CC BY
32
УДК 621.3.036
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СКОРОСТИ НАГРЕВАНИЯ СТЕНКИ ЭЛЕМЕНТА ПОВЕРХНОСТИ МОДУЛЬНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РЕКУПЕРАТОРА ПЕЧЕЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И АВТОТРАКТОРНЫХ ЗАВОДОВ
Магистр ШИДЛОВСКИЙ В. В.
Белорусский национальный технический университет
Температура стенки элемента поверхности теплообмена чугунного рекуператора зависит от температуры дымовых газов, омывающих эту поверхность, и в свою очередь позволяет оценить величину предела упругости и область упругого или упруго-пластичного состояния материала, соответствующую рабочей температуре стенки. Напряжения в материале являются функцией градиента температур и состояния материала (упругая, упруго-пластическая, пластическая). Поэтому для правильного представления о характере изменения внутренних напряжений необходимо рассмотрение их изменения в конкретных условиях, т. е. для определенного материала. Рассмотрим в качестве такого материала чугун марок СЧ21-40 и ЖЧСШ-7.0.
Под действием внешнего усилия или внутренних напряжений, возникающих как следствие температурных градиентов в жестко закрепленной стенке элемента поверхности теплообмена, в объеме чугуна происходят упругие (упруго-пластические) деформации. Если чугунный образец подвергать растяжению и затем снимать нагрузку, то кривые «усилия - деформация» вследствие явления аккомодации вскоре представятся в виде стабилизированных циклов [1]. Такое же явление будет иметь место и при деформации рабочей (горячей) поверхности стенки чугунного элемента рекуператора при изменении температурного градиента, хотя при этом кривая «усилие - деформация» заменится линией «температура - деформация». В свете сказанного важное значение приобретают скорость роста температуры горячей поверхности промышленного рекуператора и температура этой поверхности, обогреваемой продуктами сгорания, покидающими рабочее пространство нагревательной печи.
Температура продуктов сгорания, которые покидают нагревательную печь (ковка, штамповка, прокатка), составляет величину порядка 750-850 °С (гдг = 750-850 °С). В результате теплообмена с поверхностью устройства для регенеративного теплоиспользования эта температура снижается до г д.г. Между температурами газов на входе и выходе из рекуператора существует жесткая взаимосвязь
г" -1'
г = г —во (1)
д.г 'дг „ '
ц лг
в.о
где гв о, гв о - соответственно температуры воздуха-окислителя на выходе и входе из воздухоподогревателя, °С; п - коэффициент удержания теплоты (определяется качеством тепловой изоляции рекуператора), п = 0,8-0,95; ^дг, ^во - водяные эквиваленты продуктов сгорания органического топлива и нагреваемого воздуха, w = Ус'р (V - секундный расход теплоносителя,
м3/с; - объемная изобарная теплоемкость энергоносителя, кДж/(м3К)).
Зная температуры дымовых газов (гд.г и ¿д г) в области рекуператора, а также значения коэффициентов теплоотдачи на холодной и горячей стороне поверхности, разделяющий теплоносители адг = адгл +адг (рис. 1)
и ав = а к , можно рассчитать температуру стенки в направлении потока теплоты гХэкв и Сэкв (рис. 1) и ее среднюю температуру, а затем - время нагревания горячей поверхности до рабочей температуры ¿Хтэкв [2, 3]. Принимая средние значения адг « 250 и ав « « 50 Вт/(м2К), используем выражения:
= Ят)
¿д.г = еоп^ = 850 °С
ст(т=0)
X, м
Рис. 1. Расчетная схема теплообмена в элементе игольчатого рекуператора М-1 и М-11
г1экв = г ■
ст д.г
г2экв = г +
ст в
к(гдг - гв)
V д.г в/ о,
а
, °С;
(2)
к(гдг -гв)
V д.г в/ о,
ав
, °С,
где гсХ^экв, гсХ2экв - искомые температуры стенки (рис. 1), °С; гдг, гв - средние температуры продуктов сгорания и подогреваемого воздуха в области поверхности теплообмена, °С; к - коэффициент теплопередачи,
к = -
-, Вт/(м2К), можно рассчитать гсХ1экв и ¿X
Для оценки времени нагревания рабочей поверхности элемента рекуператора классифицируем задачу о теплообмене. С некоторым допущением задача классифицируется как одномерная (плоская стенка) с постоянными теплофизическими характеристиками (а = 0,02 м2/ч; X = 30 Вт/(м-К) [4])
и односторонним (несимметричным) нагревом. Теплопроводность в стенке (нестационарная теплопроводность) для tn г = const описывается следующим образом:
Fо = F
V&0 J
Bi; ^
; Бо = f
'ъ Vb
V^o J
Bi
Бо = F
/ q \х2 экв
V^o J
Bi
(3)
где Fo = F1
г Ъ v^
V^o J
; Bi
- записано для рабочей поверхности элемента
рекуператора.
Однозначность функции ¥2 в (3) может быть установлена путем использования номограммы рис. 2.
Рис. 2. Температурный критерий для поверхности пластины
Напоминаем, что в области рекуператора температура дымовых газов колеблется от tдг до ¿Д.г и в среднем составляет 750-850 °С, адг «
« 250 Вт/(м2-К).
При фиксированных значениях: « 850 °С; адг « 250 Вт/(м2-К); ^экв « 700 °С; X = 30 Вт/(м-К) и а = 0,02 м2/ч выполним расчет времени нагревания рабочей поверхности стенки до ^тэкв ~ 700 °С. Принимаем толщину стенки равной 20 мм (0,02 м).
Находим число Ы и безразмерную относительную температуру:
Bi = Bi = 250 •0-02 = 0,17;
X 30
>
Ч00 у
д.г ст
Т — Акв 'д.г ст(т=0)
( о ^
Ч°0 у
850 - 700 850 - 20
= 0,18.
Используя зависимость Бо = ¥
(о V1™
Ч°) у
; В1
(рис. 2), находим чис-
ло Бо. Имеем Бо = 14.
Находим время разогрева рабочей поверхности до температуры
¡ст,», = 700 °с
т*1экв = 0,28 ч, или т*1экв = 17 мин.
Тогда скорость разогрева составит
700
с = -
17
40 °С/мин.
ст=700 "С
ст=700" С
В Ы В О Д
При запуске рекуператора в работу скорость разогрева стенки не должна превышать величину порядка 50 °С/мин. С этой целью запуск нагревательного устройства в рабочий режим необходимо осуществлять при перепуске отходящих продуктов сгорания, минуя рекуператор.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. К о ц ю б и н с к и й, О. Ю. Пластичность чугуна при повышенных температурах / О. Ю. Коцюбинский // Литейное производство. - 1958. - № 8.
2. Т е п л о- и массообмен: учеб. пособие: в 2 ч. - Ч. 1 / Б. М. Хрусталев [и др.]; под общ. ред. А. П. Несенчука. - Минск: БНТУ, 2009.
3. Т е п л о- и массообмен: учеб. пособие: в 2 ч. - Ч. 2 / Б. М. Хрусталев [и др.]; под общ. ред. А. П. Несенчука. - Минск: БНТУ, 2009.
4. Т е б е н ь к о в, Б. П. Рекуператоры для промышленных печей / Б. П. Тебеньков. -М.: Металлургия, 1967.
Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 11.11.2009
