены рациональные

конструктивные и режимные факторы.

4. На основании испытаний струйных рекуператоров с гофрированной теплообменной стенкой предложено расчет теплообмена в них проводить

с помощью формул, полученных пр! исследовании теплообмена в системе щелевых сопел, натекающих на плоскую стенку (рекуператор с желобами), но с использованием коэффициента интенсификации.

б. Для рекуператора с 5-образными полостями получены критериальные зависимости, которые позволяют с достаточной для инженершх расчетов точностью определять коэффициента теплоотдачи конвекцией

о

й потери давления в диапазоне чисел Рейнольдса (2,5...12)*10 .

6. Установлены аналитические зависимости для расчёта температур кладки и теплового потока к теплообменной стенке, которые могут служить для оценки влияния глубины и степени развития кладки дымового канала, а также степени черноты дымовых газов, теплообменной стенки и кладки дымового тракта на теплообмен в рекуператоре.

7. Впервые получены уравнения для определения соотношения объёма нагреваемого воздуха к поверхности теплообмена струйных рекуператоров любой конструкции. Простое графическое решение позволяет численно оценить влияние диаметра отверстий, относительной величины открытой поверхности, коэффициента теплоотдачи по дымовому тракту, температур дыма

и подогрева-воздуха, схемы движения теплоносителей, отношения расхода дымовых газов к расходу воздуха на величину требуемой поверхности теплообмена. Показана адекватность математической модели экспериментальным данным. Впервые получены аналитические зависимости для определения соотношения объёма нагреваемого воздуха и поверхности теплообмена при любом заданном аэродинамическом сопротивлении воздушного тракта.

8. Разработаны методики конструктивного и поверочного расчетов струйных рекуператоров различных конструкций.

9. Предложенные рекуператоры имеют более высокий"энергетический коэффициент (рекуператор с 5 -образными полостями) и требуют в 2...3 раза меньших затрат энергии на прокачку теплоносителей при той же интенсивности теплообмена по воздушному тракту (рекуператоры с желобами и с гофрированной теплообменной стенкой). Даны рекомендации по наиболее рациональному использованию и предпочтительным схемам установки струйных рекуператоров новых конструкций.

10. На основе проведенных исследований для печей металлургического производства разработаны следующие типовые конструкции струйных рекуператоров: с 5-образньми полостями, с х(елобами, с гофрированной тепло-обменной стенкой. Разработанные конструкции внедрены в проекты типовых иолуметодических и камерной печей с внутренней рекуперацией тепла".

11. Внедрение результатов работы на Волгоградском металлургическом заводе "Красный Октябрь" позволило получить на одной печи содовую экономию 402,65 т у.т. и обеспечило реальный экономический эффект 24,671 тыс.рублей в год.

12. Внедрение струйных рекуператоров на Лозовском кузнечно-меха-ничзском заводе ПО "ХТЗ" позволило в результате экономии 30% топлива и исключения расхода технической водн обеспечить годовую экономию

о о

159,5 тыс. природного газа и 37,25 тыс. м технической воды. Экономический эффект составляет 4,184 тыс.рублей на одной, печи п год.

13..Разработана программа по внедрению струйных рекуператоров на заводах Минавтосельхозмаша, которая является составной частью Основных мероприятий комплексной программы по замена и модернизации топли-вопотребляющего оборудования в металлургическом производстве отрасли.

Основное содержание диссертации опубликовало в работах: •

1. Харитонова Л.П. Перспективы использования тепла уходяптих. -дымовых газов пламенных печей // Технология и оборудование для нопых прогрессивных методов химико-термическсй обработки деталей тракторов и сельскохозяйственных машин: Тез. докл. Всесоюз. науч.-тйхнич. семинара 15-17 марта I98S. - Волгоград, 1986. -С.82-83.

2. A.c. II86897 СССР, МКИ3 F 23 L 15/04, f 27 В 3/26. Рекуператор для нагревательных и термических печей / Л.П.Харитонова, З.В.Костя-ков, А.В.Пожарский и др. (СССР). - 2с.:ил.

3. А.с.1211574 СССР, МКИ3 F 27 D 17/00, Р 23 L 15/04. Рекуператор для нагревательных- и термических печей./Л.П.Харитонова, В.В.Костяков, А.В.Пожарский и др. (СССР). -Зе.: ил.

4. A.c. I2329I5 СССР, МКИ3 F 27 D 17/00, Г- 23 L 15/04. Рекуператор для нагревательных и термических печей /Л;П.Харитонова, В.В.Костяков, А.В.Пожврский, А.Г.Зеньковскпй (СССР). -Зс.:ил.

5. A.c. I276Ü95 СССР, MKH3F 27D 17/00,F 23 L 15/04. Рекуператор для нагревательных и термических печей / Л.П.Харитонова,В.В.Костяков, А.В.Пожарский и др. (СССР). - 3 с. : ил.

6. Харитонова Л.П., Костяков В.В., Зеньковский А.Г. Инженерная методика расчёта струйных рекуператоров / Ред. журн. "Изв. Еузов. Энергетика". - Минск, 1968. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 21.03.88, 1 № 2I54-B88.1SSM 0579-2983.

7. Харитонова Л.П.' Организация теапоиспользования уходящих газов металлургических печей с помощью тепловых труб // Улучшение нормирования расхода топлива на нужды металлургического производства машиностроительных министерств: Тез. докл. Всесоюз. науч.-технич. совещ. 1-3 октября i960. - Волгоград, 1980. - С. 103-105. '

8. A.c. I186660 СССР, МКИ3 С 21 D 9/00. Печь с внутренней рекуперацией тепла / В.В.Костяков", Л.П.Харитонова, А.В.Пожарский,

А.Г.Зеньковский (СССР), - 4 е.: ил.

