Основы рациональной утилизации теплоты с поверхностей промышленных печей Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621+669

ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ С ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Докт. техн. наук БАИРАШЕВСКИИ Б. А.

Проблема утилизации теплоты в процессе эксплуатации печей представляет собой практический интерес. Рассмотрим этот вопрос применительно к факту отдачи теплоты в окружающую среду с горячих поверхностей вращающихся печей. В ряде случаев температура этих поверхностей порядка 150-500 °С, что несовместимо с проводимой в настоящее время повсеместной политикой энергосбережения.

Необдуманное решение этой проблемы, например путем прямой и непосредственной теплоизоляции поверхностей печи снаружи и изнутри, может повлечь за собой негативные последствия, связанные с изменениями температур ограждающих поверхностей печи в зонах пограничного слоя. Простейший случай сопоставления градиентов температур до и после такой модернизации печи исследуется на математической модели, представленной в виде программного файла ЦЗВ4. Последний позволяет определять также экономический эффект от такой модернизации печи и выполнять факторный анализ мероприятия в зависимости от конкретных затрат на его выполнение. Выкопировки из рабочего файла ЦЗВ4 представлены на рис. 1-4.

Проанализируем результаты сопоставления двух градиентов температур по сечению оградительной стенки печи (рис. 1) и вычисленных с помощью программного файла ЦЗВ4 (рис. 2). Положим, что до модернизации печи имеется только один огнеупорный слой на ее поверхности изнутри. Толщину его обозначим и1до, а коэффициент теплопроводности -А,д° (А,шдо). За второй слой толщиной и с коэффициентом теплопроводности А,д° (Ай^) принимаем либо стальную оболочку печи, либо ту же оболочку, но закрытую теплоизоляцией снаружи. После модернизации между огнеупорным шамотным слоем и стальным корпусом печи располагается дополнительный теплоизоляционный слой толщиной п\ж, т. е. в этом случае стенка печи состоит из трех слоев: п1пос, п™с, п™0 с соответствующими коэффициентами теплопроводности А,11Ю(: (Аш^), А2ос (А?к) и А!^ (А™™). Применительно к плоской стенке плотности тепловых потоков qД°,п°0 (до и после модернизации) запишем в следующем виде:

(1)

'2

где в порядке граничных условий до и после модернизации гфо-пос = const и ¿гпос = const.

Рис. 1. Выкопировка из программного файла ЦЗВ4. Графическое изображение градиентов

температур по толщине стенки печи:--двухслойное ограждение до модернизации

С'™0, С, С;----трехслойное ограждение после модернизации С'пос, /?кб, /6°°, Сс

Общая связь между линейной плотностью теплового потока через многослойную цилиндрическую стенку и аналогичными потоками через плоские поверхности отдельных слоев изоляции имеет вид (рис. 1)

Чи п = = Ч* 2 А = Ч*3 А = Ч*4 А. (3)

Тогда согласно закону Ньютона линейные плотности тепловых потоков через цилиндрические коаксиальные поверхности печи определим: • до модернизации

- (^ф ¿окр ) - (tnî ' ^бв ) — а/лк (t6H ^окр (4)

• после модернизации

^пос — 7^пос if _f \ — 7^пос /^до,пос _/пос \ — ™ пос //пос _f \

4l ~ Е Мф 'окр^ — Л(1+2)слМш <бв >~ "ЧлА'бн 'окр Л V-V

где ££о пос - линейный коэффициент теплопередачи от факела с температурой ¿ф - const до окружающей среды с температурой ¿окр - const; и ^(11<+с2)сл - линейные коэффициенты теплопередачи через один и два теплоизоляционных слоя изоляции внутри печи; адо и апок - то же теплоотдачи конвекцией и излучением от поверхности печи в окружающую среду.

ЦЗБ4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ

ВОЗМОЖНОСТЕЙ

Утилизация теплоты вращающихся барабанов цементного завода. Исследование вопросов целесообразности выполнении соответствующих работ.

