CC BY
23
ИЗВЕСТИЯ
томского} ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Той 64 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА ^ 1948 г.
МАЛОГАБАРИТНАЯ ВАННАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ВАРКИ ЭЛЕКТРОКОЛ-БОЧНОГО СТЕКЛА, ОТАПЛИВАЕМАЯ ВОДЯНЫМ ГАЗОМ
Я. Я. НОРКИН
На одном из заводов Западной Сибири в марте 1944 г. закончено строительство малогабаритной ванной печи, выполненной по проекту автора. Начиная с апреля 1944 г., после кратковременного пускового периода, печь находится в состоянии эксплоатации и по заданному температурному режиму, без перебоев, равномерно обеспечивает проектную мощность; в августе- 1946 года* после двухлетней непрерывной работы печь была остановлена на холодный ремонт (смена брусьев стен и свода печи) и с сентября 1946 г. работа печи вновь возобновилась.
В печи варится стекломасса для изготовления путем выдувания следующего ассортимента стеклянных изделий—колб:
Колба д
я> »
» V
Кроме того, часть сваренной стекломассы идет для изготовления весового стекла (дрота), из которого вытягиваются трубки диаметром 12—13 мм; 15—16,5 мм и 24—26,5 мм.
Шихта для варки стекломассы составляется по следующему расчету: на 100 весовых частей песка 36 весовых частей соды; 3 весовых части сульфата натрия; 24 весовых части доломита.
В шихту добавляется стеклянный бой в количестве 25—30%- Применяющийся для варки стекломассы песок имеет следующий химический состав:
БЮз от 96,5 до 98°/о 4 А1203 от 1,62 до 3,3°/о Ре203 от 0,2 до 0,4% СаО от 0,4 до 0,8% '
МёО от 0,18 до 0,35°/0.
В связи со статьей проф. Д. Б. Гинзбурга (Стекольная и керамическая промышленность, №1—2, 1946 г.), в которой отмечаются значительные трудности конструирования малогабаритных печей и значение этих печей в развитии стекольной промышленности, а также имея в виду, что работающая по проекту автора ванная печь является наименьшей по размерам из всех известных малогабаритных печей, представляется целесообразным осветить теоретические соображения, положенные в основу проекта печи, и теплотехнические показатели работы печи; с этой целью и публикуется настоящая статья.
диаметром 32 мм весом в „чистоте" 8 грамм
42 мм „ . 14
60 мм „ 29 „
65 мм „ „ 40 „
75 мм в 56 „
1. Топливо и система отопления
Топливом служит водяной генераторный газ, средний химический со-• став которого без учета влаги следующий: СО—36%ц, С02—5%; 02—0,2%; Но—53,5% ; N<>—3,3%; СНг- 2'\0.
Состав влажного газа при степени насыщения для температуры
20°С—следующий: СО—35.13%; СО,-4,87%; 02—0,19%; Н2—52,3%; 1М2— 3,21%; Н2О—2,3% СН4—1,9«/0.
Теплотворная способность газа, рассчитанная по вышеуказанному составу и многократно определявшаяся с помощью калориметра Юнкерса, имеет среднее значение: ■ (
^ ккал
= 2578 "
м-
Водяной генераторный газ производится в газогенераторах системы Пин-ча с плоской колосниковой решеткой, с ручным щлако- и золоудалением и с ручной загрузкой топлива, Для производства водяного газа используется араличевский каменный уголь, типа полуантрацитов, со средним содержанием летучих от 7 до 9%, следующего химического состава на органическую массу: С0 = 86,3--89,8%; Н° = 3,7н- 4,1 %; О0 = 5,3%; №=1,4-*-2% и Б0 = 0,9 %. В рабочем топливе: \\Ар = 3,5 — 12%; Ар — 14,6% . Средняя теплотворная способность—6090 ккал/кг.
Использование водяного генераторного газа для отопления стекловаренной печи не обусловлено какими-либо специальными требованиями к газу, как к топливу. Для отопления печи нет обязательной необходимости прибегать к использованию высококалорийного водяного газа по сравнению с обычным смешанным генераторным газом, так как производство водяного газа стоит значительно дороже производства обычного смешанного газа, а также требует большего расхода угля и пара, необходимых для получения водяного у газа; это подтверждается следующими соображениями. Если считать теплотворную способность обычного смешанного генераторного, газа равной 1250 ккал/м3, а теплотворную способность водяного газа равной 2500 ккал/м3, затем учесть, что выход смешанного генераторного газа обычно составляет 3,0 м3/кг, выход же водяного газа 1 му/кг, то отношение расхода угля при отоплении водяным газом к эквивалентному расходу угля при отоплении смешанным газом выразится величиной
1250-3 , .
