автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование теплогидравлических процессов в каналах насадок доменных воздухонагревателей

С/]

На правах рукописи

Редшпсов Сергей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАНАЛАХ НАСАДОК ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ.

Специальность 05.16.02 — "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 1998

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете. Научный руководитель — доктор технических наук,

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, профессор Торопов Е.В. Официальные отопятг. - доктор технических наук, профессор

Боковиков Борис Александрович;

кандидат технических паук Зырянов Сергей Владимирович. Ведущее предприятие — ОАО "Мечел" (Челябинский

металлургический комбинат).

Защита диссертации состоится 1998 г., в 14.00, на

заседании диссертационного совета Д - 053.13.04 по присуждению учёных степеней в Южно-Уральской государственном университете по адресу: 454080, г.Челябинск, пр.имВ.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке в Южно. У раньского государственного университета.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим «ы сыпать по адресу: 454080. г. Челябинск, пр. нм. В. И. Ленина, 76, ЮУрГУ, учёный совет, тел39 - 91-23.

Автореферат разослан "у г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук. /

профессор ММ». Мирзаев Д.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Сложность, высокая стоимость, а в ряде случаев и невозможность нагрева значительных объёмов газов до высоких температур в рекуперативных установках, обуславливает применение регенеративных аппаратов для высокотемпературного нагрева теплоносителей. В свою очередь, повышение температур нагрева предъявляет высокие требования к надёжности и экономичности работы тгих устройств, выдвигает задачи разработки новых, более эффективных конструкций отдельных элементов, совершенствования режимных параметров. Это затруднительно без наличия достаточно надёжных и точных методов определения теплогидравлических характеристик каналов и температурных полей аппаратов.

Для достижения этих целей известные научные положения недостаточны и требуется их дальнейшее развитие и уточнение, это возможно при использовании методов математического моделирования. Последнее является достаточно актуальным, так как даст возможность уменьшить затраты на эксплуатацию ' воздухонагревателей, на разработку новых, более эффективных форм каналов, и может найти применение в других отраслях промышленности.

Целью работы является исследование регенеративного теплообмена методами математического моделирования, разработка методов поверочного и априорного определения теплогидравлических характеристик каналов насадок аппаратов, анализ и выработка мероприятий, позволяющих повысить эффективность работы насадки воздухонагревателей.

Научная новизна. Исследованы особенности регенеративного теплообмена с использованием методов математического моделирования. Обоснован выбор математической модели, описывающей процессы теплообмена в насадке. Выявлен характер влияния температуры холодного дутья на достигаемую температуру нагрева газа в регенеративном воздухонагревателе.

На основании анализа ряда моделей турбулентности показана возможность применения Е—I. модели для определения характеристик осесимметричных каналов насадок доменных воздухонагревателей. Применена уточнённая математическая модель течения жидкости в канале к задаче определения теплогидраалнческих характеристик насадок регенеративных воздухонагревателей. Полученные результаты показывают хорошее согласование экспериментальных данных с результатами расчета по модели, что позволяет производить определение характеристик каналов при меньшем количестве экспериментов. Выявлено воздействие варьирования отдельных геометрических факторов изменения формы поверхности канала на его теплогидравлические характеристики. Определены теплогидравлические характеристики ряда каналов. Предложены способы организации движения в каналах в направлении интенсификации теплообмена. Оценена возможность организации направленного движения в горизонтальных проходах каналов насадок с конфузорно диффузориыми секциями. Автор защищает:

1. Методику и алгоритм численной реализации математической модели расчета температурных полей в насадке регенеративного воздухонагревателя и результаты их реализации.

2. Математическую модель описывающую теплообмен и движение теплоносителя в канале.

3. Разработанный алгоритм и вариант численной реализации модели течения в канале, позволяющий определять теплогидравлические характеристики щелевых осесимметричных каналов.

4. Результаты численного эксперимента поставленного с использованием модели течения в канале, отражающие изменение тепловых и гидравлических характеристик каналов при использовании турбулизирующих поток элементов.

5. Методы интенсификации теплообмена в насадке позволяющие также повысить живучесть насадки.

Практическая ценность работы. Использование результатов работы позволяет снижать затраты на производство чугуна за счёт осуществления мероприятий, повышающих эффективность нагрева дутья в регенеративных воздухонагревателях. Уточнённая модель течения в канале может быть рекомендована для априорного определения, характеристик проектируемых каналов. Последнее даёт возможность сократить число опытов, необходимых для определения характеристик каналов насадок, что может упростить и ускорил» решение задачи по определению оптимальных конструкций новых насадочных элементов и режимов работы регенеративных теплообменников. Апробация. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международном семинаре "Modelling, Advanced Process Technolojo-, Expert and Control System of Heat and Mass Transfer Phenomena" (г.Екагеринбург, 1996 г.), межгосударственной научно-технической конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" (г.Магнитогорск, 1996 г.), научно-практической конференции "Энергосбережение на промышленных предприятиях" (г. Магнитогорск, 1997 г.), 49 научно-технической конференции ЧГТУ (г.Челябинск, 1996 г.), 50 юбилейной научно-технической конференции ЮУрГУ (г. Челябинск, 1997 г.), XYH Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций ( г. Миасс, 1998г.) восьмой научной межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 1998 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений , изложенных на 152 страницах машинописного текста, и содержит 3 таблицы, 27 рисунков и список использованной литературы, содержащий 96 наименований.