Мод.1 0,100 0,089 I 0,078 0,068 I 0,057 0,046 0,035 0,025 0,014 0,003

Сох. Мод От Сокр. Ml График М1 Уд. нак. Ml Уд. М61, Гр! До

Вое. Мод Мод. 2 0,010 0,02 0,03 0,04 0,05 0,05 0,06 0,07 0,08 0,090

От Сокр. М2 График M2 Уд. нак. М2 1 Уд. Мб2. Гр2 До

ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ

Мод.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Мод. 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Обозн. сЦн L6 t tu u £б А ш А'Я 5ш si

До мод. 3,600 110 400,0 20,0 0,60 1,5000 30,000 0,100 0,020 -

Мод.1 3,600 110 50,0 20,0 0,60 1,5000 30,000 0,0100 0,100 0,020 79,46

Мод. 2 3,600 110 80,0 30,0 0,90 2,0000 30,000 0,0900 0,250 0,030 251,32

Разм. M м "С °C - Вт/(м*К) Вт/(м'К) Вт/(м*К) м м мм

Мод.1 12 13 14 15 16 17 Реш.1 вып -2Е-09 %

Мод. 2 12 13 14 15 16 17 Реш.2 вып -6Е-10

ОбОзн. ^""uvf т.. ц LU, Ц» LU Í Т„ PHI Ртк

До мод. - - 500 8000 - - 2,3 -

Мод.1 200 5000 70,0 0,060 320 500 8000 0,10 5,0 2,3 0,8

Мод. 2 200 7000 50,0 0,043 340 500 8000 0,10 5,0 2,3 0,8

Разм. млн. р ч/год тр/Гкал тр/кВтч Т p/TJT тр/т тр/т - лет т/м3 т/м3

Обозн. d ш <1™ ds. d fM (ш ' IK ts„ ta t fin Fe{lM) Un

До мод. 3,360 - 3,560 3,600 1093,7 406,4 400,0 11,31 210,0

Мод.1 3,201 3,401 3,560 3,600 1093,7 1079,1 1079,1 50,2 50,0 11,31 35,0

Мод. 2 2,537 3,037 3,540 3,600 1093,7 1015,1 1015,1 80,6 80,0 11,31 55,0

Разм. м м м M °С "С мг

Обозн. К™ Ьш be. Ь„ „о Ч I л к Q6 Л К Лг s Üú"„,

До мод. - 0,0000 0,0001 - 112038 12324,2 10,6 - -

Мод.1 206,8 0,0003 0,0001 0,0020 3014,3 331,6 0,3 109024 93744 11093 10,3

Мод. 2 219,1 0,0003 0,0001 0,0020 7231,6 795,5 0,7 104807 90118 11529 9,9

Разм. млн р M "С 1/°С 1/°С Вт/м кВт Гкал/ч Вт/м ккал/(чм) кВт Гкал/ч

ОбОзн. NPV О як rraA V JhT Ток q", Я » 0« a„ Onï

До мод. - . - - 6728,3 3178,1 9906,4 8,363 17,71 26,069

Мод.1 16211,0 721,8 4331,0 13534,3 0,05 119,6 146,96 266,5 4,899 3,99 8,884

Мод. 2 12933,1 495,6 3469,5 10204, S 0,08 362,2 277,18 639,4 5,544 7,24 12,788

Разм. млн р тр/ч млн.р/г тут/год лет Вт/м2 Вт/м2 Вт/м2 Вт/(м2Ю Вт/(м2К1 Вт/(м2Ю

Обозн. v„ V-ГК Gu, С ш Стк Nu(t„) с р) v<t„> Pr{t„} Gf(tco)

До мод. 1,087 - 2,500 - 1,250 - 769,82 0,0391 3.6Е-05 0,694 3,Е+11

Мод.1 1,0371 0,8689 2,385 0,6951 1,193 5,5607 649,88 0,0271 1.6Е-05 0,695 2,Е+11

Мод. 2 2.1892 2,5965 5,035 2,0772 2,518 16,618 698,47 0,0286 1.8Е-05 0,694 2,Е+11

