CC BY
22
220/
/хггггг: кгггш г,тгт:п
1 (54), 2 (55), 2010-
It is shown that at carrying out of multivariant calculations the possibility to achieve uniformity of convection heating by means of variation of constructive parameters of working furnace chamber including burners location, and in such a way to intensify the heating of metal.
И. А. ТРУСОВА, П. Э. РАТНИКОВ, Д. В. МЕНДЕЛЕВ, С. В. КОРНЕЕВ, БНТУ
УДК 669.04
выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров пламенных печей камерного типа с высокоскоростными горелками с целью обеспечения равномерности нагрева
В настоящее время снижение себестоимости нагрева металла в печах прокатного, кузнечного и штамповочного производств достигается как за счет реконструктивных мероприятий (внедрение новых горелочных устройств, установка эффективного теплоутилизационного оборудования, замена футеровки и т. д.), так и за счет интенсификации теплообменных процессов в рабочем пространстве.
Возможности дальнейшей интенсификации процессов нагрева металла за счет увеличения доли радиационной составляющей теплообмена практически исчерпаны, поскольку температура греющей среды лимитируется огнеупорностью используемых в печестроении материалов, степень черноты поверхностей теплообмена близка к единице, а степень черноты продуктов сгорания топлива в существующих конструкциях относительно низкая. Поэтому в настоящее время изучаются и реализуются различные способы интенсификации тепловой работы печей путем повышения конвективной составляющей теплообмена (например, за счет организации струйного конвективного теплообмена) [1].
Интенсификация конвективного теплообмена требует создания высоких скоростей газообразного теплоносителя при его канальном движении или организации его рециркуляции в рабочем пространстве печи. Такой вид нагрева основан на применении специальных газогорелочных устройств или так называемых скоростных горелок, обеспечивающих высокую скорость продуктов сгорания (100 м/с и более). При этом из-за высокой скорости потока продуктов сгорания и разрушения пограничного слоя ударной струей конвективная со-
ставляющая теплоотдачи резко возрастает и составляет не менее 50% от суммарного теплового потока [2]. Такая интенсификация теплообмена существенно ускоряет процесс нагрева при одновременном улучшении качества нагрева за счет уменьшения окалинообразования и обезуглероживания поверхности по сравнению с традиционным нагревом.
В данной статье рассмотрены вопросы обеспечения равномерности конвективного теплообмена в рабочем пространстве камерных печей путем подбора оптимальных конструктивных параметров печи.
В работе [3] сделан однозначный вывод о преимуществе конструкции рабочего пространства печей с удалением дымовых газов через щелевую конструкцию пода по сравнению со схемой удаления дымовых газов через свод, поэтому рассмотрим именно такую конструкцию печи (конструктивные размеры рабочей камеры печи аналогичны полупромышленному стенду для нагрева заготовок в ГНУ ИТМО НАН Беларуси - печь ПВП-1). При выбранном способе удаления дымовых газов необходимо подобрать такие конструктивные параметры печи (высота установления боковых горелок, расстояние между заготовками и характерный размер щели подины), при которых наблюдается равномерность обтекания заготовки по ее поверхности дымовыми газами.
С учетом того, что печь выходит на рабочий режим в течение 6-9 мин, то основное время нагрева газодинамические процессы происходят в квазистационарном режиме. Математическая модель нагрева цилиндрических заготовок в камерной печи в двухмерной постановке с учетом представ-
ления выражении, констант и переменных для расчетного программного пакета FemLab Comsol Multiphysics имеет следующий вид [4]:
ди ди др
дх ду
дх' др
Sv dv
дх ду ду
ди dv . — + — = 0, дх ду
v(-*1vr1) = Plcplr1J(-
StsP2Cp2
2 2 iT +vz
(1)
dT2j dt
+
n(£iV7i -k2VT2j) =
1+2
-T2j
Tij),
i=3 4
T2j t=о =72/0 T\ = const,
где t - независимая переменная (время); w, v - компоненты вектора скорости дымовых газов (определяются через мощность P горелок); р2, Ср2, k2 - соответственно плотность, теплоемкость и теплопроводность заготовок; П1 = 0,272T10,7265-10 -6 Пуаз, р1 = 439,98 Г1_1'0319кг/м3, k1 = 0,126 Вт/(мК), Cpi = 1544 Дж/(кг-К) - соответственно динамическая вязкость, плотность, теплопроводность, теплоемкость дымовых газов; hj - коэффициент конвективной теплоотдачи от дымовых газов к j-й заготовке; T1 - температура дымовых газов; T2j -
l+2 , 4 ч
температура j-й заготовки; ^sis\Ti -T2 ) -
i=3 ^ j'
сумма падающих потоков излучения на j-ю заготовку от всех объектов в количестве l, участвующих в теплообмене, с учетом переизлучения j-й заготовки.