Содержание работы

В первой главе приведён анализ эффективности работы воздухонагревателей и тракта горячего дутья, определены основные процессы тепломассообмена, которые оказывают существенное влияние на систему подготовки горячего дутья и на достижимую температуру горячего дутья.

Установлено, что наиболее сильное влияние на эффективность работы высокотемпературного воздухонагревателя оказывает конструкция и режимные параметры функционирования насадки.

Показатели работы насадки воздухонагревателей как основного элемента всей системы подготовки горячего дутья для доменной печи во многом определяют эффективность работы всей системы.

Отмечается, что дальнейшее увеличение температуры горячего дутья и повышение эффективности работы воздухонагревателей возможно при использовании бесшахтных воздухонагревателей и более совершенных конструкций насадки и других элементов аппаратов. Это требует создания методик более точного определения температурных полей в насадке, а также совершенствования формы каналов и конструкции элементов насадки воздухонагревателя.

Во второй главе произведён анализ р^яда теоретико-экспериментальных работ. Отмечен значительный вклад,, принадлежащий коллективу ВНИИМТ (г.Свердловск.), а также коллективу авторов под руководством проф. Ссшоменцева С. Л. (г. Липецк ) в разработке рациональных типов насадок для доменных воздухонагревателей.

Произведена оценка различных видов применяемых и разрабатываемых видов насадок для доменных воздухонагревателей

Показано, что, несмотря на существенные достижения в разработке и применении новых форм насадок воздухонагревателей, конструирование новых более эффективных конструкций насадок производится в основном интуитивным путём, что требует существенных затрат на экспериментальное определение

гидравлических и тепловых характеристик. Конструкция оптимального насадочного элемента с точки зрения теплообмена, эксплуатации и монтажа не выработана. Разработанные виды насадочных элементов позволяют применять весьма разнообразные формы каналов, с различными эффектами интенсификации теплообмена. Однако определение оптимальной формы каналов затрудняет отсутствие надёжных методов априорного определения теплогидравлических характеристик каналов. Распространённые методы, основанные на обработке статистического материала, позволяют определять характеристики каналов, имеющих сходные с испытанными формы каналов, что в ряде случаев может снизить достоверность результатов.

Отмечено, что использование численного моделирования течения позволяет определять коэффициент теплоотдачи каналов и температурные поля в насадке при ограниченном числе или отсутствии экспериментальных данных по значениям теплогидравлических характеристик разрабатываемых элементов .насадок.

. В третьей главе рассмотрены условия и допущения, принимаемые для описания течения в канатах насадок регенеративных теплообменников. Показано, что уравнения пограничного слоя в приближении узкого канала при принятых допущениях могут быть использованы для описания течения теплоносителя в большинстве канатов регенеративных воздухонагревателей.

Рис.1. Схема канала:

„— половина текущей высоты канала; 1|...1 ш— длины участков с постоянным законом изменения проходного сечения.

у Ь, Ьд, 1ц Ь3 Ь5 Ьв Ь7 1>5

х

Проведён анализ различных моделей турбулентности, необходимых для замыкания системы уравнений, описывающих движение теплоносителя в каналах.

Обоснован выбор модели турбулентное™ для определения теплогидравлических характеристик каналов насадок воздухонагревателей. Показано, что применение дифференциальных моделей турбулентности более предпочтительно, так как последние позволяют оценивать большее число факторов влияющих на течение в канале, и, являясь более общими, могут обеспечить требуемую точность решения без коррекции коэффициентов при большем диапазоне варьирования режимными параметрами течения, чем алгебраические модели турбулентности. Рассмотрен ряд хорошо зарекомендовавших себя методов определения турбулентного числа Прандтля. Отмечено, что, для исследования течений в каналах переменного сечения более предпочтительны те методы, где учитываются особенности течения в канале. Исходя из этих соображений, выбран метод определения числа Прандтля применительно к задаче описания • течения теплоносителя в каналах регенеративных воздухонагревателей. Система уравнений, используемая для определения теплогидравлических характеристик каналов, имеет вид:

+ ^ <*>",) "О; (1)

ск у ф ф др ¿к*

, дГ <ЯГ сР д , сГ си, ,

Турбулентная структура потока рассчитывается на основе дифференциальных уравнений для кинетической энергии Е и масштаба турбулентности Ь:

1». + "г X>- ~«Р ♦ ■с,л:)■§) ■♦ л<£->' - £ ;

сх ду ду ду ¿у 1}

. д1 д1 д д1 Ь.ди,-

р(и< ¿г= + -с<

+ (2)

— = лг Не,(1 -ехр(£3Ке?) + Ие,2));

а = 0.2,<У, =4- 1(Г\«Уа = 2.1- 10-\<У,=2- Ю2;

Рг, ' = / (2<*. Рг)г + (1 + / ^ ) / )05--£-).