9. A.c. 1065669 СССР, МКИ3 F 27 В 9/00. Печь с внутренней рекуперацией тепла / В.В.Костяков, А.Г.Зеньковский, А.В.Пожарский, Л.П.Харитонова (СССР). -4с.: ил.

10. Харитонова Л.П. Использование вторичного тепла при термической обработке // Отраслевой семинар-совещание по повышению технического уровня технологической части проектов при проектировании производств термической обработки : Тез. докл. - Волгоград, 1985. -С. 50-53.

11. Харитонова Л.П., Харитонов П.М. Определение температурного поля пластины при струйном обдуве // Теплообмен и гидродинамика : Межвузовский сб.- Красноярск, политехи, ин-т, 1986. - С.69-73.

12. Харитонова Л.П., Подшибякин С.П. Использование тепла уходящих дымовых газов с одновременным поддержанием заданной температуры // Молодые ученые и специалисты Волгоградской области - ускорению социально-экономического развития : Тез. докл. области, науч.-прак-тич. конф. - Волгоград, 1986. - С. 23-24.

13. Харитонова JI.П. Использование тепла уходящих дымовых газов промышленных печей с помощью струйных рекуператоров // Экономное и рациональное использование природного газа на предприятиях области: Тез. докл. конф. - Волгоград, 1987. - С. 51-53.

14. Харитонова Л.П., Лихолетов О.В. Исследование и расчёт теплообмена в панельных рекуператорах // Вопросы теплообмена в строительстве : Сборник науч. тр. / Ростовский инженерно-строит. ин-т. -Ростов-на-Дону, 1989. - С. 19-26.

15. Харитонова Л.П. Повышение эффективности нагревательного оборудования путём использования струйных теплоутилизационных устройств // Творческий поиск молодых учёных и специалистов - ускорению научно-технического прогресса : Тез. докл. области» научно-практич. конф. - Волгоград, 1987. - С. 72-74.

16. Харитонова Л.П. Струйный рекуператор с гофрированной теп- ■ лообменной стенкой и щелями вдоль образующих труб. Информационный листок о научно-техническом достижении 88-80. Сер. Р. 55.37.29 : ил./ Волгоградский 1ЩИ. -№ 88-80.

17. A.c. 1252635 СССР, Mfül3F 27 В 9/00, С 21D 9/00.' Методическая печь / В.В.Костяков, С.П.Крюков, Л.П.Харитонова и др. (СССР). -Зс.:ил.

18. Харитонова Л.П. Разработка и внедрение прогрессивных конструкций струйных теплоутилизационных устройств с целью экономии топлива // Инициатива и поиск молодых - ускорению научно-технического

ч

прогресса : Тез. докл. конф. - Волгоград, 1988. - С. 95-97.

19. Харитонова Л.П. Экономия топлива путем утилизации тепла дымовых газов промышленных печей с помощью струйных рекуператоров // Экономия и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов : Реферативный сборник отраслевого семинара "Проблемы организации работы по пкономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях Миисельхоэмаша" 12-16 марта 1988 на ВДНХ СССР. Москва. - Рубцовск, 1988. - С. 15-16.

20. Харитонова Л.П., Пожарский A.B., Костяков В.В. Разработка

и внедрение новых конструкций рекуператоров для нагревательных и термических печей // Теория и практика металлургического производства /МШИ. -М.: Металлургия, 1988. - С.70-74.

21. Харитонова Л.П. 0 повышении тепловой эффективности футеровки промышленных печей // Повышение технического уровня нормирования расхода огнеупорных изделий и материалов для ремонта тепловых агрегатов металлургического производства машиностроительных министерств: Тез. докл. Всесоюз. науч.-технич. совещания 20-22 октября 1982г.

- Волгоград, 1982. - С.36-38.

22. Харитонова Л.П., Костяков В.В., Зеньковский А.Г. Исследование струйного рекуператора для подогрева воздуха в промышленных печах / Ред.журн. "Изв.вузов. Энергетика". - Минск, J988. -15с. -Деп. в Информэнерго 04.04.88, № 2787-эн. 88.1SSH0579-2983.

23. Харитонова Л.П., Пожарский A.B. Разработка струйных рекуператоров // Кузнечночптамповочное производство. - 1989. - №4.-

С. 10-11*. ISSN 0201-7296. -

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ S- ширина плоской щели, м;с/ — диаметр отверстий, м;А,- расстояние от среза сопла до теплообменной стенки, m;S- шаг струй, m;F- поверхность теплообмена, м^; üj - относительная величина открытой поверхности; <Г- толщина стенки, m;V- расход, м^/ч;ДР- аэродинамическое сопротивление , Па^уЭ- удельный расход, ; и) - скорость,м/с;

коэффициент кинематической вязкости, м2/^, Д. т коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);С - теплоемкость, кДж/(м^- К); £ - энергетический коэффициент, 1/К;А/- затраты мощности на прокачку воздуха через систему импактных струй, Вт;^- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^- К); Т - температура, К;дТ- температура подогрева, К;Т'- температура на входе, К;Т"- температура на выходе, К; ^ - коэффициент,учитывающий потери тепла; Nu.- число Нуссельта; Re- число Рейнольдса;Ей - число Эйлера. ч;: пг - продукты горения, ё - воздух, CT- стенка.