При решении уравнений Навье-Стокса, входящих в систему (1), можно получить распределение чисел Рейнольдса и поля скоростей дымовых газов при заданном рабочем температурном режиме
/хтг:с г: к<тшггтгт:п /991
-1 (54,2 (55), 2010 /
печи. Полученное поле скоростей учитывается при расчете конвективной составляющей теплового потока, передаваемого заготовкам. Таким образом, можно оценить вклад конвективной составляющей при различных конструктивных и технических параметрах проходной печи и, тем самым, рассчитать оптимальные параметры технологии нагрева, что особенно важно при определении мест расположения горелочных устройств.
С учетом ряда уже определенных конструктивных и технологических параметров, обозначенных при постановке задачи математического моделирования, выполнена ее численная реализация на примере высокотемпературной установки (высота -700 мм, ширина - 900 мм) для нагрева цилиндрических заготовок диаметром 150 мм. В качестве горелочных устройств приняты скоростные горелки Kromschroder В1С 140 (скорость истечения -100 м/с, диаметр сопла - 142 мм) (рис. 1).
Поставленная задача решалась в двухмерном пространстве в сечении, проходящем через продольные оси установленных горелок (рис. 2). Численное решение реализовано с помощью метода конечных элементов. В качестве конечного элемента выбран треугольник. На рис. 3 показана схема разбиения рабочего пространства камеры на конечные элементы. В ходе многовариантных расчетов варьировались конструктивные параметры исполнения рабочего пространства печи (высота установления горелок ^, расстояние между осями заготовок хв, размеры щелей в поду х, и диаметр сопла горелки).
Анализ результатов численного моделирования (см. таблицу) позволил определить такие конструктивные и технологические параметры пламенной камерной печи, которые позволяют добиться наибольшей равномерности обогрева стальных заготовок, тем самым, способствуя улучшению качества нагрева, и снижения удельного топливопотре-бления. Критерием равномерности нагрева служило равенство скоростей продуктов сгорания, а, следовательно, и равенство коэффициентов конвективной теплоотдачи в контрольных точках заготовок. На рис. 4 показано расположение контрольных то-
Рис. 1. Короткофакельная скоростная горелка Kromschroder BIC 140
Рис. 2. Расположение нагреваемых заготовок в печи
999/ шмм1
ЪЪЪI 1 (54), 2 (55), 2010 "
Рис. 3. Схема разбиения рабочего пространства камеры на конечные элементы
Рис. 4. Расчетная схема и контрольные точки
Значения скоростей продуктов сгорания и чисел Рейнольдса в контрольных точках на поверхности заготовок в зависимости от конструктивных параметров печи при скорости продуктов сгорания 100 м/с
Номер параметра Dв и хв Ав и 2 и и4 и5
1 0,05 100 0,225 0,05 0,175 32,35 36,7 21,6 27 4,73
2 0,05 100 0,225 0,05 0,275 25,8 15,77 23,27 27,05 1,75
3 0,05 100 0,225 0,05 0,375 18,45 12,41 22,87 25,65 0,21
4 0,05 100 0,225 0,05 0,475 14,65 20,6 22,8 25,15 2,365
5 0,05 100 0,225 0,05 0,575 13,84 17,64 22,24 24,25 0,201
6 0,05 100 0,225 0,1 0,175 31,68 40,45 25,45 30,6 1,3
7 0,05 100 0,225 0,1 0,275 21,53 16,5 30,45 34,48 0,79
8 0,05 100 0,225 0,1 0,375 15,34 11,77 28,6 30,65 2,85
9 0,05 100 0,225 0,1 0,475 12,73 17,63 26,65 28,3 0,688
10 0,05 100 0,225 0,1 0,575 12,85 17,18 24,9 26,53 0,08
11 0,05 100 0,225 0,15 0,175 31,5 43,58 32,2 37,1 3,19
12 0,05 100 0,225 0,15 0,275 18,64 19,8 36,75 39,95 2,485
13 0,05 100 0,225 0,15 0,375 11,57 10,4 33,35 34,48 2,68
14 0,05 100 0,225 0,15 0,475 10,72 16,3 29,9 30,55 2,49
15 0,05 100 0,225 0,15 0,575 11,73 16,74 26,58 26,85 1,22
16 0,05 100 0,25 0,05 0,175 37,6 37,85 12,74 15,33 1,96
17 0,05 100 0,25 0,05 0,275 25,2 9,64 14,12 14,55 1,81
18 0,05 100 0,25 0,05 0,375 19,47 19,55 12,61 13,75 1,33
19 0,05 100 0,25 0,05 0,475 17,75 24,53 11,66 13,17 0,08
