Интенсификация процессов теплопередачи в горячей части цепного теплообменника вращающейся печи для обжига цементного клинкера Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 666.940 Д.С. Москвичев

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Белгород, Россия

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИ ЦЕПНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ДЛЯ ОБЖИГА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

The opportunity of an intensification of processes of heat interchange in a hot part of the chain heat exchanger is in-process observed. On a base of the received results dependence of a heat transfer on the form of a link and properties of a material of which it is fabricated is specified. Use in the industry of the specified dependences will result in increase of heat interchange and decrease of a fuel flow at a roasting of the cement clinker.

В работе рассматривается возможность интенсификации процессов теплообмена в горячей части цепного теплообменника. На основе полученных результатов уточнена зависимость теплопередачи от формы звена и свойств материала, из которых оно изготовлено. Использование в промышленности указанных зависимостей приведет к увеличению теплообмена и снижению расхода топлива на обжиг цементного клинкера.

Отрасль строительных материалов занимает третье место по потреблению топлива после теплоэнергетики и металлургии. Расходы на энергию являются основной статьей эксплуатационных расходов, с которой сталкиваются производители цемента, поэтому экономия топлива имеет важнейшее хозяйственное и экологическое значение. Основными способами снижения расхода используемого топлива для производства клинкера являются уменьшение влажности материала, загружаемого в печь, установка новых систем теплопередачи или усовершенствование существующих.

Исследованию процесса теплообмена в цепных завесах, разработке методики их расчета и проектирования посвящено значительное количество работ, но реальные процессы теплообмена еще недостаточно изучены, вследствие чего точный расчет рациональных цепных завес затруднен.

Эффективность работы цепных завес определяется интенсивностью теплообмена, газодинамическим сопротивлением и пылевыносом из печи. Теплообмен в цепной завесе весьма сложный процесс, на который оказывают влияние конструктивные особенности цепного теплообменника, реологические и физико-химические свойства шлама, изменяющиеся в процессе сушки, а также изменяющиеся в ходе процесса состав и свойства газовой среды [1].

В работе представлены результаты исследования регенеративного теплообмена в горячей части цепного теплообменника вращающейся печи, так как этот процесс играет важную роль в тепловой подготовке сырьевых материалов при обжиге цементного клинкера. Для определения характера работы данного участка цепной завесы было проведено исследование процесса теплопередачи в системе «газовый поток» - «цепной теплообменник» - «сыпучий материал» на экспериментальной установке.

Разработанная установка позволяет моделировать основные этапы работы цепного теплообменника, такие как нагрев цепей в газовом потоке и их охлаждение в пересыпающемся слое материала. В процессе эксперимента модель звена цепи, изготовленная из жаропрочной стали с установленными термопарами на поверхности и на оси цилиндра, нагревается до температуры 350 °С, а затем циклически помещается в сухой шлам и в газовый поток. Изменение температур внешнего и внутреннего слоев звена цепи регистрируются ежесекундно с помощью компьютера.

- 3 6 -

Эксперимент повторялся несколько раз при различном отношении времени нахождения модели в газовом потоке/шламе (рассматривались отношения 8/1, 4/1, 3/1 и 2/1). По итогам эксперимента были проведены расчеты теплосодержания по слоям используемой модели, результаты которых представлены на рисунках 1-4.

35

30

25

£ 20

d

О 15 -

10 -

5

0 -1

- R=0,0135 м

- R=0,0125 м R=0,0115 м R=0,0105 м

- R=0,0095 м

- R=0,0085 м

- R=0,0075 м

- R=0,0065 м R=0,0055 м

- R=0,0045 м R=0,0035 м R=0,0025 м R=0,0015 м R=0,0005 м

800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000

Время, с

Рис.1. Теплосодержание слоев звена цепи при нагревании в газовом потоке и охлаждении в сухом шламе при соотношении времени 8:1

30 25 3S 20 О 15 10 5

— R = 0,01 35 м

— R = 0,01 25 м -R = 0,0115 м

— R = 0,01 05 м -R = 0,0095 м -R = 0,0085 м -R = 0,0075 м -R = 0,0065 м -R = 0,0055 м -R = 0,0045 м -R = 0,0035 м -R = 0,0025 м -R = 0,0015 м -R = 0,0005 м

0

1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200

Время, с

Рис. 2. Теплосодержание слоев звена цепи при нагревании в газовом потоке и охлаждении в сухом шламе при соотношении времени 4:1

35

Рис. 3. Теплосодержание слоев звена цепи при нагревании в газовом потоке и охлаждении в сухом шламе в соотношении времени 3:1

