Актуальность работы. Металлургические и машиностроительные заводы в своей структуре имеют большое число прокатных и кузнечно-прессовых цехов, в которых эксплуатируется огромный парк нагревательных и термических печей, осуществляющих сложные технологии нагрева металлической продукции, как под пластическую деформацию, так и для придания изделиям необходимых физико-механических свойств.
На заводах России печи этого класса исчисляются тысячами. Но спроектированные и построенные в 40-х...70-х годах прошлого столетия нагревательные и термические печи морально и физически устарели и не соответствуют в большинстве случаев современным требованиям технологии нагрева, качества продукции и экономии топлива.
Поэтому одним из наиболее актуальных направлений совершенствования технологического режима нагрева металла является модернизация печного парка заводов, основной эффект которой достигается за счет внедрения современных скоростных рекуперативных горелок.
Применение скоростных горелок позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен, исследованием которого активно занимались: Михеев М.А., Кирпичев М.В., Зобнин Б.Ф., Жукаускас А.А., Тимофеев В.Н., Арсеев А.В., Казяев М.Д. и др. Исследования упомянутых авторов в большинстве своем направлены на изучение закономерностей конвективного теплообмена в котельных установках и в печах с горелками простой конструкции. Основная часть исследований выполнялась на стендах и лабораторных установках. В современных печах, оснащенных скоростными автоматизированными горелками, роль конвективного теплообмена изучена слабо. Актуальность данной работы заключается в том, что в ней представлены результаты исследования конвективного теплообмена в проходной печи, оснащенной скоростными рекуперативными горелками, в условиях действующего производства, а также определены пути интенсификации конвективного теплообмена для повышения производительности печи и снижения энергозатрат при нагреве металлов.
Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры России» по теме: «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области металлургических технологий» (Государственный контракт № 02.740.11.0152).
Целью диссертационной работы является установление соотношения лучистого и конвективного теплообмена в проходных нагревательных печах, оснащенных скоростными горелками, на основе промышленного эксперимента для совершенствования методов расчета при конструировании печей.
Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:
1. Разработать методику проведения промышленного эксперимента на проходной нагревательной печи.
2. Провести промышленный эксперимент с определением параметров тепловой работы печи на базе балансовых исследований.
3. Выполнить компьютерное моделирование газодинамики в рабочем пространстве исследуемой печи, с целью выявления влияния режима движения газов на теплообмен.
4. Вывести аппроксимирующую зависимость для определения коэффициентов конвективного теплообмена в подобных печах.
5. Усовершенствовать конструкцию печи для повышения ее энергоэффективности и производительности.
Объект исследования - проходная печь для нагрева медных и латунных слябов, оснащенная скоростными рекуперативными горелками.
Предмет исследования - конвективный теплообмен в условиях повышенных скоростей движения продуктов горения в рабочем пространстве печи.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели разработана методика проведения промышленного эксперимента, включающая в себя алгоритм обработки данных, полученных в ходе исследований. Промышленный эксперимент выполнен на проходной нагревательной печи ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов» г.Киров, в условиях действующего производства. Измерения осуществляли современными стационарными и переносными приборами, прошедшими государственную поверку, что определило достоверность полученных результатов. При обработке экспериментальных данных использован расчетно-теоретический анализ, основу которого составили положения теории тепло- и массообмена, теории металлургических процессов и методы математической статистики, при этом противоречий известным физическим положениям установлено не было.
Научная новизна результатов работы.
1. Разработана методика проведения промышленного эксперимента на проходной печи при нагреве медных и латунных слябов в условиях различных технологических режимов.
2. Проведен промышленный эксперимент на исследуемой печи, в ходе которого получены данные о лучистом и конвективном теплообмене при нагреве слябов скоростными рекуперативными горелками, работающими в импульсном режиме.
3. Выполнена обработка экспериментальных данных, позволившая выявить соотношение лучистой и конвективной составляющих внешнего теплообмена при рабочей температуре до 1000°С.
4. Установлена аппроксимирующая зависимость для расчета коэффициентов конвективного теплообмена с учетом кратности циркуляции газов в рабочем пространстве печи.
5. При помощи компьютерного моделирования газодинамики рабочего пространства исследуемой печи определены направления дальнейшей интенсификации конвективного теплообмена для печей подобной конструкции.
Практическая значимость работы.
1. Определено влияние импульсного режима работы скоростных рекуперативных горелок на величину конвективного теплообмена.
2. Усовершенствована методика расчета тепловой работы печи с использованием выведенной аппроксимирующей зависимости, позволяющей рассчитывать конвективный теплообмен.
3. Определены направления по дальнейшему совершенствованию конструкции проходных печей с боковой системой отопления для повышения производительности печи и снижения энергозатрат при нагреве металла под пластическую деформацию.
Личный вклад автора. Личный вклад автора работы заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его методологии, в личном участии при проведении промышленного эксперимента, в обработке экспериментальных данных и разработке основ научного обоснования применения скоростных рекуперативных горелок для интенсификации конвективного теплообмена и в целом тепловой работы печи.
Автор защищает:
1. Методику промышленного эксперимента.
2. Результаты исследований теплообмена в проходной печи при нагреве медных и латунных слябов скоростными рекуперативными горелками.
3. Аппроксимирующую зависимость для определения параметров конвективного теплообмена.
4. Результат энергосбережения при интенсификации конвективного теплообмена.
Реализация результатов. Рекомендации по дальнейшей интенсификации конвективного теплообмена за счет рационализации геометрии рабочего пространства проходной печи представлены в ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов». Результаты исследований конвективного теплообмена использованы ООО «НПК «УралТермоКомплекс» при выполнении предпроектной проработки новой конструкции нагревательной печи с шагающим подом для ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов».
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И. Китаева», УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2009 г.) и на научно-технической конференции «Теория и практика нагревательных печей в XXI веке» (г. Екатеринбург, 2010 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 11 научных статьях, из них 3 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 131страницах машинописного текста и содержит 22таблицы, 62рисунка и список использованной литературы, содержащий 63наименования.
При выполнении работы получены следующие научные и практические результаты:
1. Разработана и отлажена методика проведения промышленного эксперимента по изучению внешнего теплообмена на промышленных печах.
2. Впервые проведен масштабный промышленный эксперимент, позволивший на основе балансовых исследований установить соотношение конвективного и лучистого теплообмена в промышленной печи, оснащенной скоростными рекуперативными горелками, работающими в импульсном режиме.
3. Получены экспериментальные значения коэффициентов конвективного теплообмена и установлена их связь с параметрами газодинамического режима печи, позволившая вывести аппроксимирующую зависимость Ки=£(Ие, Рг).
4. При сжигании природного газа в скоростных рекуперативных горелках проходной печи на основании балансовых исследований выявлено улучшение показателей работы печи, а именно: повышение равномерности нагрева металла, снижение расхода природного газа на ~24%, увеличение производительности печи на ~74%, и, как следствие снижение удельного расхода условного топлива на ~56%.
5. Проведено компьютерное моделирование с целью изучения газодинамики в рабочем пространстве проходной нагревательной печи, на основании которого получены данные по кратности циркуляции газов в компьютерной модели печи, выполненной в масштабе 1:1. С помощью компьютерного моделирования определены скоростные поля в рабочем пространстве печи, из чего определены возможные направления интенсификации конвективного теплообмена при нагреве металла. Выполнена рационализация геометрии рабочего пространства печи с последующим моделированием газодинамики, которая привела к увеличению коэффициентов конвективного теплообмена на 91.. .98%.
6. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании новой нагревательной печи высокой производительности.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
