CC BY
40
УДК 621.365.22.001.5
ЕГНосов, ЕА.Казачков, А.В.Остроушко, ЕА.Чичкарев
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ СТЕНОВЫХ ПАНЕЛЯХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
В настоящее время наибольшее распространение в качестве элемента конструкции электродуговых сталеплавильных печей получили трубчатые стеновые панели с разреженной компоновкой, обладающие рядом преимуществ по сравнению с другими типами водоохлаждаемых панелей [1,2].
Рассмотрим тепловую работу плоской оребренной поверхности со слоем гарнисажа. Теплопередача в системе вода-водоохлаждаемый элемент-гарнисаж, описывается дифференциальным уравнением теплопроводности [1-3,6}.
Расчетная область, представленная на рис.1, выделяется плоскостями симметрии, и включает половину ширины ребра и половину ширины межреберного промежутка. Поверхность покрытая гарнисажем, считается плоской т.к. по ней стекает жидкий шлак. Граничные условия для решения уравнения теплопроводности также представлены на рис.1.
Рис. КСхема к расчету теплопередачи в системе гарнисаж - водохлаждаемый элемент - вода.
Дифференциальное уравнение теплопроводности решалось методом конечных разностей по чисто неявной разностной схеме. Разбиение расчетной области на ячейки осуществлялось таким образом, чтобы границы областей с различными теплофизическими свойствами попадали на границы ячеек разностной схемы, поэтому пространственная сетка получалась неравномерной. Так как поставленная задача двумерна, решение разностных уравнений осуществлялось по локально-одномерной схеме с расщеплением по пространственным координатам. По времени выполнялся счет на установление.
Особенность теплопередачи в слое гарнисажа, пронизанном ребрами -сток значительного количества теплоты через ребра, что приводит к их прогреву до высокой температуры и износу в основном за счет коррозии стали при взаимодействии с газами, диффундирующими через гарнисаж [3,4].
Следовательно, для предотвращения износа ребер геометрия оребрения, должна обеспечить приемлемый уровень температур в наиболее теплонапря-женной точке - у вершины ребра.
Основным параметром, определяющим тепловую работу водоохлаж-даемой панели, является плотность оребрения Гр, равная относительной площади проекции ребер на плоскость водоохлаждаемой панели.
Анализ результатов проведенных расчетов для различной плотности оребрения показал, что увеличение плотности оребрения приводит к росту воспринимаемого теплового потока и снижению уровня температур в ребре. Рациональным значением плотности оребре_ния • можно считать значение Гр = ОД так как при более высокой 'плотности ширина межреберного промежутка становится слишком малой для прочного сцепления со слоем гарнисажа над вершинами ребер.
Как показал расчет эффективной теплопроводности оребренного слоя, она в 5-6 раз превышает теплопроводность гарнисажа при плотности оребрения Гр = 0.5, и определяется.в основном плотностью оребрения .
По соображениям удобства изготовления предпочтение следует отдать крупным ребрам, так как при относительно небольшом снижении эффективной теплопроводности облегчается изготовление панелей. Кроме того, крупные ребра более длительно служат в условиях высокотемпературной коррозии. .
Что касается оптимальной высоты ребер, то она определяется уровнем воспринимаемого теплового потока и требованиями к удержанию гарнисажа на поверхности панели. Температура на вершине рёбер снижаемся при уменьшении высоты ребра, т.к. растёт толщина неохлаждаемого ребрами слоя гарнисажа над вершинами рёбер. Опасность наличия не скрёпленного ребрами толстого слоя гарнисажа заключается в легкости его отслоения и откола при изменении тепловой нагрузки на панели или механическом воздействии, при тепловой нагрузке не более 100-150 кВт/м > характерной для водоохлаждаемых элементов ДСП [5], оптимальными представляются ребра с высотой, равной ширине. ■
Для более точной оценки воспринимаемого теплового потока и количества пропускаемого тепла, разработана математическая модель теплопередачи в слое гарнисажа, пронизанного трубами, в которых движется охлаждающая жидкость.