м, М» Рг

Граничные условия:

х = 0,и, = и0,Р = /'0,7" = Г0.,Я = Л-0,Г = Г0;

= о,и = 0 ;

/>к 0Г с>Е (11.

гу су *У

= и = Л = Е = 0,7 = т

В четвёртой главе описывается применение модифицированной математической модели для определения полей температур в насадке и эффективности различных форм насадок

Одной из важных задач, при создании новых и модернизации старых высокотемпературных воздухонагревателей, является предварительное определение распределения температур газовых сред и насадки как по высоте насадки, так и по поперечному сечению теплообменника. Для определения полей температур в настоящей работе применяется математическая модель. В её основе лежит решение системы уравнений, описывающих с некоторыми допущениями физические процессы, протекающие в теплообменниках.

Насадка имеет форму цилиндра высотой Ь и ограниченного рядом коаксиальных стенок радиусами Я,...И,,.

Процессы теплопроводности рассматриваются в направлении, перпендикулярном направлению движения теплоносителя. Влияние перекидки клапанов в момент смены направления движения газового потока не учитывается, так как считается, что полное теплосодержание газа, находящегося в каналах насадки в момент перекидки клапанов, мало.

Предполагается невысокая разность температур по сечению стенок отдельных компактно расположенных элементов. Неравномерность распределения температур по сечению насадки наблюдается в основном вследствие тепловых потерь через стенки аппарата, в результате неравномерного распределения температур теплоносителя на входе в насадку, а также вследствие возможной разности условий теплообмена в отдельных зонах по сечению насадки

Система уравнений, предлагаемая для расчёта нестационарного теплообмена, в общем аналогична предложенной С J1 .Соломенцевым, и имеет вид:

ч ,, , дгt 1 й , О - s)ptck аДГ - /)+ ¿Л-—Г+ YTr^'

ffT

(-*)нсг —— = av(T -/); 0)

дх

при следующих начальных и граничных условиях: г 0; / = t(x , R ) v i

R = о ; -i-i— = 0 ; Т • = 7 . ;

? R

г I „ i . Н ; —- = 0 ;

г4 х .

R = Я н ; к (г - гв ) = ¿ э

с R

Особенность данной модели заключается в определении значений коэффициента теплоотдачи па каждом шаге как по временной координате, так и по высоте по результатам численного моделирования течения в канале.

Для решения системы уравнений (3) был применён неявный метод переменных направлений, с двухшаговым расщеплением. Задача сводится к решению систем линейных алгебраических уравнений, причем на каждом шаге по

времени решение системы производится дважды. На первом полушаге по времени производится решение системы уравнений для нахождения распределения температур по сечению. На следующем полушаге осуществляется решение для определения распределения температур по высоте насадки. Проведение расчёта по поперечной координате ведётся от границы к центру. Расчёт распределения температур по высоте идёт по ходу теплоносителя.

Для определения характеристик осесимметричного канала переменного сечения используется приближение тонкого вязкого слоя, известное также как приближение узкого канала. Рассмотрим канаты переменного ссчсния с прямой осью, для которых система дифференциальных уравнений имеет вид, (1-2). Проведение предварительных расчетов с использованием Е — Ь модели турбулентности в каналах переменного сечения, позволило'установить следующие значения констант:

с, =037,с4 = 0.01,с5 = 029,г6 =03,с7 =0315.

Для осуществления разбиения по поперечной координате, была применена экспоненциальная зависимость с варьируемой в зависимости от средних значений Яе величиной константы сгушения сетки. Подобный подход позволил гарантировать попадание требуемого количества расчетных узлов в зону пограничного слоя. Для продольного разбиения по маршевой координате применялись два вида разбиения сетки, при исследовании теплообмена в каналах с изменяемым поперечным сечением использовали схему с постоянным отношением шагов к = т. /х_ на участке с сужением канала и к = х_ /г, ня участке с расширением потока. Последнее позволяет уменьшить шаг разбиения в интересующих зонах канала, без увеличения объёма массивов параметров, описывающих течение.

S/

Рис.2.

Села, применяемая- для рассмотрения течения в оссснмметричных каналах переменного сечения .

При наложении условия шероховатой стенки расчет ведется при постоянном шаге по маршевой координате с шагом, равным половине высоты шероховатости. Так как шаг разбиения достаточно мал, нет необходимости уменьшал» его на участках с изменением проходного сечения.

