CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р Вип. № 19
ЕНЕРГЕТИКА
УДК 669.162.23
Койфман A.A.1, Симкин А.И.2, Томаш A.A.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА НАСАДКИ ДОМЕННОГО ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ,
РАБОТАЮЩЕГО ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рассмотрен доменный воздухонагреватель, работающий под давлением в режиме «нагрева» насадки дымовыми газами. Модель нагрева основывается на решении задачи о теплообмене в неподвижном слое при линейном изменении начальной температуры насадки по ее высоте, и постоянной температуре дымовых газов на входе в насадку. С увеличением давления газа-теплоносителя период нагрева насадки сокращается. Колебания коэффициента использования тепла не превышают 1 % при различных избыточных давлениях.
Повышение температуры дутья является важнейшим направлением интенсификации работы доменных печей. Известны различные способы увеличения температуры дутья: добавление в доменный газ природного, обогащение воздуха для сжигания доменного газа кислородом, предварительный подогрев воздуха, идущего на сжигание [1], повышение скорости горячего теплоносителя [2] и др.
Предложенный авторами способ нагрева насадки под давлением представляется весьма эффективным в современных условиях за счет уменьшения времени пребывания воздухонагревателя в режиме «нагрев». Ранее был рассмотрен режим «нагрева» насадки регенеративного теплообменника, работающего под давлением, при неизменной по высоте начальной температуре насадки, равной 20 °С [3]. Реализация этой работы базируется на решении задачи Т. Шумана [4]. Результаты расчета показали, что при повышении избыточного давления время нагрева насадки уменьшается при незначительном уменьшении коэффициента использования тепла (КИТ). Расхождение теплового баланса нагрева насадки не превышало 1,04 % [5]. Задача Т. Шумана является частным случаем задачи о теплообмене в неподвижном слое при следующих условиях: температура теплоносителя на входе в насадку (неподвижный слой) постоянна (Т'= 1200 °С); начальная температура материала насадки неизменна по всей высоте и равна t'= 20 °С; в неподвижном слое и в газе-теплоносителе нет источников тепла. Решение этой задачи не отражает в полной мере реальную работу воздухонагревателя, имеющего в начале режима «нагрева» переменное распределение температуры по высоте насадки.
Целью настоящего исследования является дальнейший анализ работы регенеративного теплообменника (доменного воздухонагревателя), работающего под давлением в период «нагрева». При этом начальная температура насадки соответствует реальным условиям и изменяется от 1150 °С до 70- 100 °С (соответственно ее верх и низ). Дополнительно исследовали влияние повышения давления на аккумуляцию тепла в насадке и время ее нагрева.
В соответствии с начальным распределением температур, приведенным выше, была поставлена задача со следующими условиями:
- температура газа на входе в насадку постоянна;
- температура насадки представляет собой функцию расстояния от верха насадки. Математически эта задача формулируется следующим образом [6]:
^ = (I)
dY
ПГТУ. ст. преп.
2ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
3ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
^--в-3, (2)
й2
Т-Г
где в - относительная температура газа, в =
Т-Г
а о
3 - относительная температура материала насадки, У =
¥ - безразмерная высота насадки, ¥ =
Т-Г
куУ .
ИпС г
кут
Z - безразмерное время, Z =
^' кажР нас
Т - температура газа, °С; / - температура насадки, °С;
к1, - объемный суммарный коэффициент теплоотдачи, учитывающий конвективный и
лучистый теплообмены между газом и насадкой и передачу тепла теплопроводностью
Вт .
внутри насадки,
мъ • К
у - высота насадки, расстояние по вертикали от верхней границы насадки, м; и0 - скорость продуктов горения, приведенная к пустому сечению, м/с;
с - теплоемкость газа, Лж ;
м3-К
Т - время, с;
с - кажущаяся теплоемкость материала насадки, Дж ;
мъ-К
рнас - средняя насыпная плотность насадки равная отношению ее массы к полному объёму,
включая цилиндрические каналы, кг/м3. Для решения этой задачи были приняты следующие начальные условия:
г = 0, 7 = 0 , в = \
Начальное изменение температуры материала насадки относительно ее высоты 3 = /(У) принято линейным и представлено на рис. 1:
/,=а1+Ь.¥ (3)
Решение задачи имеет следующий вид:
т--\лу)^фу (4)
о
Г„
д{¥н-¥)
м(гй -д(¥н-¥)" '
{ = (5)
где ¥н - высота насадки, м.