-------= 1,о
2500*1
Что же касается пирометрических эффектов горения водяного и смешанного генераторных газов, то, при сравнении калориметрических температур горения их в условиях сжигания холодных газов, получаются следующие соотношения:
для водяного газа ¿кал — 2050—2100°С, для смешанного газа ¿кал= 1650 — — 1700° С.
Однако, пирометрический эффект горения смешанного газа может быть повышен путем подогрева его и воздуха, необходимого для сжигания за счет утилизации тепла отходящих газов.
Приведенные сравнении двух видов газов водяного и смешанного— подкрепляют вывод об отсутствии особых преимуществ отопления печи водяным газом над смешанным; использование водяного газа для отопления стекловаренной печи обусловлено тем обстоятельством, что расход его для печи составляет часть от общего расхода водяного газа, потребляемого на данном производстве для термической обработки стеклянных и металлических деталей и для других целей.
Для проектирования системы отопления печи на водяном газе следовало прежде всего решить вопросы: 1) о подогреве газа и воздуха, необходимом для достижения требуемого пирометрического эффект! и 2) о. степени смешения газа и воздуха в горелке, обеспечивающей термальное развитие пламени в печи.
Первый вопрос решен с помощью следующих расчетов; средняя температура факела (которую можно замерить при помощи отсасывающей термопары) принята на 200°С выше максимальной температуры зеркзла стекла, в данном случае £ = 1400+ 200 — 1600°С. Пирометрический коэффициент горения в печи принят минимальным из обычных для стерло-варенных печей (0,65 — 0,75); в данном случае т]пир^0,65.
Тогда, учитывая, что 1) фн = 2578 ккал/м*,
2) коэффициент избытка воздуха а ===== 1,1,
3) объем продуктов горения 3,07 м:*/м3,
4) калориметрическая температура горения газа 1980°. Из уравнения
^.Ф __ . <3н+ 1/возд.С.4озд.
^ср. - ^пир л т >.
у ир.г. ^пр. г.
находим, что воздух должен подогреваться до 800°С, чтобы обеспечить вышеуказанную температуру факела.
При решении второго вопроса о степени смешения газа и воздуха в горелке, обеспечивающей нормальное развитие пламени в печи, были приняты во внимание следующие соображения: в водяном газе содержится приближенно 50°/о водорода, в то время как в смешанном генераторном
Разрез /-/
Рис. г Малогабаритная банная леиь для барки эл-&ктроколбочного стекла
Осмобмб/е показатели
1.ПроизбодителЬностЬ 2,2 т/сутЬи
2. Расход брдяного газ а /до »у«ос
3. ПодогреВ 6->ха $ регенераторах ¿ОО'С АМапрящениосто барки бои
я Тепло бая напряменнЬстЬ 119-103 & Поверхность зеркало м*
4
газе из каменного угля содержание водорода значительно меньше, и обычно находится в пределах от 12 до 17°/0. Однако, известно, что скорость распространения пламени водорода является наибольшей из скоростей распространения пламени других газов, например, приблизительно в 3,3 раза больше, чем для СО и в 8 раз больше, чем для СН4. Кроме того, в составе смешанного генераторного газа содержится значительное
количество азота, в среднем не меньше 50°/0, а в водяном газе азота содержится лишь 3—5°/0; но известно, что азот понижает скорость распространения пламени; вследствие указанных причин, скорость распространения пламени водяного газа приблизительно в 3 раза больше скорости распространения пламени смешанного генераторного газа (при одинаковых температурных' условиях). Учитывая эти особенности горений водяного газа, по сравнению с горением каменноугольного смешанного генераторного газа, и имея в виду необходимость в достижении сравнитель-
но длинного факела пламени, горелка спроектирована с малой степенью смешения газа и воздуха, с раздельным подводом их в печь—газ подводится холодным в горелку по газопроводу, воздух—из регенератора, смешение осуществляется лишь при выходе в рабочее пространство печи. Практика эксплоатации печи подтвердила правильность выше приведенного заключения, т. к. распределение температуры по длине факела в печи наблюдается довольно равномерно.
Па прилагаемом рисунке дан вертикальный продольной разрез и план печи и регенераторов.
При проектировании размеров и формы рабочего пространства печи с теплотехнической стороны возникают следующие основные вопросы:
1) Какой величины должна быть поверхность стекла в варочной и выработочной частях ванны и соотношение между ними?