Разм. M3 м3 т т МЛН. р млн. р - Вт/(м*К) м2/с -

Обозн. Рг Gr с n С J 0е Рг Gr с n

До мод. 2Ё+11 0,135 0,333 5,67 - <10 1 0,45 0

Мод.1 1Е+11 0,135 0,333 5,67 0,001 10"' +5 102 1 18 0,125

Мод. 2 1Е+11 0,135 0,333 5,67 500 5-102- 2 107 0,54 0,250

Разм. - - - BT/ímVI 2Е+07 >2- 107 0,135 0,333

Рис. 2. Выкопировка из программного файла ЦЗВ4

Сплошной линией на рис. 1 показаны значения температур по слоям теплоизоляции до модернизации (дД° и дД°), а пунктирными - после модернизации (д™с и д11юс). Здесь следует иметь в виду, что в сравнении с п3д° участок толщиной после модернизации может вкючать в себя слой изоляции. Тогда из анализа (1)-(5) следует, что снижение теплопотерь от значений дгдо до д1пос через ограждающую стенку печи можно осуществлять путем увеличения термического сопротивления слоев теплоизоляции по обе стороны ее стальной оболочки. Причем при решении такой задачи необходимо уложиться в допустимые пределы этих изоляционных материалов в отношении как их термостойкости, так и толщины их слоев. К тому же следует избегать существенных изменений размеров печи по ее сечению особенно изнутри.

Программный файл ЦЗВ4 (рис. 2) позволяет решать такую задачу оптимизации в первом приближении путем численного анализа результатов расчета по перепаду температур и тепловых потоков через многослойную цилиндрическую стенку согласно схеме на рис. 1. В основе решения такой задачи лежат два уравнения, определяющие температуру ^гк = 'б на границе между слоями шамотного кирпича и теплозащитного материала:

• со стороны слоя шамотного кирпича температура 'тк вычисляется так:

если Ьш = 0, то = - ■

Яш

2кХ?,

-1п-

И пос

И п

итт

-; в противном случае

'а = — Ь-1 +

(Ьш1 + 'ш )2 —

бпос

Яш

пЬш X

опос ш '^ш

-1п-

0,5

(6)

• со стороны слоя теплозащитного материала та же температура ^к вычисляется из учета температуры слоя 1бв аналогично: если Ьтк = 0, то

бпос

Я1л

2пХт

-1п

пос

бв

-; в противном случае

= —ь—к +

(Ь—к + 'бв )2 +

Я1

бпос

ПЬтк Хт

1п

0,5

(7)

где Ьш и Ьтк - коэффициенты линейной интерполяции теплопроводности

шамотного кирпича и теплозащитного слоя от температуры.

Путем совместного решения уравнений (6) и (7) определяем толщину теплоизоляционного слоя 5тк = 0,5(Ит°с — Ибвс) и ряд других показателей,

предусмотренных алгоритмом программного обеспечения ЦЗВ4.

Экономический эффект от модернизации печи по такому варианту сводится к уменьшению расхода топлива за счет соответствующего снижения теплопотерь в окружающую среду.

В некоторых вращающихся печах предусматриваются определенные зоны, в которых для соблюдения технологических процессов должны быть повышенные или пониженные значения температур ('¡дно) внешних поверхностей как следствия адекватных температур изнутри. В этом случае показатель «теплопотерь» д1 = ддо играет роль регулируемого параметра, на который можно воздействовать путем установки буферного теплообменника с наружной стороны печи. На фоне политики энергосбережения его также следует рассматривать как резерв экономии теплоты по второму варианту ее утилизации, не нарушающему структуру ограждающей стенки.

Рассмотрим потенциальные возможности этого варианта. Считаем, что до модернизации технологический режим печи налажен и установлен определенный температурный уровень ее наружной поверхности на участке длиной Ьб. В начале этого участка с температурой стенки линейная плотность теряемой теплоты равна д^Х, а в конце соответственно - 'б™^ и Явох. Воздушная окружающая среда изотропна и имеет температуру 'окр. Далее полагаем, что после модернизации, теряемая теплота частично утилизируется буферным теплообменником, установленным коаксиально вдоль того же участка длиной Ьб на некотором расстоянии от горячей поверхности печи. Пространство между ее поверхностью и поверхностью теплообменника «глухое», не продувается воздухом и отделено от окружающей среды и вращающегося корпуса печи сальниковыми уплотнениями. Внутри упомянутого теплообменника по трубам или специальным каналам проходит теплоноситель (воздух, вода), отводящий теплоту от поверхности печи в целях утилизации. В результате тепло-потери в окружающую среду на утилизированном участке длиной Ьб сводятся к теплопотерям самого теплообменника.