20 0,05 100 0,25 0,05 0,575 17,57 22,74 11,27 12,59 0,89
21 0,05 100 0,25 0,1 0,175 32,22 43,44 21,05 25,52 0,94
22 0,05 100 0,25 0,1 0,275 15,95 14,37 25,75 27,9 2,7
23 0,05 100 0,25 0,1 0,375 12,6 14,35 22,73 24,32 3,04
24 0,05 100 0,25 0,1 0,475 12,17 20,63 20,23 21,74 0,19
25 0,05 100 0,25 0,1 0,575 13,28 18,2 18,25 19,65 0,95
26 0,05 100 0,25 0,15 0,175 30,6 48,53 27,45 32,79 0,09
лггттгпг: кгтшглт /990
-1 (54,2 (55), 2010 /
Продолжение таблицы
Номер Dв и *в Х8 Йв и1 и 2 и и4 и5
параметра
27 0,05 100 0,25 0,15 0,275 12 10,21 27,8 28,64 1,81
28 0,05 100 0,25 0,15 0,375 6,22 12,59 31,15 33,54 1,3
29 0,05 100 0,25 0,15 0,475 6,94 17,59 26,35 28,09 0,52
30 0,05 100 0,25 0,15 0,575 10,28 16,32 24 24,61 1,7
31 0,1 100 0,225 0,05 0,175 49,85 59,2 42,5 51,9 5,45
32 0,1 100 0,225 0,05 0,275 47,3 25,9 45,2 52,4 2,92
33 0,1 100 0,225 0,05 0,375 35,58 15,6 44,73 50,1 0,944
34 0,1 100 0,225 0,05 0,475 29,95 27,73 44,5 48,55 0,543
35 0,1 100 0,225 0,05 0,575 28,75 27,28 44,8 49,05 0,116
36 0,1 100 0,225 0,1 0,175 49,8 59,7 46,45 54,75 3,45
37 0,1 100 0,225 0,1 0,275 40,95 28 53,8 60,15 3,13
38 0,1 100 0,225 0,1 0,375 32,15 12,38 52,2 56,85 2,725
39 0,1 100 0,225 0,1 0,475 28,35 25,93 50,35 53,15 1,29
40 0,1 100 0,225 0,1 0,575 27,85 26,47 48,4 51,1 2,04
41 0,1 100 0,225 0,15 0,175 52,9 64,8 58,2 66,1 6,93
42 0,1 100 0,225 0,15 0,275 39,2 30,9 62,1 67 2
43 0,1 100 0,225 0,15 0,375 27,58 11,9 59,3 61,1 1,24
44 0,1 100 0,225 0,15 0,475 26,43 24,24 53,55 54,4 2,09
45 0,1 100 0,225 0,15 0,575 25,37 25,85 49,8 49,9 0,39
46 0,1 100 0,25 0,05 0,175 58,4 59,22 32,4 35,4 2,03
47 0,1 100 0,25 0,05 0,275 44,15 20,84 34,2 34,8 6,65
48 0,1 100 0,25 0,05 0,375 34,4 23,22 33,9 34,33 0,67
49 0,1 100 0,25 0,05 0,475 31,6 33,4 33,5 34,5 2,39
50 0,1 100 0,25 0,05 0,575 31,4 31,9 33,15 34 1,03
51 0,1 100 0,25 0,1 0,175 54,2 62,5 39,7 42,75 5,67
52 0,1 100 0,25 0,1 0,275 36,95 25,1 44,7 46,5 4,11
53 0,1 100 0,25 0,1 0,375 29 19,74 42,5 43,5 0,32
54 0,1 100 0,25 0,1 0,475 26,45 31,1 39,8 40,45 3,4
55 0,1 100 0,25 0,1 0,575 27,9 29,3 37,7 38,5 0,17
56 0,1 100 0,25 0,15 0,175 49,7 72,2 49,85 58,2 2,36
57 0,1 100 0,25 0,15 0,275 23,4 31,4 56,5 61,9 3,04
58 0,1 100 0,25 0,15 0,375 16,2 14,6 51,8 54,3 0,16
59 0,1 100 0,25 0,15 0,475 18,55 26,7 47,4 48,65 3,29
60 0,1 100 0,25 0,15 0,575 21,33 26,8 43,83 44,5 2,09
чек при нагреве цилиндрических заготовок в пламенной печи, работающей по камерному режиму.
Как видно из таблицы, наибольшей равномерности нагрева заготовок (при скорости истечения продуктов сгорания из горелок со скоростью 100 м/с) удается добиться при конструктивных параметрах № 49 и 50.
Таким образом, при проведении многовариантных расчетов появляется возможность путем варьирования конструктивных параметров рабочей камеры печи, включая месторасположение горелок, добиться равномерности конвективного обогрева и, тем самым, интенсифицировать нагрев металла.
Литература
1. Т и м о ш п о л ь с к и й В. И., Т р у с о в а И. А., Р а т н и к о в П. Э. Возможности применения струйного нагрева металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2. С. 63-66.
1. К р а с н о к у т с к и й П. Г. Исследование и разработка печей скоростного струйного нагрева заготовок на сплошном керамическом поду: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М.: МИСиС, 1980.
2. Подбор конструктивных и технических параметров проходной нагревательной печи для нагрева заготовок под штамповку с целью создания энергосберегающих технологий / И. А. Трусова, Д. В. Менделев, П. Э. Ратников, С. В. Корнеев // Республ. межвед. сб. науч. тр. «Металлургия». Вып. 32. Мн.: Выш. шк., 2009. С. 30-40.
3. Математическое моделирование процесса теплообмена в камерной нагревательной печи / В. И. Тимошпольский, И. А. Трусова, Д. В. Менделев, П. Э. Ратников // Литье и металлургия. 2009.№ 3. С. 317-321.
