CC BY
63
Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология вить проектирование, строительство, эксплуатацию сооружений, в короткое время выполнить требование ФЗ «О водоснабжении и водоотведении» по проектированию схем водоснабжения и водоотведения городов и поселков, которое выполняется в настоящее время.
Литература
1. Gao Shun Qiu, Ling Feng Qiu, Jian Zhang, Yi Ming Chen. Research on Intensive Nutrients Removal of the Low C/N Sewage // Advanced Materials Research. 2012, no. 550 - 553, pp 2142 -2145.
2. Lawrence K. Wang, Nazih K. Shammas. Single-Sludge Biological Systems for Nutrients Removal // Handbook of Environmental Engineering, 2009, no 9, pp. 209-270
3. Баженов В.И., Эпов А.Н., Носкова И.А. Математическое моделирование объекта очистки сточных вод // Экологический вестник России. 2011. №2. С. 46.
4. Баженов В.И., Денисов А.А. Проектирование современных комплексов биологической очистки сточных вод // Экология и промышленность России. 2009. №2. С. 26.
5. Саломеев В.П., Гогина Е.С. Применение одноиловой системы денитрификации для реконструкции биологических очистных сооружений // Вестник МГСУ. 2009. №3. С. 129-135
6. Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Камбург В.Г., Алексеева Т.В., Ширшин И.Б. Моделирование процессов флотационной очистки сточных вод // Региональная архитектура и строительство. 2009. №2. С. 91 - 99.
Энерго- и ресурсосбережение в высокотемпературных печах с фальш-кожухом
к.т.н. доцент Большакова Н.В.
Университет машиностроения 8(499)267-12-10, n.bolshakova@pochta.ru
Аннотация. Изложены метод и алгоритм компьютерного анализа тепловых потерь в высокотемпературных печах, позволяющего оптимизировать конструкцию и материалы футеровки с точки зрения энерго- и ресурсосбережения. Приводятся сведения о программном обеспечении предложенного метода и результаты расчёта варианта печи с фальш-кожухом.
Ключевые слова: высокотемпературные печи, футеровка, фальш-кожух, система уравнений теплопереноса, свободная конвекция в зазоре, компьютерный анализ
При проектировании высокотемпературных печей, предназначенных для термообработки различных материалов, встаёт вопрос о сбережении энергии, затрачиваемой на процесс. С целью уменьшения потерь тепла печное пространство изолируют от окружающей среды футеровочными и теплоизоляционными материалами.
По ГОСТ 12.2.007.9-93 температура наружной стенки печи (части, доступные для соприкосновения) не должна превышать 70-80 °С, а по санитарным нормам для безопасности обслуживающего персонала эта температура не должна превышать 45 °С В связи с этим выбор материалов футеровки и толщины огнеупорных и теплоизолирующих слоёв в печах с высокой температурой становится весьма актуальным.
Расчёты показали: чтобы иметь заданные температуры в печи и наружной поверхности и одновременно минимальные тепловые потери слои огнеупора футеровки и теплоизоляции должны иметь существенную толщину, а материалы наименьшую теплопроводность. Для уменьшения толщины изоляции и сбережения футеровочных материалов с наружной стороны печи устанавливают с зазором от поверхности футеровки металлический кожух 4 (лист),
Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология называемый фальш-кожухом (рисунок 1).
Рисунок 1. Футеровка высокотемпературной печи: 1 - пространство печи; 2 - слой огнеупорной футеровки; 3 - теплоизоляционный слой; 4 - фальш-кожух; ¿п - температура печи; ¿0 - температура окружающей среды; ¿1, ¿2, ¿3 - температуры границ слоёв футеровки; ¿4 - температура фальш-кожуха; t - температура воздуха на выходе из зазора; 51, 62 - толщины слоев футеровки; 5 - толщина зазора между фальш-
кожухом и поверхностью футеровки
Применение фальш-кожуха в печах показало их эффективность. В то же время возникла проблема: как выбрать толщины слоёв футеровки и зазора и рассчитать тепловые потери в печах с фальш-кожухом на стадии проектирования.