Такой принцип утилизации теплоты позволяет регулировать ее отвод путем изменения прежде всего массового расхода теплоносителя. При создании математической модели отвода теплоты таким устройством следует иметь в виду одну его существенную особенность. В отличие от условий до модернизации окружающая среда (теплообменник), в которую осуществляется отвод теплоты от поверхности печи, не является изотропной, потому что температура поверхности теплообменника на участке утилизации Ьб переменна, а температура окружающей среды (до модернизации) постоянна. В результате появляются условия, затрудняющие адекватное моделирование отвода теплоты в начале и в конце участка Ьб. Как видно, теплообменник с коаксиально расположенными поверхностями нагрева не способен обеспечить соблюдение сразу двух условий подобия на участке печи Ьб, которые можно сформулировать так: на входе при '¡в31, пос =

>вх,до бпос бдо _, ,вых, пос ,вых, до

= 'б соответственно д1вх = д1вх , а на выходе при 'б = 'б -

ЯТХ = ЯбвдыХ. Обеспечивая условия С^ = Сд° и ЯТ = д^ на начальном участке (Ьб) теплообменника, на его втором конце (в силу влияния упомянутой неизотропности) при 'бых,п°с = 'бых до аналогичный показатель д^пХ ф д1бвыХ. Из этого следует, что в таком случае необходимо

либо предусматривать установку специального (адекватного) теплообменника, либо находить компромисное решение этой задачи, основанное на допустимом пренебрежении упомянутых граничных условий подобия.

Комплекс программных файлов ВрП5, ВрП6 и ВрП7 позволяет ре-

,вх, п°с ^ вх, до

шать такую задачу при условии постоянства температур 'б = 'б и 'Вы3, п°с = ^вых,д° и при значении теплового потока от печи на начальном участке Ьб, вычисленном так: дгбвпх°с = Кр д^. Здесь Кр - произвольный коэффициент корреляции (Кр < 1), подлежащий последующим уточнениям в процессе эксперимента. Аналогичный показатель д^Х ф д1бвы°х, как

уже было отмечено, вычисляется в соответствии с уравнениями теплового баланса и теплопередачи в данном устройстве.

Вводимый в качестве сомножителя перед показателем д^Х коэффициент корреляции Кр <1 позволяет исследовать степень значимости соблюдения условий равенства тепловых потоков д1бвдХ'п°с и д1бвдьох1юс на режим и эффективность работы утилизационного устройства в целом согласно запрограммированной модели теплоотвода. Экспериментальное исследование этого вопроса и выявление допустимых границ отклонения упомянутого коэффициента Кр от единицы представляют собой немаловажную информацию при ипользовании и корректировке программных файлов ВрП5, ВрП6, ВрП7 в процессе проектирования соответствующих теплообменников.

Выкопировки из программного файла ВрП5 представлены на рис. 3 и 4. Здесь в качестве теплоносителя предусматривается атмосферный воздух, продуваемый по щелевым каналам, объединенным в J секций. В файле ВрП6 в отличие от файла ВрП5 предусматривается в качестве теплоносителя вода, которая также проходит по J секциям с прямоугольными каналами. В файле ВрП7 предусмотрена трубная система теплообменника, охлаждаемая водой. Во всех файлах (ВрП5, ВрП6 и ВрП7) наряду с упомянутым коэффициентом корреляции Кр > 1 предусматривается возможность как полного (360°, т. е. ф =1) охвата на участке Ьб коаксиальным теплообменником поверхности корпуса печи, так и частичного (меньше 360°, т. е. ф < 1).

Расчет процесса утилизации теплоты с помощью коаксиального теплообменника основан на решении системы уравнений, описывающих механизм передачи ее от цилиндрической поверхности печи (рис. 3).