Показано, что разработанная методика, включающая модель для определения полей температур газовых сред н насадки как по высоте насадки, так и по поперечному сечеюоо теплообменника, обладает достаточной для инженерных расчётов точностью, полученные при её численной реализации данные не противоречат результатам экспериментальных работ. Применение модели позволило выявить влияние на температуру горячего дутья начальной температуры холодного дутья, подаваемого в регенеративный воздухонагреватель. В пятой главе приведены результаты расчётов теплогидравлических характеристик каналов. Результаты тестовых расчётов с использованием E-L модели, в зонах ламинарного и турбулентного режима течения, для гладких каналов, каналов со ступенчатым изменением проходного сечения, имеющих конфузорно-диффузорные секции, удовлетворительно согласуются с результатами экспериментальных работ Г. Шлихтинга, ВНИИМТ, что позволяет производить определение характеристик каналов с достаточной для инженерных расчётов точностью (см.рис.З). Определены методом математического моделирования теплогидравлические характеристики ряда каналов со ступенчатым изменением

проходного сечения, с чередованием конфузорно-диффузорных участков. Выявлено воздействие варьирования отдельных геометрических факторов изменения формы поверхности канала на его теплогидравлические характеристики.

Анализируя данные, полученные при математическом моделировании течения в каналах с пошаговым (с шагом 3") изменении угла конфузорных секций при постоянном значении изменения проходного сечения, отмечено, что увеличение угла наклона стенок а сужающихся по потоку секциях с 2" до 11" сопровождается пропорциональным ростом параметров характеризующих интенсивность теплоотдачи и сопротивления. Большее увеличение угла схождения конфузорных секций приводит к ускорению роста параметра характеризующего сопротивление кан&за (см.рис.4). Варьирование углом раскрытия диффузорных секций показывает, что наименьшие значения сопротивления в каналах соответствуют углу раскрытия диффузора равному б". • следует отметить, что параметры, характеризующие интенсивность теплоотдачи и сопротивления движению Теплоносителя, более чувствительны к изменению угла наклона сужающихся по потоку секций.

При варьировании степенью изменения проходного сечения при неизменном угле наклона секций наблюдалось опережающее резкое увеличение параметра, характеризующего сопротивление канала при 40% изменении проходного сечения (угол конфузора 5°, угол диффузора 6"). Причём, увеличение угла наклона стенок конфузорных секций приводит к опережающему росту параметра, характеризующего сопротивление в канале при меньших значениях изменения проходного сечения.

Анализ локальных, по длине канала, значений перепада давлений в зонах минимального и максимального проходных сечений указывает на возможность организации направленного движения газа (Яе>6000 в основном канале) в горизонтальных проходах между соответствующими -зонами соседних

S

M2S

м

ч N

•

\ * . % \

V * ч ч. V ч >

XI

«.I

lo«Re

j.» м

Рис.3.

Зависимость коэффициента трения от Re для гладкого щелевого канала:

---Cf =57/Re —-— результаты расчета по Е-1 подали

_ . _ cf =®0 316/Re0 25 • о—опытные данные ВНИИМТ для нагрева и охлаждения насадки соответственно.

¡ ! ' i i-

i ! J |

i w4

! У Jj i-

' * 1 i í i

i ! 1 i 1 ¡

Рис.4.

Оценка эффективности изменения угла конфузора в канале:

о— угол наклона стенок конфузора -Iе; •— угол наклона стенок конфузора -3°; О— угол наклона стенок конфузора -12°; канал с эквивалентным диаметромЭД мм при угле раскрытая диффузора 5° с 15% изменением площади проходного сечения.

Mu

1) расчет при Re=5000; 2 ) Re=8000; 3) Re=10000

Рис.5.

Оценка эффективности каналов

насадок при варьировании шагом ступенчатого изменения проходного сечения канала 35x35, 45x45.:

• — данные при шаге 750 мм.

« —при шаге 500 мм.; + — при шаге 250 мм.; ^ — при шаге 100 мм.;

* —при шаге 400 мм.;

♦ —при шаге 300 мм..

коифузорно-диффузорных каналов при углах наклона стенок конфузорных и диффузорных секций больше 8° и 30% изменении площади проходного сечения. Организация направленного движения а горизонтальных каналах может повысить не только живучесть насадки, но и улучшить е£ теплообменные характеристики.

Заключение -

Повышение температуры нагрева дутья в воздухонагревателях доменных печей позволяет уменьшить потребность в коксе и улучшить показатели доменной плавки. Следовательно совершенствование регенеративных воздухонагревателей, разработка более эффективных вариантов насадки, выработка мероприятий направленных на увеличение достигаемой температуры горячего дутья способствуют снижению затрат на производство чугуна.