Температурное поле в слое гарнисажа находили решением дифференциального уравнения теплопроводности [1-3,6].
Расчетная область (см. рис.2) ограничивается поверхностью кожуха печи, поверхностью слоя гарнисажа, а также адиабатическими плоскостями, являющимися плоскостями симметрии. Граничные условия для решения уравнения теплопроводности также представлены на рис.2.
Рис.2 . Модельное представление расчетной области для водоохлаждаемых панелей с разреженной компоновкой.
а
Расчеты выполнялись для охлаждающих труб с внутренним диаметром, равным 44 мм, с толщиной стенки 16 мм (внешний диаметр 76 мм) и высотой ребер 25 мм (диаметр по вершинам ребер 126 мм).
Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности к воде « от поверхности кожуха в окружающую среду рассчитывались по известным формулам [6].
При построении разности сетки трубы круглого сечения заменялись квадратными с такой же площадью. Использованный метод решения уравнения теплопроводности идентичен изложенному выше.
В результате расчетов на модели установлено, что водоохлажадемая панель из гладких труб пропускает к поверхности кожуха значительное количество теплоты, зависящее от межтрубного расстояния, что при больших тепловых нагрузках может приводить к перегреву кожуха.
Оребрение труб позволяет значительно снизить долю теплоты, пропускаемой к кожуху через водоохлажадемую панель при той же величине воспринимаемого теплового потока и межтрубном расстоянии, что и для панели из гладких труб.
В стационарных условиях количество теплоты, воспринимаемое панелью, равно отводимому. Соотношение доли воспринимаемого теплового потока, отводимого с охлаждающей водой, и доли, рассеиваемой через кожух в окружающую среду, определяется конструкцией панели.
Для панелей с разреженной компоновкой,, существенным оказалось и расстояние от панели до кожуха печи, особенно при значительном межосевом расстоянии (для труб диаметром 76 мм - свыше удвоенного диаметра).
Слой гарнисажа между трубами и кожухом играет роль дополнительного термического сопротивления, и при, размещении труб панели близко к кожуху доля тепла, рассеиваемого через кожух в окружающую среду, еще более повышается, а температура кожуха растет.
Например, для панели, размещенной на расстоянии 50 мм от кожуха толщиной 30 мм, доля воспринимаемого тепла, отводимого через кожух, около 2,4%, а средняя температура кожуха - 240 С. (В точках на оси межтрубного промежутка - до 254сС).
При снижении коэффициента теплоотдачи в трубах (например, за счет отложения накипи) соотношение тепловых потоков а панели еще более смещается в сторону роста доли теплоотвода через кожух, а при одной и той же толщине гарнисажа над трубами - в сторону снижения воспринимаемого теплового потока. '
Использование оребренных труб не изменяет величины падающего теплового потока , но позволяет перераспределить его внутри панели, в сторону отвода преимущественно с охлаждающей водой, а также повысить надежность работы панелей за счет наличия толстого слоя гарнисажа, скрепленного ребрами. 1
Перечень ссылок
1. Гинкул С.И., Носов Е.Г., Тищенко П.И. Математическое моделирование теплообмена водоохлаждаемой стенки дуговой печи. /Тез. доклада V Всесоюзной конф. "Тепло и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов.- Мариуполь, 1991.-C.70. ,2. Гинкул С.И., Носов Е.Г., Тищенко П.И. //Тез. докл. Всесоюзного Совещания "Моделирование физико-химическйх систем и технологических процессов в металлургии", Новокузнецк, 1991,- С.56.
3. Маршак Ю.Л., Рыжаков A.B. Шиповые экраны топок паровых котлов; -М.: Энергия,
1969. - 240 с. ' /
4. Бычковский A.J1, Утепляющие экраны парогенераторов.- М.:Машиностроение, 1976.- 112 с.
5. Сосонкин О.М., Кудрин В.А. Водоохлаждаемый свод электродуговой печи. - М.: Металлургия, 1985. - 144 с.
6. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. Под ред. Григорьева В.А..Зорина В.М. - т.2 - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.