Тепловые потоки из внутреннего пространства печи к стенке футеровки и тепловые потоки через слои футеровки можно рассчитать по известным зависимостям.
Тепловой поток из печного пространства передаётся внутренней стенке футеровки конвекцией и излучением согласно уравнению Ньютона:
Ч Ш«п • ('п - О,
где ап - коэффициент теплоотдачи, учитывающий конвекцию и излучение печной среды и рассчитываемый по известным зависимостям.
Через слой огнеупора и слой теплоизоляции тепловые потоки по уравнению Фурье для одномерной задачи при значительной протяжённости слоёв равны:
ЧШ1Т• ^ -^ Ч = ¥• -Ч).
°1 °2
Теплоперенос в зазоре определяется многими факторами: излучением и теплопроводностью между поверхностью теплоизоляции и фальш-кожухом, свободной конвекцией воздуха в зазоре, толщиной зазора, равномерностью температур стенок по высоте, излучатель-ными характеристиками стенок, гидродинамическими характеристиками зазора и т.д.
С целью создания методики расчёта печей с фальш-кожухом и уточнения зависимостей, описывающих теплоперенос в зазоре, был поставлен эксперимент. В электропечах сопротивления снаружи футеровки устанавливался металлический кожух на разных расстояниях от теплоизоляции. Термопарами измерялась температура поверхности теплоизоляции и фальш-кожуха. Изменялась и фиксировалась электрическая мощность печи и тепловые потери через стенку с фальш-кожухом.
Проведённый эксперимент показал преимущества такой системы с точки зрения эко-
Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология номии футеровочных материалов при меньших тепловых потерях. Эксперимент позволил описать теплообмен в зазоре и выбрать методику расчёта тепловых потерь печи через изоляцию с зазором.
Известно, что в зазорах с нагретыми стенками наблюдается свободная конвекция воздуха. Формулы, описывающие теплоперенос свободной конвекцией в замкнутых пространствах и в текучих средах, представлены многими авторами [1]. В данном эксперименте воздух поступал в открытый зазор снизу из окружающей атмосферы и в результате нагрева поднимался вверх из-за уменьшения плотности и созданной силы тяги.
Гидродинамика процесса при естественной тяге в открытой щели навесного вентилируемого фасада описана в [2]. Подъёмная сила в зазоре возможна при определённых толщинах зазора, высоты канала и температурах стенок щели, создающих тепловой поток для нагрева воздуха.
Тепло, переданное воздуху в зазоре печи благодаря свободной конвекции, описывалось традиционной критериальной зависимостью числа Нуссельта Ии от числа Релея Ra. Эта зависимость при обработке полученных экспериментально данных в открытой щели приобретает вид:
Г^ 0'4
Яа •DJ
= £ Ь• 0
где h - высота футеровки и зазора,
D = 25 - эквивалентный размер, равный удвоенной толщине зазора 5, принятый по гидравлическому размеру щели.
Число Яа принято равным:
13
g • (- -1 ) • D
Яа = -^--Pr.
у3 • (-г + 273)
. - 3 + - 4
где -с = —---средняя температура стенок зазора,
-3 - температура внутренней стенки зазора - теплоизоляции, -4 - температура наружной стенки зазора - фальш-кожуха, -г - средняя температура воздуха в зазоре,
V - кинематическая вязкость воздуха при средней температуре в зазоре, Рг - число Прандтля воздуха при средней температуре в зазоре.
По числу Ии можно определить коэффициент теплоотдачи от стенки теплоизоляции к воздуху и от фальш-кожуха к воздуху, условно принятыми равными:
Ии •1 а ш '
где X - теплопроводность воздуха при средней температуре воздуха в зазоре.
Для расчёта суммарных тепловых потерь из печи рассматривают отдельные тепловые потоки.