В результате проведённых исследований получены следующие результаты:

1. Произведен анализ эффективности работы воздухонагревателей и тракта горячего дутья. Это позволило определить основные процессы тепломассообмена, которые оказывают существенное влияние на эффективность системы подготовки горячего дутья и на достижимую температуру горячего дутья. 2. Разработана математическая модель определения температурных полей в насадке регенеративного теплообменника. Определение коэффициента теплоотдачи в каналах насадки осуществляется на основе математического моделирования течения в каналах. Произведена численная реализация предложенной модели оп^деления температурных полей в насадке. Показано, что используемая модель обладает достаточной точностью; полученные при её численной реализации данные не противоречат данным экспериментальных работ.

3. Применение модели определения температурных полей позволило выявить влияние на температуру горячего дутья входной температуры нагреваемого параметров газа подаваемого в регенеративный воздухонагреватель.

4. Модифицирована и применена математическая модель течения жидкости в канапе к задаче определения теплогидравлических характеристик насадок регенеративных высокотемпературных воздухонагревателей. Показана возможность применения Е—Ь для определения характеристик осесимметричных каналов насадок-доменных воздухонагревателей. Полученные результаты показывают хорошее согласование экспериментальных данных с результатами расчёта по модели, что даёт возможность производить определение характеристик каналов при меньшем количестве экспериментов.

5. Разработаны схемы задания узлов расчётной плоскости для модели течения в осесимметричном канале имеющем сужающиеся и расширяющиеся участки. Определена схема задания узлов расчётной плоскости для канала имеющего шероховатые стенки

6. Разработаны виды конечно-разностного представления уравнений, описывающих течение в канале.- Определены методы и последовательность решения полученных систем уравнений

7. Определены теплогидравлические- характеристики ряда каналов Выявлено воздействие варьирования отдельных геометрических факторов изменения формы поверхности канала на его теплогидравлические характеристики. Оценена возможность организации направленного движения в горизонтальных проходах каналов насадок с конфузорно-диффузорными секциями.

Основные обозначения. их,иу— составляющие скорости; , — соответственно

динамическая вязкость, теплопроводность газа и турбулентные (вихревые) вязкость, теплопроводность; а, — приведённый коэффициент теплоотдачи с учётом массивности насадки; s— живое сечение насадки; ркск— плотность и теплоёмкость кирпича слоя насадки; 4,—теплопроводность насадки; сг—теплоёмкость газа; к— коэффициент теплоотдачи к окружающей среде; R,R„— соответственно текущий и наружный радиусы; Я—высота насадки; t— температура элементов насадки; и— скорость газов; ¡„— температура окружающей среды; Г, ^—температура газовой среды текущая и на входе в насадку; г— время, Cf— коэффициент трения, С] j —константы,

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах,

Ч.Торопов Е.В., Редников С.Н. Особенности гидродинамики и тепломассообмена в каналах насадок регенеративных теплообменников / Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Тез.докл. Межгосударственной науч.-техн. конф. -Магнитогорск: Изд. МГМА, 1996.-С. 181-182.

2. Toropov E.V., Rednikov S. N. Regenerative air heater from bed elements / Modelling, Advanced Process Technology, Expert and Control System of Heat and Mass Transfer Phenomena: Collection of materials of International seminar. - Ekaterinburg: USTU, 1996.- P.96.

3. Редников C.H., Торопов E.B. Оптимизация конструкций насадок воздухонагревателей // Энергоснабжение на промышленных предприятиях: Сб.науч.тр.- Магнитогорск: Изд. МГМА, 1997-

С.48-52.

4.Торопов Е.В., Етохина И.В., Редников С.Н. Определение

теплообменных и гидравлических характеристик каналов переменного сечения // ХУЛ Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций: Тез.докл. - Миасс: Изд ЮУрГУ,1998.-С.48.

5. Редников С-Н., Торопов Е.В. Моделирование течения в щелевых каналах непостоянного сечения / Математическое моделирование и краевые задачи труды восьмой научной межвузовской конференции.-Самара: Изд-СГГУ, 1998, Ч.-2.-С.65-67.

6. Редников С.Н. Переходный режим гидродинамики в теплообменных аппаратах II Автоматизация энергосистем и энергоустановок промышленных предприятий: Сб. науч. тр. Челябинск: Изд ЮУрГУ,

Издательство Южно-Уральского государственного университета

ЛР N 020364 от 10.04.97. Подписано в печать 03.11.98. Формат 60*84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93- Уч.-изд. л. 0,95. Тираж 80 экз. Заказ 286/413.

УОП Издательства. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

1998 -С.52-54.

Южно-Уральский государственный университет

На правах рукописи

Редников Сергей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАНАЛАХ НАСАДОК ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ.

специальность 05.16.02—металлургия чёрных металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук. Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации профессор Торопов Е.В.

Челябинск 1998

Оглавление.