2) Какой длины должен быть путь для свободного развития факела пламени?
3) Как осуществить тепловой и температурный режимы в выработочной части печи?
Так как проектируемая печь, по сравнению с обычно работающими, отличается не только системой отопления (водяной газ), но и очень малыми размерами (площадь зеркала ванны 5,58 м2), то вполне естественно, что решение указанных выше'вопросов приобрело тем большее значение, ибо нельзя было позаимствовать данных производственной практики других малогабаритных печей. При решении первого вопроса о поверхности зеркала стекла были приняты во внимание взаимно связанные между собой факторы: а) удельный съем стекломассы с 1 м2 поверхности зеркала стекла в варочной и рабочей частях печи; б) соотношение между суточной производительностью, поверхностью зеркала стекла и объемом стекломассы в бассейне печи; в) соотношение между тепловой напряженностью и поверхностью зеркала стекла в условиях теплопередачи от пламени водяного газа. Этот последний фактор имеет существенное значение, так как различие в скоростях распространения пламени водяного и смешанного генераторного газа, различие в составах продуктов горения этих газов обуславливают собою значительную разницу^ в степенях черноты факелов пламени обоих газов; степень г черноты факела пламени смешан-
14* Изв. тпи, том 64 209
Разрез
'Рис $ П.лаи бониои печи
II. Рабочее пространство печи
ного генераторного газа не превышает ОД5, а степень черноты пламени водяного газа составляет около 0,25 от абсолютно черного излучения. Варьируя расчетным путем соотношениями выше приведенных факторов, в конце концов получены следующие оптимальные показатели: а) удельный съем стекломассы составляет 600 кг с 1 м3 в сутки по площади варочной части и 400 кг с 1 м2 в сутки по общей площади пода печи; б) суточная производительность печи составляет 17, 5% выработки общего объема стекломассы в бассейне; в) тепловая напряженность 1 м2 отапливаемой (варочной) части печи выражается величиной 119000 ккал/м- час, что соответствует удельному расходу тепла по газу в 4750 к кал. на 1 кг сваренного стекла.
Расход водяного газа в практике эксплоатации контролируется с помощью острой диафрагмы, диаметром 63 мм, установленной на газопроводе диаметром 105 мм. Расчетная формула для определения расхода
63
газа при соотношении диаметров выведена следующая:
V'=39j/X—— час
здесь /г—перепад давления в диафрагме на создание скорости движения газа. Обычно h изменяется в пределах 20—26 мм в. е., что соответствует расходу газа от 175 м3/час до 198 м3/час. Расход газа по проекту был определен в 175 м3/час.
При этих условиях длина факела оказалась равной 4,9 м и расстояние между осями факела в прямом и обратном направлениях 1100 мм при общей ширине печи в 1600 мм.
Что же касается третьего вопроса,—о тепловом и температурном режиме выработочной части печи, то для решения его потребовалось найти соотношение между теплоотдачей в окружающую среду ограждениями выработочной части печи и падением теплосодержания стекломассы, непрерывно поступающей из варочной части в выработочную; при этом оказалось, что падение теплосодержания стекломассы от 1400°С (в варочной части) до 1150°С (в выработочной части) не компенсирует полностью тепловых потерь в окружающую среду, вследствие чего неизбежно температура стекломассы в выработочной части понизилась бы ниже заданного нормального уровня; поэтому, во избежание такого понижения, недостающее количество тепла для выработочной части пополняется излучением из варочной части с помощью решетчатого теплового экрана из огнеупорных кирпичей,; расположенного над протоком. Площадь сечения отверстий решетчатого экрана рассчитана по формулам тепловой диафрагмы.
Под бассейна находится на одном уровне как в ваоочной, так и в выработочной частях печи; глубина бассейна равна 900 мм; варочная часть печи отделена от выработочной протоком размерами бОО'ЗОО'ЮОО мм. Во время эксплоатации застывания стекла в протоке не наблюдалось.
III. Воздушные регенераторы
Основными величинами, определяющими нормальную работу регенераторов и всей систеты отопления, являются:
1) тепловая мощность насадки, обеспечивающая заданный подогрев воздуха и достаточную утилизацию тепла отходящих из печи газов и 2) высота регенераторов, обеспечивающая такой геометрический напор горячего воздуха, который был бы достаточен для создания определен-
ной заданной скорости вылета воздуха из горелки в рабочее пространство печи.