От наружной стенки теплоизоляции тепло передаётся воздуху в зазоре за счёт свободной конвекции:
41 ша1 • (-3 - -г )-
От фальш-кожуха тепло передаётся воздуху в зазоре также за счёт свободной конвекции, если его температура при заданных режимах и зазорах больше температуры воздуха в зазоре, в ином случае тепло передаётся от воздуха фальш-кожуху:
43 Ша1 • (-4 - -г )
Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология
Суммарное тепло, переданное воздуху за счёт свободной конвекции можно описать уравнением нагрева его от температуры окружающей среды до температуры на выходе из зазора:
г - и
Чг = р- Ср - м -5
'0
к
где р - плотность воздуха при средней температуре гг,
Ср - массовая теплоёмкость воздуха при средней температуре гг, г0 - температура воздуха в окружающей среде и на входе в зазор, г - температура воздуха на выходе из зазора,
м - скорость воздуха в зазоре, которую можно рассчитать из уравнения, представляющего собой равенство напора за счёт силы тяги силе гидравлического сопротивления течению воздуха в зазоре:
г г - г 0 _ , е к ^ р- м2
р-§ ■ к--^-Ь = 1 Хм +Хт —
г0 + 273 ^ В 0 2
где - коэффициент местного гидравлического сопротивления зазора, ^т - коэффициент гидравлического сопротивления трения.
Коэффициент гидравлического сопротивления трения зависит от скорости воздуха в зазоре и может быть рассчитан по формуле для плоских щелей [3]:
х ш
т Яе
где Яе ш м а - число Рейнольдса.
v
Входящая в вышеприведённые формулы средняя температуру газа 1;г по высоте зазора И определяется как
1 гЬ
г г = — г (х)аХ, г к ¡0
где г(х) - решение дифференциального уравнения прогрева воздуха, текущего в канале и принимающего тепло от стенок с принятыми одинаковыми коэффициентами теплоотдачи:
^" 5 - к х)],
ах о
где введён критерий подобия Стентона:
р» Ср • м
Решение дифференциального уравнения с начальным условием г(0) = г0 даёт распределение температуры по высоте зазора:
где В
г( х)" гс - (гс - - е_В,х,
25г • к
5
Таким образом, для средней температуры газа окончательно имеем:
К "гс-&-О• В-(1 - ~В\ .
Кроме того, тепло от наружной стенки теплоизоляции передаётся излучением к фальш-кожуху:
Ч2 =
д-[(г3 + 273)4 - (г4 + 273)4 ]
1/ е3 +1/ е4 -1
где о - постоянная Стефана-Больцмана,
Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология
83 и s4 - степень черноты теплоизоляции и фальш-кожуха.
Следует учесть также теплоотдачу от фальш-кожуха в окружающую среду:
q0 rna0 • (t4 -f0),
где а0 - коэффициент теплоотдачи от фальш-кожуха в окружающую среду, который рассчитывается по формулам, учитывающим излучение и свободную конвекцию, или по формулам, аппроксимирующим известные экспериментальные данные.
Для сведения баланса тепловых потоков можно написать уравнения:
q = qi + q2, qi = q3 + qo, Яг = qi + q3.
Задавшись температурой печи, а также температурой окружающей среды, можно по представленной системе уравнений подобрать для конкретной печи типы огнеупорного и теплоизоляционного материала, их толщину, а также толщину зазора, необходимую для обеспечения заданной температуры фальш-кожуха. С помощью этой же системы можно определить тепловые потери печи и оптимизировать их.
0.S
0.6
w 0.4
0.2 0
0 0.02 0.04 0.06 0.0S 0.1
5
Рисунок 2. Зависимость средней скорости воздуха в зазоре от толщины зазора
150
130 t3 НО
70 50 30
0 0.02 0.04 0.06 0.0S 0.1
£>
Рисунок 3. Зависимость температуры поверхности изоляции t3, фальш-кожуха t4, температуры воздуха на выходе tr от толщины зазора
Программное обеспечение предложенного метода расчёта может быть осуществлено с помощью системы Mathcad. Система Mathcad позволяет предложенную систему уравнений
Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология
увеличить за счёт введения дополнительных уравнений, описывающих свойства воздуха, коэффициентов теплоотдачи печи и в окружающую среду и т.д.