Введение. 4

1. Процессы тепло-массообмена в доменных воздухонагревателях 13 1.1 Основные показатели эффективности тепловой работы воздухонагревателей 13

1.2. Основные конструктивные особенности воздухонагревателей современных доменных печей 14

1.3. Режимные особенности тепло-массообменных

процессов в воздухонагревателях 26

1.4. Показатели эффективности службы, стойкость

тракта горячего дутья и воздухонагревателей 31

1.5. Выводы 36

2. Анализ типов применяемых насадок 37

2.1. Насадки с кирпичными каналообразующими элементами 38

2.2. Насадки блочного типа 39

2.3. Насадки с насыпными элементами 41

2.4. Комбинированные виды насадок 46

2.5. Особенности форм каналов насадок 47

2.6. Анализ состояния исследований теплообменных и гидравлических характеристик каналов сложной формы применяемых в насадках регенеративных доменных воздухонагревателей 51

2.7. Выводы 62

3. Математическое моделирование течения в канале . 65 3.1 .Основные допущения принятые для рассмотрения течения в каналах 66

3.2. Применяемые системы уравнений для описания течения в каналах 69

3.3. Алгебраические модели турбулентности 72

3.4. Дифференциальные модели турбулентности 75

3.5. Некоторые особенности в определении турбулентного числа Прандтля 81

3.6. Выводы 82

4. Применение разработанной математической модели для

определения эффективности различных форм насадок 83

4.1 Определение температурных полей в насадке воздухонагревателей 84

4.2 Использование математической модели для определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления канала переменного сечения при наличии турбулизирующих элементов 88

4.2.1. Режим ламинарный 89

4.2.2. Режим течения турбулентный 92

4.2.3. Некоторые методы преобразования сеток 94

4.2.4. Применяемые конечно разностные схемы 98

4.3. Результаты расчётов 104

4.4. Выводы 108

5. Анализ результатов математического моделирования

теплообмена гидродинамики в насадках 109

5.1. Гладкий щелевой канал постоянного сечения 110

5.2. Каналы со ступенчатым изменением проходного сечения 113

5.3. Каналы с чередованием конфузорно диффузорных участков 118

5.4. Выводы 124 Заключение 125 Список использованных источников 127 Приложения 137

Сложность, высокая стоимость, а в ряде случаев и невозможность нагрева значительных объёмов газов до высоких температур в рекуперативных установках, обуславливает применение регенеративных аппаратов для высокотемпературного нагрева теплоносителей. В свою очередь, повышение температур нагрева предъявляет высокие требования к надёжности и экономичности работы этих устройств, выдвигает задачи разработки новых, более эффективных конструкций отдельных элементов, совершенствования режимных параметров. Это затруднительно без наличия достаточно надёжных методов предварительного определения теплошдравлических характеристик каналов и температурных полей аппаратов.

Вероятно, данная ситуация сохранится и в ближайшем будущем, что в свою очередь требует продолжения работ над совершенствованием конструкции воздухонагревателей и их элементов, определения оптимальных режимов работы аппаратов.

теплообмена методами математического моделирования, разработка методов предварительного определения теплошдравлических характеристик каналов насадок аппаратов, анализ и выработка мероприятий, позволяющих повысить эффективность работы насадки воздухонагревателей.

Последнее является достаточно актуальным, так как может уменьшить затраты на эксплуатацию воздухонагревателей, на разработку новых, более эффективных форм каналов и может найти применение в других отраслях промышленности.

Рассматривая преимущественно доменные регенеративные воздухонагреватели, необходимо отметить, что за прошедшие годы значительно повысились основные показатели работы данных теплообменников. Так, температура нагрева дутья возросла с 850°С в 50-х годах до 1200-1300°С в воздухонагревателях доменных печей передовых

заводов страны, также несопоставимо возросли ж объёмы дутья нагреваемого в отдельных аппаратах» Это не могло не сказаться на конструкции рассматриваемых теплообменников. Усилия конструкторов и исследователей в этой области направлены на дальнейшее увеличение температуры дутья и длительности безаварийной работы аппаратов, снижение стоимости нагрева единицы объёма дутья до заданной температуры.

Несмотря на длительную историю развития доменных воздухонагревателей,, и в современных аппаратах можно выделить основные элементы, сохранившие то же назначение, что и в аппаратах первичной конструкции. Как правило, и современные доменные воздухонагреватели включают в свой состав газовую горелку, камеру сгорания, теплоаккумулиругощий элемент — насадку, поднасадочное устройство, купол, кожух, оснащённый теплозащитой, либо систему кожухов, заключающих отдельные элементы установки (см рис» 1).

Камера сгорания предназначена для сжигания газовой смеси после горелки. Как правило, камера сгорания представляет собой теплоизолированную трубчатую конструкцию, имеющую постоянную форму по высоте насадки. Сечение камер горения различно, наиболее часто встречающиеся формы ■—-эллипс и круг. Выбор той или иной формы и конструкции камеры сгорания во многом определяется стремлением разработчиков снизить термические напряжения, возникающие в кладке камеры горения в результате смены циклов нагрева и охлаждения, желанием уменьшить воздействие напряжений, обуславливаемых несовпадением температур материала насадки и камеры горения, а также необходимостью свести к минимуму явления крипа, обуславливаемого деформацией огнеупоров под воздействием высоких температур и давлений.

