CC BY
40
дтм г: мтшггг
mi /197
1 (59), 2011 I Ifcf
7he results of numerical modeling of heating operation of furnace of the metal high-speed jet heating are given.
и. А. ТРУСОВА, П. Э. РАТНИКОВ, Д. В. МЕНДЕЛЕВ, БНТУ
УДК 621.331:536.33
определение оптимальных мощностей горелочных устройств в нагревательных печах струйного типа
Одним из направлений интенсификации нагрева металла, получившим в последнее время все большее распространение, является применение печей скоростного нагрева с использованием современных струйно-факельных технологий сжигания топлива (горелочные устройства с высокой скоростью истечения продуктов сгорания 100 м/с и выше) [1]. Теплообменные процессы в таких печах характеризуются примерным равенством лучистой и конвективной составляющих теплового потока, что требует разработки соответствующих методик расчета.
б
Рис. 1. Схема печи скоростного струйного нагрева стальных заготовок производительностью 1000 кг/ч: а - продольный разрез; б - поперечный разрез
В данной статье приводятся результаты численного моделирования тепловой работы печи высокоскоростного струйного нагрева металла. Объектом моделирования служила двухручьевая печь проекта ВНИПИ «Теплопроект» [2], предназначенная для нагрева заготовок диаметром 80100 мм и длиной 100-220 мм из углеродистых сталей. Схема печи приведена на рис. 1.
В качестве горелочных устройств выбраны скоростные короткофакельные горелки BIG 100, имеющие следующие основные характеристики: тепловая мощность горелки - 16-160 кВт; скорость истечения дымовых газов - 105 м/с; тип керамической насадки - B065; тип горелки - R; диаметр выходного сечения горелки - 104 мм; диаметр выходного сечения керамической насадки -65 мм; длина керамической насадки - 300 мм; расстояние от головки горелки (место смешивания воздуха и природного газа) до выходного сечения керамической насадки - 265 мм; давление воздуха -30 мбар, природного газа - 30 мбар. Схема горелки приведена на рис. 2, а схема моделирования насадки горелки с использованием метода конечных элементов - на рис. 3.
С целью определения полей скоростей и давлений в насадке горелки и на выходе из нее выполнены расчеты по моделированию работы высокоскоростной короткофакельной горелки BIG 100.
Результаты исследований моделирования работы скоростных струйных горелок положены в ос-
Рис. 2. Схема скоростной короткофакельной горелки BIG 100
а
128/
аитмиг/^шшчна
1 (59), 2011-
а б
Рис. 3. Моделирование насадки горелки (от головки горелки до конца керамической насадки) методом конечных элементов: а - чертеж насадки горелки BIG 100; б - представление насадки в виде конечных элементов
Рис. 4. Распределение поля скоростей продуктов сгорания в насадке горелки и на выходе из нее
нову создания расчетной схемы печи скоростного струйного нагрева металла (рис. 6-9).
При моделировании тепловой работы печи скоростного струйного нагрева рабочее пространство печи было разбито на 10 расчетных участков (длина расчетного участка совпадает с длиной заготовки), на каждом из которых определяли допустимые плотности тепловых потоков на металл исходя из условия термической прочности заготовок [3] и соответствующие им мощности горелочных устройств. Схема расчетных участков показана на рис. 10.
На первом этапе решена задача по определению распределения скоростей продуктов сгорания и температур кладки и дымовых газов в рабочем пространстве печи в установившемся режиме работы печи при работе всех горелочных устройств
на максимальной мощности (160 кВт). При этом принимали поверхности заготовок теплоизолированными. В результате определено поле скоростей в рабочем пространстве печи (рис. 11) и рассчитаны максимальные установившиеся температуры газов и кладки (рис. 12).
На рис. 13 показаны распределения падающих тепловых потоков на поверхности заготовок (кВт/м2) в каждой расчетной зоне при работе всех горелок на максимальной мощности 160 кВт.
При сравнении полученных результатов (рис. 13) и данных работы [3] видно, что в любой момент времени падающие тепловые потоки на металл превышают максимально допустимые значения.
В дальнейшем подобные расчеты по определению температур дымовых газов рабочего про-
лтм г: гл^ггтллт
1МТГ /120
1 (59), 2011/
Рис. 5. Распределение поля давлений в насадке горелки и на выходе из нее
Рис. 6. Трехмерный вид нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла
Рис. 7. Чертеж нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла (торцевой разрез)
Ш/агтг^г г^штштптгт
/ 1 (59), 2011-
1 1 ^ 1 1 1 1
1 1 ^ % Ш 1 1 1 1
Рис. 8. Чертеж нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла (продольный разрез)
\ / / \ / 1 7
1
|
1
1
/ \ / \ / \ /
□ 1 2
Рис. 9. Чертеж нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла (вид сверху)
Рис. 10. Схема расчетных участков для определения тепловых потоков и мощностей горелок: 1-10 - расчетные поверхности
странства и кладки, а также величин падающих тепловых потоков на металл в расчетных точках были проведены для различных мощностей горелок. Ниже приведены результаты моделирования горелочных устройств при следующих значениях мощности: 16, 80 и 100 кВт.
На рис. 14 представлены установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 16 кВт, а на рис. 15 - зна-
чения падающих тепловых потоков на поверхность заготовок в расчетных точках (поверхности обе-зразмерены). Как видно из рис. 14, максимальная температура греющей среды при этом не превышает 300 °С.