Для анализа получаемых решений выполнен расчёт системы из 19 уравнений в программе Mathcad. Расчёт проводился при температуре печи 1000°C и ап =
150 Вт/(м2 • К) при
заданных толщинах слоёв огнеупора ШЛ-1,3, равной 0,13 м, и теплоизоляции из МКРВ-200, равной 0,1м. Коэффициент теплоотдачи от фальш-кожуха в окружающую среду рассчитывался по формуле:
a0 = 7,3 + 0,6 • (t4 -t0)057. Характер изменений скорости воздуха в зазоре, температур фальш-кожуха, стенок зазора, температуры воздуха на выходе из зазора, тепловых потоков от толщины зазора, полученные расчётом, представлен на графиках.
10001-----
о1-----
О 0.02 0.04 0.06 0.0S 0.1
5
Рисунок 4. Зависимость от толщины зазора теплового потока, переданного воздуху qг, теплового потока, переданного в окружающую среду от фальш-кожуха д0 и суммарного
теплового потока, теряемого печью д
0.1
0.04----
1000 1100 1200 1300 1400
Рисунок 5. Зависимость толщины зазора от температуры печи при температуре на
фальш-кожухе 70 °С
Как видно из графиков, скорость воздуха растёт с увеличением толщины зазора 5 между футеровкой и фальш-кожухом от 3 до 20 мм, поскольку уменьшается гидравлическое сопротивление трения в зазоре, и вместе со скоростью растёт тепло qг, унесённое воздухом.
Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология
Из-за роста теплового потока к воздуху в зазоре температура фальш-кожуха и существенно уменьшается с увеличением зазора и поэтому тепловой поток от фальш-кожуха в окружающую среду д0 с увеличением зазора уменьшается.
Тепло воздуха, выходящего из фальш-кожуха, можно использовать в утилизационной установке в целях энергосбережения.
Общий тепловой поток (потери) через футеровку с фальш-кожухом д с увеличением толщины зазора от 0 до 50 мм при заданных условиях увеличивается примерно на 3,5%. Следовательно, для уменьшения тепловых потерь более существенно подбирать толщины слоёв футеровки.
Решение системы уравнений позволяет оценить и другие соотношения параметров процесса. Так при увеличении температуры в печи для поддержания температуры на фальш -кожухе 70 °С следует увеличивать величину зазора согласно рисунку 5.
Расчёты показали: чем меньше толщина теплоизоляционного слоя 5т, тем с большим зазором надо устанавливать фальш-кожух, чтобы поддерживать температуру на кожухе 70 °С (рисунок 6). На рисунке 6 нанесена точка, показывающая, что при отсутствии фальш-кожуха для поддержания температуры на поверхности теплоизоляции 70 °С толщина изоляции должна составлять 0,17 м.
0.01 0.008 0.006
5
0.004 0.002 О
0.05 0.08 0.11 0.14 0.17 0.2 5т
Рисунок 6. Зависимость величины зазора от толщины теплоизоляции печи с температурой 1200 °С, поддерживающей на фальш-кожухе 70 °С
Следует отметить, что при определённых величинах зазора свободная конвекция в открытой щели отсутствует, а превалирует перенос тепла теплопроводностью. Это подтверждает компьютерный анализ значениями чисел Релея Яа.
Настоящая методика расчёта может быть использована при проектировании высокотемпературных печей и реакторов с целью оптимизации тепловых потерь и экономических затрат на материалы футеровки.
Литература
1. Бухмиров В.В. Расчёт коэффициента теплоотдачи (справочник), т.6. - Иваново, 2012 г.
2. Явтушенко Е.Б. Основы гидравлического расчета навесных вентилируемых фасадов. Интернет-журнал "Строительство уникальных зданий и сооружений", 2013, №2 (7)
3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии ч.1. - М.:Химия, 1995 г.