Во многом сходные цели преследуют и разработчики новых нетрадиционных компоновок аппаратов, пытаясь снизить воздействие вредных факторов и

добиваясь при этом роста температуры дутья и увеличения межремонтной длительности работы доменных воздухонагревателей.

При традиционной компоновке камера горения и насадка заключаются в единый кожух. Достоинством такой компоновки несомненно является высокая плотность компоновки аппарата. Однако наличие в одном корпусе камеры горения и насадки, работающих в разных условиях по температуре, приводит к возникновению значительных напряжений в кладке. Данный процесс усугубляется соседством наиболее нагретых зон камеры горения со среднетемпературньши зонами насадки.

Выход из данной ситуации обычно ищется в тщательном подборе огнеупоров по высоте камеры горения, в использовании конструктивных решений, снижающих взаимное влияние насадки и камеры горения, в обеспечении теплового зазора, постановкой разделительных слоев и т. д. Одним из наиболее эффективных путей, по мнению ряда авторов [66,18], является снижение высоты камеры сгорания и насадки. Несколько снижает проявление вредных факторов установка горелки соосно с камерой сгорания, а также перенос высокотемпературной зоны в верхнюю часть камеры горения [82]. Частично устранить недостатки воздухонагревателей с внутренней камерой горения предполагалось переносом горелки с периферии на ось аппарата [58]. Однако усложнение конструкции, неполное устранение недостатков, присущих традиционной компоновке, сдерживает создание и использование подобных установок.

Попытка радикально избавиться от недостатков традиционной компоновки с внутренним расположением камеры горения привела к разработке воздухонагревателей с выносной камерой сгорания. Так, при данной компоновке полностью исключается возможность появления прямого перетока продуктов сгорания через трещины в камере горения в каналы насадки. Устраняется возможность разрушения насадки вследствие наклона камеры горения. Всё это обуславливается наличием двух кожухов: одного.

ограничивающего насадку, другого — камеру горения. Кроме того, применение данной компоновки в ряде случаев позволяет уменьшить металлоёмкость аппарата, так как диаметр кожуха насадки, а, следовательно, и толщина стенок кожуха воздухонагревателя с выносной камерой горения, должна быть меньше диаметра кожуха нагревателя с внутренней камерой горения, при равных значениях площади сечения насадки и сопоставимых рабочих давлениях. Применение компоновки с выносной камерой горения позволяет улучшить условия функционирования камеры горения и насадки, что создаёт предпосылки для увеличения температуры продуктов сгорания. В связи с этим, возникает возможность получения более высокой температуры дутья. Но необходимо отметить, что и компоновка с выносной камерой горения имеет свои недостатки.

Одним из наиболее крупных недостатков воздухонагревателей с выносной камерой горения является значительное усложнение конструкции купола аппарата, необходимость обеспечивать высокую надёжность этого элемента конструкции при условии воздействия высоких температур и наличия разности температур кожуха насадки и кожуха камеры горения. Последнее требует принятия мер для предотвращения возникновения значительных температурных напряжений.

Обычно для этой цели применяют компенсаторы. Наибольшее распространение в аппаратах с выносной камерой горения получили компенсаторы сильфоннош типа, устанавливаемые на кожухе камеры горения под куполом, а также гидравлические компенсаторы под камерой горения [82]. Распространены и другие конструктивные решения, уменьшающие проявление нежелательных эффектов: подбор слоев теплозащиты, использование, установка деформируемых прослоек [17,82] и т.д.

Попытки дальнейшего улучшения характеристик привели к разработке компоновок бесшахтных воздухонагревателей. При применении этой схемы предполагается сжигать газ частично или полностью в подкупольном

пространстве и форкамерах. Применение данной компоновки позволяет увеличить объем насадки при сохранении габаритов установки. При высоких потенциальных возможностях данной компоновки многие разработчики подобных конструкций сталкиваются с рядом сложностей, связанных с сжиганием больших объемов газа в малых объёмах подкупольного пространства, при необходимости обеспечения равномерных температур продуктов сгорания на входе в насадку и защите купола от воздействия температурных перепадов» Большое значение оказывает здесь выбор типа и схемы расположения горелок. Значительное число разработчиков отдают предпочтение компоновкам, использующим большое число горелок малой мощности, перед конструкциями бесшахтных воздухонагревателей с одной или несколькими устройствами большой мощности для сжигания топлива»

перемешивания компонентов горения и воспламенения горючей смеси в

На рис. 1 представлены различные варианты расположения горелок : в стенках купола, с форкамерой над куполом, с форкамерой, расположенной между стенкой купола и стенкой насадочной камеры. Различаются соответственно формы и конструкции куполов аппарата.

