Моделирование нагрева насадки доменного воздухонагревателя, работающего под давлением Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

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