До модернизации тепловой поток от печи в окружающую среду (на единицу плоской поверхности) передается за счет излучения дб согласно закону Стефана - Больцмана и конвекцией дб по закону Ньютона:

длбдо =8бС0 • 10-8[('б + 273)4 -('окр + 273)4];

qK акб (/б ^окрX

(8) (9)

где коэффициент теплоотдачи за счет конвекции определяется на основании полуэмпирического критериального уравнения [1] Ки = 0,245Яе^ж, представленного в виде

акб = 0,245 (Гв°з + Кб)0,6V-0,6XБ-0,4. (10)

ВрП5 Утилизация теплоты вращающегося барабана цементного завода. Охладитель - воздух по секциям

Число секций- |(а 300

Ч[иг- 246 w , : 95,5 й™"", = 4,67

щт 6,74 v I, ■ 30,00 ÜR:,ц -1.0 в„„ = 0,122

¿R .. =" 1,0^44v ——I—— I

Теплокамера Кольцевой канал

А*не - 0.100

Ч,п„= 3821 ц,= 6.74 ■iR„u = 'i,О Теплоизоляция

/ W10. - "5,00 4 (Ид = j МО VI( Р 0.042

Теплокаглера ] Кольцевой канал Вращающийся барабан

Вращающийся барабан

Ц1ГВ,= 246 ^ 20,0 №„-=5.0 а„, = 0,12 й«™« 3,838

q,„,= 3821

Слой теплоизоляции

S„,= 0,080

V, = 112928 WK = 95.5

110.66

Кольцевой клилл для

О,- 119.40 165515

ÜRnu = 'i,0 = 140.9

106724 I, = 0.330

потока теплоносителя

h, = 0,994

q™, = 46337

G, = 132 Q"""1, - 4,67

Di,

tr„ = 292,7 Oh n ,= 9.01

Теппокамерэ

I ,j = 400_ I

AR t , = 1,0 Ут 6 =0.042

Теплсканера

tIp = 297,0

t,-, = ' 353

(q*,)"™ = 106970 —TLS= ido

Направление движения рабочего потока so еращащщейся печи

(q°,)"" = 52159 (q5, f = 90735

¿o)

Вход холодного воздуха

L

Выход воздуха

Ширина канала

6, - толщина стенки короба

Выход воздуха

L

1к

Рис. 3. Выкопировка из программного файла ВрП5. Принципиальная схема движения рабочего потока по щелевому каналу, изогнутого эквидистантно диаметру барабана Бб. В данной версии имеется в виду, что поток теплоносителя (воздух) движется в направлении рабочего потока во вращающейся печи, /к - число каналов. Ширина канала

1к = £б//к - 5к, высота кк = В2к - Ак. Средняя скорость охлаждающего потока в канале

wK = 0,5(^квх - №вых )

1

ВрП5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

Со*. Мо1 Сох. Мо2 Сох. МоЗ Сох. Мо4

Реш. задачи

Утилизация теплоты вращающихся барабанов цементного завода. Охладитель - воздух.

