Методика оценки эксплуатационной надежности холодильника стекловаренной печи Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.184

В.Н. Лункин, Н.А. Озеров МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ХОЛОДИЛЬНИКА СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ

Приводятся методика и результаты анализа работы холодильников, охлаждающих элементы стекловаренных печей. Представлены расчеты температурных характеристик опорного холодильника подвесной стены, позволяющие рекомендовать требуемые параметры охлаждающего теплоносителя.

Методика, холодильник, печь, теплообмен, температура V.N. Lunkin, N.A. Ozerov

A TECHNIQUE FOR ASSESSMENT OF OPERATIONAL RELIABILITY OF THE GLASS FURNACE REFRIGERATOR

The article considers a technique and operation analysis of refrigerators utilized for cooling glass furnaces components. Calculations referring temperature characteristics to the basic refrigerator of the suspended wall, allowing to recommend the demanded parameters in the cooling heat carrier are presented.

Technique, refrigerator, furnace, heat exchange, temperature

В стекловаренных печах с температурой около 16000С и агрессивным действием стекломассы многие элементы футеровки выходят из строя, что приводит к авариям. Поэтому устанавливают как постоянные холодильники, так и аварийные. Надежность работы холодильников продлевает срок компании печи при сокращении аварийных ситуаций. Основные аварии холодильников вызваны нарушениями в подаче охлаждающей воды.

Рассмотрим холодильник, используемый в качестве опоры подвесной стены между 2-й и 3-й горелками регенеративной печи листового стекла. Это вызвано разрушением стены, прогаром полки колонны и необходимостью ее усиления.

На стекольных заводах широко используются холодильники из прямоугольных труб различного сечения. В нашем случае холодильник выполнен из трубы 80*60*5 по ГОСТ8645-68 из стали

123

В 20. При температуре охлаждающей воды на выходе 40...50 0С данная сталь соответствует температурному режиму работы холодильника при непрерывной подаче расчетного количества охлаждающей воды. Температура поверхности холодильника ограничивается началом интенсивного окалино-образования при 480 0С [1]. На рисунке показано подключение реального Г-образного опорного холодильника, который при непродолжительной эксплуатации прогорел.

Водяное охлаждение должно обеспечить надежную работу холодильника при температуре его внутренней поверхности на 200С ниже температуры кипения воды при минимально допустимом давлении воды в первой секции холодильника 0,25 МПа (1кип=1380С).

Далее приводится методика расчета внутреннего и внешнего теплообмена, результаты которого представлены в таблице.

Допустимая рабочая температура внутренней поверхности стенки

+ = + 20 =1 1 80С

^ст.вн. 110 С

Внешний теплообмен

Принята максимальная температура газового пространства печи в зоне между 2-й и 3-й горелками 15500С.

Эффективная длина пути луча

4 • И • Ь • I

эф ~Пг 2(И•/ + Ь• I),(1) (1)

При принятой 1;ст=1610С найдены £с^ = 0,09 ; е'н о = 0,175

Степень черноты газов:

е = е + е ;

г со^ н^о

(2)

Схема подключения холодильника

Степень развития кладки:

Коэффициент

Коэффициент

со = -

мат

Ь= [Єм +Єг (1-ем )]

СО +! -е

К =

(3)

(4)

(5)

Приведенный коэффициент излучения

Сг к м Со К

Тепловой поток удельный

ЧЛ = Сг

100

Т

м

100

(6)

(7)

Из предварительных расчетов тепловой поток от соприкасающейся кладки (кондукцией) принят дкон=20 кВт.

Внутренний теплообмен

Температуру 1:ст.вн= 1180С при большом удельном тепловом потоке 380 кВт/м2 можно обеспечить только при интенсивном водяном охлаждении.

Относительно большие размеры сечения прямоугольной трубы снижают коэффициент теплоотдачи к воде по сравнению с применяемыми в котлах трубами Д=32; 38. Поэтому увеличение определяющего размера приходится компенсировать увеличением скорости движения воды.

Определяющий размер прямоугольной трубы:

4¥

< = — (8)

Из предварительных расчетов принимаем шв=1,2м/с; = 36 0С

Температура охлаждающей воды из оборотной системы принята по факту для самого жаркого периода года (июля) ^ = 35 0С.

Критерий Рейнольдса

Яе =

О •

V

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, Вт/м •К,

а = А

О

0,8

а

0.2

Передаваемый в первом элементе (секции) тепловой поток, кВт:

0:= дд- Бд+

Чконд ^конд.