Геометрия и конструкция топливосжигающих устройств, расположенных в районе купола воздухонагревателя, должна обеспечивать равномерный прогрев стен насадки и купола при минимальном их ослаблении, а также способствовать равномерному распределению температур на входе в насадку. В силу конструктивных особенностей компоновки с совмещённой камерой в этих аппаратах наблюдалось

стен, в процессе разогрева внутреннего о происходило значительное удлинение стен. При этом могло наблюдаться

соприкосновение кладки купола и кожуха. Для предотвращения последнего кладка купола и кожух выполнялась с определённым зазором. Для предотвращения локальных перегревов кожуха купола

высокотемпературными продуктами сгорания, проникающими в тепловой зазор через трещины в кладке, после разогрева аппарата в свободное пространство между кожухом и кладкой купола закачивался теплоизолирующий огнеупорный раствор.

Наиболее сложную конструкцию представляют купола регенеративных воздухонагревателей с выносной камерой сгорания (рис. 1). Здесь приведены

Нетрудно заметить, что для большинства из них характерна ярко выраженная несимметричность. Последнее значительно затрудняет обеспечение равнопрочное™, кроме того, как уже отмечалось выше, температурные условия работы насадки и горелки существенно отличаются, что ■ также осложняет задачу разработчиков. Во многом это обуславливает введение компенсаторов, отдельных силовых элементов. Необходимо также отметить, что в силу несимметричности куполов рассматриваемых аппаратов, сложной аэродинамики продуктов сгорания особенно опасными могут стать проявления крипа при локальных перегревах купола.

Важнейшим элементом доменного воздухонагревателя является насадка, от описания процессов теплообмена в данном элементе конструкции во многом зависит возможность получения адекватной математической модели,

разрабатываемых и модернизируемых установках.

В период нагрева через канал насадки подаются высокотемпературные продукты сгорания, вырабатываемые в горелке, причём, температура продуктов сгорания на входе в каналы может поддерживаться как постоянной, так и изменяться по закону, обеспечивающему оптимальные режимы работы. При движении по каналам насадки происходит охлаждение продуктов

сгорания и передача тепла к поверхности канала вглубь материала элементов насадки. В следующий, дутьевой период, через каналы насадки пропускают холодный газ (воздух), причём обычно в направлении, противоположном движению продуктов сгорания. Как правило, температура дутья на входе в насадку постоянна. Двигаясь по каналам насадки, газ нагревается, отбирая тепло, накопленное стенками элементов насадки. После окончания дутьевого периода цикл повторяется.

Немаловажное значение для эффективной работы насадки, как и любой другой высокоэффективной поверхности теплообмена, имеет тепловая схема установки, более того, схема включения теплообменника в аэродинамические потоки, так как доменный воздухонагреватель в режиме нагрева насадки имеет независимую схему. Газовая среда. — потоки воздуха и реагирующего топлива, а затем потоки продуктов сгорания, пройдя через поверхность теплообмена, эвакуируются через дымовую трубу. Аэродинамическое сопротивление в этом режиме имеет значение только для экономии внутренней энергии воздуха и топлива и может быть связано с ограничениями на потенциальную энергию продуктов горения. При ограничении на допустимое давление доменного газа воздухонагреватель с высоким гидросопротивлением будет иметь ограниченную тепловую нагрузку. Ограничения по воздуху, идущему на горение, менее жёсткие, так как всегда существует возможность замены воздухонагнетательной машины на более высоконапорнуго.

Этот принцип применим и для подачи газообразного топлива, но применение газодувок, или газовых бустерных установок осуществимо на производстве с большими ограничениями. Расположение на существующих заводах новых газобустерных установок является достаточно трудноразрешимой задачей.

В режиме нагрева дутья наличие воздухонагревательной системы с высоким аэродинамическим сопротивлением, расположенной между

воздуходувкой и доменной нечьюэ снижают возможность регулирования газодинамических процессов в доменной печи. В пределе, при слишком большом увеличении аэродинамического сопротивления нагревателя.

Таким образом, задача создания насадок, обладающих достаточно приемлемыми тепловыми и гидравлическими характеристиками, с учётом задач прочности и надёжности насадки, представляется довольно сложной и проблематичной. Следует отметить, что задачи подобного рода в той или иной степени завершённости были решены в других отраслях: в химии, теплоэнергетике, ракетостроении и т.д.. Использование этого опыта в металлургии было бы весьма полезно.

Компоновки регенеративных доменных воздухонагревателей.

1—горелка; 2— камера горения; 3— купол; 4— насадка; 5 —дымовой патрубок ; 6— трубопровод холодного дутья; 7— штуцер горячего дутья; 8—газопровод; 9—кожух; 10—отсекающий дросель;11—трубопровод окислителя; 12— трубопровод горючего.

Рис. 1.

Но Ш1р©щ©(е(ЕЫ тшлю-маешобмеиш в домшшыж жоздужошшгртателшж 1 о 1 „Основные показатели эффективности тепловой работы

дорогостоящих коксующихся углей.

Основным фактором, определяющим потребность доменн