20,00 20,56 | 21,11 21,67 | 22.22 | 22.78 | 23,33 | 23,89 | 24,44 25,00

Со*. Мод До мод

От С охр. М1 График М1 | Уд. нэк Ш Уд. М61. Гр1 До

300,00 296,07 | 293,33 290,00 286,07 | 283,33 | 280,00 | 276,07 | 273,33 270,00

Вое, Мод _

От Сохр. М2 График И2 Уд. нак М2 Уд. М62. Гр2 До

Гр.2 = Кр 0,9 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ

До Мод Ф 1- е и

Пос.Мод 0,70 1-6 1« Ш \ | А1»Ш Ш.и| 1Л1 „„ | Л"*« |

Обозн. Об 1-ь и йЯ», йЯ.Ц ' ОКО

Вх.доМ 3,600 100.0 400,0 0.70 1.00 5.0 20,0

Вых.доМ 350.0

Вх.госМ 3,600 100.0 400.0 30,0 0.70 0.80 1.00 1.ооо 5.0 20,0 0.100

ВЫХ.П0СМ 350.0 173,8

Разм. м "С "С - - м м М / 0 °С Вт/(М'К}

До Мод

Вос.М<>1 Вос.Мо2 Вое. МоЗ Вос.Мо4

Пос.Мод и | К УД \ Т. I Г | Т„ | Ц.УТ I ЦЧ |

Обозн. Ь К„ Г тп Цт,т ц Юв С.«

Вх.доМ Вых доМ 1.4 СО

Вх.госМ зоо 25 6000 0,10 500 25,0 0.0215 1.4 0,06 5,600

Вых.посМ

Разм . млн р /м чУгод - лет т р/тут тр 1 -.11 тр/кВгч о5/ мин м м

Обозн. ^"„(1М) □"с V,, а, 6 Б ц\ б ■> ч«: ч» 6 с (|.„. Ч .,

Вх.доМ ц 0,042 6,999 0.70 7849,7 2659,5 10509 <18856

Вых.доМ 7,079 . 5686,5 2336,2 8023 90735

Вх.посМ 17,59 7,600 0,042 - 1,637 0,0369 0,629 5743,9 329,9 6074 106970

Эых.посМ - 1,369 0,0442 2325,3 136,3 2962 52159

Разм. м м м/с Вт/(М3К) М'К/ Вт - Вт/м2 Вт/м2 Вт/м3 Вт/м

Обозн. и„ а» о" Л к О"»", Ч 1 ПК Ч| П01 5| ПО! Л2\,

Вх.доМ 210,0 10-178.6 9,01 - 104796

Вых.доМ 185,0

Вх.посМ 292,7 6,7 5069,5 4,79 106724 5427 4,07 246,2 0.2 2222,1 13332.6

ВЫХ.П0СМ 237,0 46337 3321,2 7.3

Разм. °С Вт/(м2Ю кВт Гкал/ч Вт/м кВт Гкап/ч Вт/м % р/(м ч) тр/(м г)

Обозн. ЙТЧ,Г лт™,,. ДО МРУ

Вх.доМ ■

Вых.доМ

Вх.посМ 1333,3 4.44 26.7 2666,5 103 88884 10337,2 8888391 8 888 46128,4 46.12337

Вых.посМ

Разм МЛН Р'1 туг/(м ч) тут/(м Г) т /I 1 од кВт/м КШ1/(ЧМ) кВт ккал/ч Гкал.'ч тр/м млн р ,гм

Обозн. т.. Г„ Т„ С,ЮВ й.

ВхдоМ Вых доМ - - - 5 67

Вх.посМ Зых.посМ 1,80 2,16 1333,3 2666,5 1,88 0 43

Разм. лет пет млн р/т тут/год лет Вт/Тм^К") "С

1.Расчёт основных показателей отражающего короба. В кольцевом пространстве между барабаном и ограждающим коробом протока воздуха

Обозн. ь„ □а, V, О,

Вх.посМ 0,003 эо.ооо 0,0001 0,0001 1,293 300 95.53 5.606 7.594 112828 132

ВЫХ_ПОСМ 140,87 166515

Рази. м Вт/(М*К) 1/*С 1/°С чн-.' м / с м м м3/ч т/ч

ООозн. и .вн 1 КС ,в н 1 кн «"к),,! Оно. АО™,

Вх.посМ 400,0 185,38 184,78 184,78 29,64 29.64 29.64 21,50 20,0 0,1224 8,888

Зых.посМ 350,0 244,02 243,73 243,73 168,66 168,64 168,64 43,26

Разм. "С "С *С *С °С °С "С "С Гс.чл'ч Гкал.'ч

Обозн. (Ч*) 6-Ю Ре"с {Опоп,)1!1 = (апол|}1„ (сги^ю"™,),.

Вх.посМ 123Е-13 1,11 Е-11 110,7 106970 О.ООЕ+Ш О.ОЕ+ОО 0.00145 6427 4,«7 5427 4,67

ВЫХ.ПОСМ сч Ш и?" 119.4 52153 -3.9Е-07 0.00134

Рази. % % ВтЯи!*Ю ЕЯ,'1,1 % % и-к / Вт кВт Гнал/ч кВт Г кал/ч

Обозн. Рк(1к| и(У уЩ * {У РЦЦ Ст((!с) с) 1« ^ к Э,

Вх.посМ 1,165 1.9Е-06 1 6Е-05 0,023 0,695 ЗОЕ 106 7.Е+09 0.50 0,330 0,994 0,328

Вых лосМ 0,790 2.6Е-06 3 2Е-05 0,032 0,693 2.2Е+06 З.Е+09

Рази кг/м1 кгс'с«лг м'/с тлИм'ч'К] - - М м м м;