Расход воды при скорости Шв=1,2м/с:

Ов Шв £

Температура воды на выходе из первой секции

I" =—^—+11

св • Gв

Максимальная температура внутренней поверхности чистой стенки (без учета растекания теплоты по стенке за счет ее теплопроводности)

- 1

'■!в +--Чп

а

Температура чистой стенки со стороны газов

імах = і + ст.н. ст.вн.

• Чп

При наличии накипи со стороны воды 5нак= 1 мм.

Максимальная температура внутренней поверхности загрязненной стенки

__ і О

іМЖ = і + (-----+ °шк\• Ч

ст.вн. в V л / Чп

а 1

в нак

Температура стенки со стороны газов (при накипи 1 мм)

О

інак = і • а

ст.н. ст.вн. л 1п

ст

Температура стенки со стороны газов (при накипи и окалине) і™^ = 360 0С. Проверка принятого теплового потока Qл=375 кВт при наличии накипи

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16) (17)

Чл Сг

Т_

100

\4 /

т V

м

(18)

4

4

Общий нагрев воды в холодильнике

г" = -°—+г (19)

в в ' '

се • Gв

Подача уменьшенного вдвое количества воды со скоростью 0,6 м/с

Аналогичным расчетом получена температура стенки со стороны газов (при накипи и окалине) г™кн = 439 0С, тогда общий нагрев воды в холодильнике

< =-°тт+гв (20)

св •

Предельная температура воды, при которой начинается выпадение солей карбонатной жесткости [2]

112 N

г = 353 + 1,67Ок -14 N---------------------------------------^ (21)

пр к 48 - Ок

Результаты расчета внешнего и внутреннего теплообмена

Наименование расчетного параметра Обозначение Размерность Значение

Эффективная длина пути луча м 2,8

Степень черноты газов е - 0,277

Степень развития кладки О - 4

Коэффициент Р - 0,855

Коэффициент К - 0,758

Приведенный коэффициент излучения Сг.к.м Вт/м2К 3,457

Тепловой поток удельный Чл кВт / м2 380

Определяющий размер прямоугольной трубы а и м 0,058

Критерий Рейнольдса Яе - 99400

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде Вт/м2К 4619

Передаваемый в первом элементе (секции) тепловой поток 01 кВт 26

Расход воды Ов (кг/с)/ ( м3/ч) (0,0042)/ (15,1)

Температура воды на выходе из первой секции г11 1в\ оС 37

Максимальная температура внутренней поверхности чистой стенки без учета растекания / с учетом растекания г мах ст.вн. оС 118,2/ 115,5

Температура чистой стенки со стороны газов г мах ст.н. оС 161

Максимальная температура внутренней поверхности загрязненной стенки г мах ст.вн. оС 304,7

Температура стенки со стороны газов г нак ст.н. оС 347,3

Уточнение удельного теплового потока Чл кВт / м2 376

Общий нагрев воды в холодильнике г'1 оС 38

Общий нагрев воды в холодильнике, при накипи и окалине г'/ оС 41

Предельная температура воды г пр оС 325

Выводы:

1. При чистых поверхностях нагрева и подаче охлаждающей воды 15 м3/ч (шв=1,2 м/с) холодильник будет работать надежно, без перегрева.

2. Минимальное давление охлаждающей воды в самом холодильнике должно быть не менее

0,25 МПа.

3. При наличии накипи 1 мм будет наблюдаться местное кипение воды на поверхности фронтальной секции и накипеобразование. При дальнейшем продвижении воды по холодильнику образо-

вавшийся в небольшом количестве пар сконденсируется в воде и на выходе из холодильника он будет отсутствовать.

4. При подаче воды 7,5 м3/ч (юв=0,6 м/с) температурные условия работы металла фронтальной секции холодильника близки к предельным, и при любом нарушении режима подачи воды могут быть негативные последствия.

Кроме того, оборотная вода характеризуется высокой карбонатной и общей жесткостью 5-6 мг-экв/кг, высокой окисляемостью 13 мг-экв/кг, что приводит как к отложению солей кальция и магния, так и к высокотемпературной (кислородной) коррозии. В результате - резкое сокращение срока службы холодильника.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оребренные поверхности нагрева паровых котлов / Г.И. Левченко, И.Д. Лисейкин, А.М. Копелиович и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.

2. Андоньев С.М. Испарительное охлаждение металлургических печей / С.М. Андоньев. М.: Металлургия, 1970. 420 с.

Лункин Владимир Николаевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Озеров Никита Алексеевич -

ассистент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 15.05.13, принята к опубликованию

Vladimir N. Lunkin -

Ph. D., Associate Professor

Department of Industrial Heating Engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Nikita A. Ozerov -

Assistant Lecturer

Department of Industrial Heating Engineering Yuri Gagarin State Technical University of Saratov