На рис. 16 приведены установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 80 кВт, а на рис. 17 - значения падающих тепловых потоков на поверх-
лггтгг^ г: г^тпг^ггш /141
-1 (59), 2011 I 1111
Мах: 57.« I
Ми; О
Рис. 11. Установившийся режим движения продуктов сгорания (поле скоростей) при работе всех горелок на максимальной
мощности 160 кВт
ИП! £0,0
Рис. 12. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок на максимальной мощности
160 кВт
/ 1 (5B), 2011-
з
rjим г г^гг/^птг
-1 (59), 2011
/133
Рис. 13. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 160 кВт: а - первая поверхность; б - вторая; в - третья; г - четвертая; д - пятая; е - шестая; ж - седьмая; з - восьмая; и - девятая; к - десятая
Рис. 14. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 16 кВт
и
к
б
а
Шмгггг^ г: г^щтштптг)
/ 1 (59), 2011-
Рис. 15. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 16 кВт: а -первая поверхность; б - вторая; в - третья; г - четвертая; д - пятая; е - шестая; ж - седьмая; з - восьмая; и - девятая; к - десятая
мим г г^г/^птг
-1 (59), 2011
/135
Рис. 16. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 80 кВт
136
т< г: гсшешитге
1 (59), 2011
и к
Рис. 17. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 80 кВт: а -первая поверхность; б - вторая; в - третья; г - четвертая; д - пятая; е - шестая; ж - седьмая; з - восьмая; и - девятая; к - десятая
д
е
з
ность заготовок в расчетных точках (поверхности обезразмерены).
На рис. 18 приведены установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 100 кВт, а на рис. 19 -значения падающих тепловых потоков на поверхность заготовок в расчетных точках (поверхности приведены к безразмерному виду). Как видно из рис. 19, максимальные тепловые потоки на металл превышают максимально допустимые потоки примерно на 10% (если сравнивать с результатами работы [3]).
Таким образом, результаты моделирования (рис. 12-19) показали, что при мощности всех горелок 100 кВт падающие потоки на металл превышают максимально допустимые значения по критерию термопрочности на 10-15%, а при мощности горелочных устройств 80 кВт от 3-го до 5-го рядов (см. рис. 10) горелок есть резерв увеличения их мощности. В результате предложена технология нагрева металла, когда на первые два ряда горелок подается мощность 80 кВт, а на последние три ряда - мощность 90 кВт. Распределение температуры теплоносителя (дымовых газов) и кладки при
/¡гстгег гстг^тттог /147
-1 (59), 2011 / ■ и Я
мае Юва.87в
Мп: ifi.fi
Рис. 18. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 100 кВт
138
т< г: гсшешитге
1 (59), 2011
Рис. 19. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 100 кВт: а -первая поверхность; б - вторая; в - третья; г - четвертая; д - пятая; е - шестая; ж - седьмая; з - восьмая; и - девятая; к - десятая
д
е
е
з
и
к
таком режиме нагрева приведено на рис. 20, а значения падающих потоков на металл - на рис. 21.
На рис. 22 приведены обобщающие результаты расчетов падающих тепловых потоков на металл в расчетных точках печи (см. рис. 10) при различной мощности горелочных устройств. Зеленым цветом и треугольным маркером показаны оптимальные падающие тепловые потоки на металл (результирующие тепловые потоки, согласно работе [3], плюс собственное излучение
заготовок г^^4). Как видно из рисунка, при распределении мощностей по рядам горелок следующим образом (1-й и 2-й ряды - 80 кВт, 3-5-й ряды - 90 кВт) удается максимально приблизить значения падающих тепловых потоков к максимальному, определенному в [3], что обеспечит минимальное время нагрева заготовок или максимальную производительность при выполнении требования на термопрочность металла.
мим г г^г/^птг
-1 (59), 2011
/139
Рис. 20. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при распределении мощности по горелкам: 1-й и 2-й
ряды - 80 кВт; 3-5-й ряды - 90 кВт
б
а
140
»«»иггг^штптг?
1 (59), 2011
Рис. 21. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при распределении мощности по рядам горелок: 1-й и 2-й ряды - 80 кВт, 3-5-й ряды - 90 кВт: а - первая поверхность; б - вторая; в - третья; г - четвертая; д - пятая; е - шестая; ж - седьмая; з - восьмая; и - девятая; к - десятая
Рис. 22. Значения величины падающих тепловых потоков на металл в расчетных точках печи при различной мощности го-релочных устройств
Положение заготовки в печи
■160-...-160кВт ■ 16-...-16кВт
-оптимальный режим (расчет) ' 80-...-80кВт
-100-...-100кВт -«-80-80-90-90-90кВт
д
е
з
и
к
тмг: г/^штгпип /1д1
-1 (59), 2011 I 141
Литература
1. Т и м о ш п о л ь с к и й В. И., Т р у с о в а И. А., Р а т н и к о в П. Э. Возможности применения струйного нагрева металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2. С. 63-66.
2. Опыт эксплуатации газовой автоматизированной печи скоростного конвективного нагрева / М. А. Розенберг, М. М. Зуб-кова, П. С. Берковская, И. А. Дубовской // Кузнечно-штамповочное производство. 1978. № 3. С. 36-38.
3. Отчет о НИР «Исследование процессов высокоэнергетического струйного конвективного и радиационного нагрева термически массивных изделий с целью разработки оптимальных теплотехнологий. Этап 4. Выполнение многовариантных расчетов нагрева тел различной конфигурации в промышленных печах».