Для подогрева воздуха до 800°С, общая поверхность нагрева насадки в воздушной камере равна 81 м2. Насадка по типу Сименса, с размерами ячейки 65'90'115 мм и с удельной поверхностью нагрева 15 м2/м3. Коэффициент теплообмена в насадке 3,17 ккал/м2 град, период. На 1 м2 поверхности зеркала стекла в варочной части приходится 22 м2 поверхности нагрева насадки с тепловой нагрузкой 6100 ккал/м2 час. Геометрический напор, создаваемый регенератором, равен 2,78 мм в. е., величина которого как показали расчеты, является вполне достаточной как для преодоления сопротивлений по пути движения воздуха, так и для создания скорости вылета из горелки равной 6 м/сек. Сопротивления на пути движения отходящих из печи газов преодолеваются винтовым вентилятором низкого давления, создающим разрежение 9—10 мм в. с. при температуре отходящих газов около 150—160°С. Такой гидравлической режим является устойчивым во время эксплоатации печи.
Сводка основных показателей конструкции и работы
печи.
Тип печи—ванная печь непрерывного действия с протоком и подковообразным пламенем. Размеры бассейна: общая длина—4,4 м; длина варочной части 2,3 м; длина—радиус выработочной части—1,1 м; ширина варочной части 1,6 м; глубина варочной части 900 мм; глубина выработочной части 900 мм; площадь зеркала стекла варочной части—3,68 м2; площадь зеркала стекла выработочной части 1,9 м2; общая площадь зеркала стекла 5,58 м2;
варочная часть 3,68 -
отношение = —--=---- = 0,66;
общая плошадь 5,58 емкость бассейна общая—5,03 м3; емкость варочной части—3,31 м3; емкость выработочной части—1,72 м3.
суточная производительность л1«
отношение = ----——--=0,175.
весовая емкость печи Размеры насадок (воздушных): длина—2 м, высота—3 м, ширина—0,9 м, объем—5,4 м3, поверхность нагрева насадки 81 м2.
поверхность нагрева 81 . . _ ч. ,
отношение =--—=----=-=14,5 м2/м3;
общая площадь зеркала 5,58
поверхность нагрева 81 .. ч
отношение = ------=-= 22 м2/м2;
площадь зеркала варочной части 3,68 Примечание: После 2-летней непрерывной работы во время холодного ремонта, по предложению инженера Ф. П. Гурского, с согласия автора проекта, была уменьшена длина насадок до 1,5 (вместо 2). Горелка торцевая: ширина вылета—500 мм, высота вылета в замке арки—450 мм, сечение вылета 0,2 м2,
сечение вылета
отношение =--= 0,0545
площадь зеркала варочной части Производительность печи: 2,2 т/сутки.
Съем стекломассы: по площади зеркала варочной части 600 кг/м2 сутки; но общей площади зеркала 400 кг/м2 сут.
Вид топлива: водяной газ из араличевских полуантрацитовых углей. Расход топлива (в среднем) 190 м*/час.
Удельный расход потенциального тепла топлива: на стекломассу—4750 ккал/кг; на площадь зеркала отапливаемой части 119000 ккал м2 ч.
Наружная поверхность стен печи 30 м2
Наружная поверхность свода печи 13,5 м2.
Наружная поверхность пода печи 12,2 м2.
Наружная поверхность насадочной камеры 28 м2.
Температурный режим: варочная часть 1400—1450°С; выработочная часть 1150—1200°С; подогрев воздуха 800° С; отходящие газы 150 —160° С.
Состав отходящих продуктов горения:
CO¿=13,6%; //,0=17,3%; Оя=3,1°/0; ЛГ2=66°/0.
Разрежение перед вентилятором—9 мм в. с.
Режим засыпки шихты: до остановки печи на ремонт в течение 2-летней непрерывной работы -засыпка шихты производилась через 27а часа в в количестве 280—300 кг. После ремонта для увеличения интенсивности работы печи по предложению инженера Ф. П. Гурского, с согласия автора проекта, введена засыпка через 1 час в количестве 130 кг.
Заключение
В статье изложены основные положения, принятые автором при проектировании малогабаритной ванной стекловаренной печи непрерывного действия, отапливаемой водяным газом, а также основные показатели конструкции и работы печи.
Непрерывная в течение 4 лет работа печи на одном из заводов Западной Сибири -показала хорошие результаты, совпадающие с проектными данными.
Строительство печи и последующая эксплоатация велись под наблюдением инженера И. Г. Литвиненко.
Ремонт печи после 2 летней работы произведен под руководством" инж. Ф. П. Гурского. х