На рис. 1 показан участок, на котором модель звена цепи находилась в газовом потоке 42 секунды, а в шламе 5 секунд. На этом участке изменение теплоты при нагреве и охлаждении не значительно. На рис. 2 показан участок, когда заготовка в газовом потоке находилась 32 секунды, а в материале 8 секунд. В данном случае изменение

теплоты также остается незначительным. На рис. 3 показан участок, где заготовка находилась в газовом потоке 33 секунды, а в материале 12 секунд. Такое соотношение времени пребывания заготовки в газовом потоке и в материале показало, что происходит более интенсивный теплообмен. На рис. 4 показан участок, на котором заготовка находилась в газовом потоке 30 секунд, а в материале 15 секунд, при этом количество тепла, переданного материалу от звена цепи еще увеличилось.

Время, с

Рис. 4. Теплосодержание слоев звена цепи при нагревании в газовом потоке и охлаждении в сухом шламе при соотношении времени 2:1

Время, с

Рис. 5. Нагрев ячейки из жаропрочной стали

-0,0135 м

-0,0125 м

-0,0115 м

-0,0105 м

-0,0095 м

-0,0085 м

-0,0075 м

-0,0065 м

-0,0055 м

-0,0045 м

-0,0035 м

-0,0025 м

-0,0010 м

0,0005 м

30 25 20 15

<3

10

5

о

Q,кДж(0с) Q,кДж(5с) Q,кДж(8с) Q,кДж(12с) Q,кДж(15с)

Время, с

Рис. 6. Количество тепла переданного материалу звеном цепи в зависимости от времени охлаждения

Таким образом в рассмотренных временных интервалах видно, что в процессе теплообмена между звеном цепи, выполненном из жаропрочной стали, и сухим шламом участвуют только поверхностные слои звена.

10.27

1.97

0.00

На рис. 5 показана зависимость изменения температуры по слоям модели звена цепи при нагреве его от комнатной температуры до 430 °С, по которому видно, что в начальный период нагревания звена его поверхность резко набрала высокую температуру, а в центре тела звена температура нарастала постепенно и только через 1100 секунд они сравнялись.

Затем был произведен расчет количества тепла, которое звено цепи отдает сухому материалу. Для этого было принято звено круглозвенной цепи с внутренним диаметром 90 мм и диаметром прутка 27 мм. По полученным результатам построен график зависимости количество тепла, переданного материалу звеном цепи, от времени нахождения его в материале [2, 3], показанный на рис. 6. По этому графику можно сделать вывод об оптимальном соотношении времени нахождения цепи в слое материала.

Выводы. 1. Температура на оси прутка, из которого изготовлено звено цепи, изменяется гораздо медленнее, чем на его поверхности из-за относительно низкой теплопроводности материала звена. При циклической работе цепного теплообменника со средним периодом цикла равным 50 с температура в центре прута остается постоянной, то есть в теплообмене не участвует. Наиболее активной частью звена, участвующего в данном процессе, являются поверхностные слои, поэтому с точки зрения теплообмена рационально изготавливать цепи, уменьшив их массу, но не изменяя площадь поверхности, либо увеличить площадь поверхности при той же массе, что можно достигнуть за счет изменения формы сечения звена или изготавливать их пустотелыми. 2. Наиболее оптимальное соотношение времени пребывания звена цепи в газовом потоке ко времени пребывания в материале составляет 3:1, так как при этом соотношении проходит передача основного количества тепла, запасенного во внешних слоях. Для обеспечения оптимального соотношения по времени между нахождением цепи в газовом потоке и материале необходимо увеличить степень заполнения материалом печного пространства в ковриковом теплообменнике, что достигается установкой за ним сдерживающей шторки с навеской цепей за оба конца в одну точку подвеса и изменением угла наклона винтовой линии навески цепей коврикового теплообменника. Увеличивать высоту слоя материала в остальной части цепной завесы до указанных пределов нельзя из-за увеличения пылевыноса.

Список литературы

1. Борисов, И.Н. Управление процессами агломерации материалов и формирования обмазки во вращающихся печах цементной промышленности. - Белгород: Изд-во Бе-лаудит.- 2003.- С. 3-6.

2. Чечеткин, А.В. Теплотехника/ А.В.Чечеткин, Н.А.Занемонец.- М.: Высшая школа.-1986. - С. 127-152.

3. Классен, В.К. Обжиг цементного клинкера.- Красноярск: Стройиздат.-1993. - С. 245-274

УДК 66.047

В.И. Савинков, П.Д. Саркисов, В.Н. Сигаев, Н.В. Голубев, Е.В. Лопатина

Центр оптического стекла Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

БОРОГЕРМАНАТНЫЕ СТЕКЛА С МАГНИТООПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

- 3 9 -