Рис. 4. Выкопировка из рабочего файла ВрП5

После модернизации аналогичный тепловой поток формируется в глухом пространстве между стенками печи и теплообменника:

4лбпос =8ПрСо10-8+ 273)4 - (¿вн + 273)4]; (11)

Ч

бпос

¿б ¿ст

П А к Кб

(12)

где приведенный коэффициент лучеиспускания замкнутой системы, состоящей из двух поверхностей:

бб1 + (е-1 -1)

(13)

а тепловое сопротивление воздушного кольцевого пространства толщиной АКбу между поверхностью барабана и ограждающим коробом после

модернизации

Кбу = (2пА,э

)-1]д Д* - 25к .

Об

(14)

Входящий в уравнение (14) показатель Xэк представляет собой коэффициент теплопроводности воздуха в глухой камере, который в отличие от неподвижного (Хв) слоя учитывает влияние естественной конвекции [2]:

Хэк = 0,18аг0 25 Рг05 Хв;

(15)

0г = 9,81(Д, - 25К - Об )3(¿б - ¿свтн) (16)

Г [0,5 (¿б + ¿свтн) + 273]V2 . ( )

где ¿стн - температура стенки теплообменника со стороны глухой камеры.

Линейные плотности тепловых потоков до и после модернизации в начале и конце участка утилизации А определим:

Чбдо = « + Чкдо) п Об; (17)

Чбдо = (чпос + Чкпос )п Ак. (18)

Далее запишем уравнения теплопередачи и теплового баланса для рабочего потока (т. е. полезной теплоты) в теплообменнике:

&ппл = Ф [0,5(ч1бвхос + Ч1бпос) - 0,5(чвхот + )] А; (19)

бтпбол = Ок [(^к)вых - (еГк)вх ], (20)

где ч™ - линейная плотность теплопотерь через поверхность изоляции теплообменника;

вх, вых тппот

= ан (^Г,вых - ¿окр) п (Ост + 25ИК), (21)

ан - коэффициент теплоотдачи, определяющий степень охлаждения наружного кожуха утилизационного устройства окружающим потоком воздуха,

ан = 0,245 (Я^-! )0,6 ^воз (Ост + 25« )-0,4. (22)

Коэффициент теплоотдачи ак в теплообменнике изнутри определяется размерами канала и теплофизическими свойствами теплоносителя: • если Яе > 104, то

ак = 0,021 (ЖкV-1 )0,8 Ргк0,43 (О2к - Ак )-0,2 Хк;

1 в противном случае

ак = 0,33(ЖКV-1)0,5 Ргк0,43(О2К - О1к)-0,5 Хк.

(23)

(24)

Температуру внутренней стенки ¿кн теплообменника со стороны барабана определим из уравнения теплопроводности: • если Ьгт = 0, то

*вн _ ^вн _

к б 'ст

91

бпос

2пХ°.

-1п

Ак

Овн

■ в противном случае

¿ вн = -Ь-1 +

(Ьст + ¿ст )

91

бпос

П Ьст Xо

-1п

Ак

Осв

0,5

(25)

Температуру ¿£| можно вычислить также, исходя из учета сопротивления Двн пограничного слоя:

¿вн = ¿ + 9бпос пвн • 'кб _ 'к + 41 Лк ,

(26)

Пквн = [п (О2к - Д. ) ак ]-1.

(27)

Можно считать, что сопротивления пограничных слоев Л|н и коэффициенты теплоотдачи ак на обеих стенках (О1к и О2к) кольцевого канала теплообменника изнутри примерно одинаковы. Следовательно, температуру противоположной (со стороны теплоизоляции) внутренней стенки теплообменника ¿-вин можно вычислить по формуле, аналогичной (26), с учетом теплового потока д1пот, представляющего собой величину потерь в окружающую среду через теплоизоляцию:

¿вн = ¿ - 9 Пвн

(28)

где пот (на входе и выходе из участка А ) вычисляется по (21).