Разбив высоту насадки на п участков, получаем следующие выражения
Т = Т4{/Ю-№н~Гг,1)-в{¥н-¥г_1,1)]), (6)
¿=1
I = /(¥,)■ е-2+±{/1{¥н)\з{¥н-¥1,1)-3{¥н-¥1_1,1)\, (7)
где / - номер участка насадки (/ е[1,п]).
Г'=1200 °С
200
Температура, °С 400 600 800
1000
1200
к
¡с £
о й К св Н О о 3
т
б)
Рис. 1 - Начальные условия (а) и распределение температур по высоте насадки (б):
1 - начальное распределение температуры в насадке;
2 - распределение температуры в насадке в конечный момент времени
Подставив (3) в уравнения (6) и (7), получаем следующие выражения для определения температур материала и газа в насадке в любой момент времени
I = /(7Я ) • в"» + £ ([а,+ Ъ ■ ¥н ] ■ [з(¥н - Г,, г) - 3(УН - , Я®; (8)
(=1
т = Т{[а1+Ъ-¥н] [е{¥н -¥^2)-в(7н -7,^2)]).
(9)
1=1
Используя выражения (8) и (9), был реализован алгоритм расчета температур насадки и газа в любой момент времени. Время окончания нагрева насадки определялось достижением ее низом температуры в 300 °С. Достаточная точность расчета достигается при разбиении высоты насадки не менее чем на 50 участков.
При повышении избыточного давления воздухонагревателя время нагрева насадки уменьшается (рис. 2).
ее 3"
к"'
а
д
св О св X
И &
<Ц
а. СО
25 50 75
Избыточное давление, кПа
100
К
Рис. 2 - Влияние повышения давления в рабочем пространстве воздухонагревателя на продолжительность нагрева насадки и коэффициент использования тепла
При традиционном способе нагрева насадки (давлении в рабочем пространстве, близком к атмосферному), продолжительность периода нагрева составила 2,15 часа, что соответствует времени нагрева доменных воздухонагревателей. При увеличении давления газа-теплоносителя на 50 кПа период нагрева сокращается до 1,44 часа, на 100 кПа - до 1,09 часа.
Коэффициент использования тепла также снижается при повышении давления в воздухонагревателе. Но это снижение не превышает 1 % (рис. 2) и не может значительно сказаться на эффективности работы доменного воздухонагревателя. В тоже время сокращение времени нагрева насадки в 1,5 - 2 раза позволяет достигать более высоких температур дутья, сократить высоту воздухонагревателей и их количество в блоке, существенно снизив капитальные вложения.
Выводы
1. Выполнен анализ работы доменного воздухонагревателя под давлением в режиме нагрева насадки при линейном изменении начальной температуры по ее высоте с помощью разработанной программы, основанной на приближенном решении уравнений теплообмена в неподвижном слое.
2. При увеличении избыточного давления газа-теплоносителя от 0 до 100 кПа время нагрева насадки воздухонагревателя уменьшается с 2,15 ч до 1,09 ч.
3. Снижение коэффициента использования тепла при повышении давления в воздухонагревателе в режиме «нагрева» незначительно (не более 1 %) и не влияет на эффективность его работы.
Преченъ ссылок
1. Грес Л.П. Высокоэффективный нагрев доменного дутья: Монография/. /.Я. Грес. -Днепропетровск: Пороги, 2008, - 492 с.
2. Грес Л.П. Исследование влияния скорости теплоносителей на параметры теплообмена в насадке воздухонагревателя / Л.П. Грес, А.Е. Быстрое, Ю.М. Флейшман II Металургшна теплотехшка: Зб1рник наукових праць Нацюнально! металургшно! академп Украши. -Дншропетровськ: «1111 Грек О.С.», 2007. - С. 116 - 121.
3. Койфман A.A. Возможность интенсификации процессов теплообмена между кирпичной насадкой и газами под давлением / A.A. Койфман, А.И. Симкин, A.A. Томаш II Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - М., 2008. - № 5. - С. 39 - 42.
4. Телегин A.C. Термодинамика и тепло-массоперенос / А.С.Телегин, B.C. Швыдкий, Ю.Г. Ярошенко. - М.: Металлург, 1980. - 264 с.
5. Койфман A.A. Тепловой баланс регенративного теплообменника, работающего под давлением / A.A. Койфман, А.И. Симкин, A.A. Томаш II Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету: 36. наук. пр. - Ч. 2. - Mapiyno.ib. 2008. - Вип. 18. - С. 141 - 144.
6. Тепло- и массообмен в плотном слое / Б.И. Kumaee, В.Н. Тимофеев, Б.А. Боковиков и др. -М.: Металлургия, 1972. - 432 с.
Рецензент: В.А. Маслов, д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 13.02.2009