Температура стенки теплообменника ¿н (рис. 3) на границе с его изоляцией определяется уравнениями теплопроводности, записанными со

стороны как стенки с температурой ¿вн, так и наружной стенки теплоизоляции с температурой ¿нт: • если Ьст = 0, то

— /вн _ 1к 'кн

1 в противном случае

¿ н = — Ь-1 +

к ст

1 если Ьик = 0, то

91п

1п

Ос

2пХ° О2

91Е

(Ь- + ¿|нн )2 —^ 1п ^

¿ н = ¿ н +

1с.т 1

91 п

1 в противном случае

¿ н = — Ь-1 +

2пХи

(Ь-1 + ¿н )2 _

1п

П Ьст Хст

Ост + 25и

О

2к

0,5

(29)

Он

91 п

_ г. л о 71 б^ик ^ик

-1п-

Ост + 25и

Ос

(30)

Уравнения (8)-(30) положены в основу создания упомянутых файлов ВрП5, ВрП6 и ВрП7 по расчету основных температурных показателей коаксиального буферного теплообменника, использующего в качестве теплоносителя воздух или воду.

Технико-экономические показатели, определяющие целесообразность такой модернизации печи, вычисляются по упрощенным формулам [3, 4]:

• удельная экономия теплоты за счет установки утилизационного устройства в расчете на 1 м его длины в течение первого часа:

Абзчк =0,5 [(91

1 вх

-91бвых) - ф(91шт +91впьохт)];

(31)

• дисконтированная прибыль за весь период (Тп, лет) эксплуатации утилизационного устройства (теплообменника) в расчете на 1 м его длины:

№У = Айчк Ти г-1 [1 - (1 + г) -Тп ] - Куд; (32)

• расчетный срок окупаемости затраченных средств на изготовление и отладку работы утилизационного устройства

Ток = Куд (А&чкЦ9Ти)-

(33)

где ти - число часов использования утилизационного устройства в течение года; г - банковский процент увеличения денежного вклада (в долях от единицы); Тп - планируемый период службы утилизационного устройства; Куд - стоимость монтажа и отладки работы утилизационного устройства в расчете на 1 м его длины; Ц9 - цена теряемой теплоты.

В Ы В О Д Ы

1. Путем анализа показано, что утилизация теплоты, теряемой от горячих поверхностей печи, может быть выполнена без существенного нарушения теплового режима ее работы в целом.

2. Рассмотрены, проанализированы и сделаны оценки двух вариантов утилизации теплоты, теряемой с горячих поверхностей печи в окружающую среду. Обращено внимание на то обстоятельство, что в процессе утилизации теплоты необходимо соблюдать определенные условия ее отвода во избежание нарушения теплового режима работы печи, предусмотренного технологией производства продукции.

3. Первый вариант модернизации предусматривает полную замену теплоизоляционных материалов печи, устанавливаемых по обе стороны ее металлического корпуса, т. е. изнутри и снаружи.

4. Второй вариант модернизации предусматривает установку коаксиальных теплообменников со стороны наружной стенки печи, не изменяя состояние ее теплоизоляции изнутри.

5. Разработан комплекс программных средства (ЦЗВ4, ВрП5, ВрП6, ВрП7 и др.), позволяющих путем многочисленных расчетов определять различные показатели, сопутствующие реализации того или иного варианта модернизации печи. Их рекомендуется использовать при разработке как новых печей, так и соответствующих устройств, направленных на утилизацию теплоты действующих печей.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. И с а ч е н к о, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. -М., 1969.

2. М и х е е в, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М., 1973.

3. Л и п с и ц, И. В. Инвестиционный проект: методы подготовки и анализа: учеб.-справ. пособие / И. В. Липсиц, В. В. Косов. - М.: Изд-во БЕК, 1996.

4. Байрашевский, Б. А. Теплопровод «труба в трубе» как альтернативный вариант двухтрубной прокладки / Б. А. Байрашевский, Н. П. Борушко // Весщ НАН Беларуси Сер. фiз.-тэхн. навук. - 2006. - № 1.

Представлена кафедрой ПТЭ и ТТ БНТУ Поступила 14.05.2010

УДК 621

К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО*

Асп. БЕГЛЯК А. В., канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В.

Белорусский национальный технический университет, ОАО «Минский автомобильный завод»

В настоящее время основным параметром сравнения эффективности теплотехнологий служит удельный расход условного топлива (Ь7000) на