CC BY
112
УДК 658.26
ПОРИСТОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ В ОГНЕТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ В.Г. Стогней, Е.К. Лахина
В статье предлагается методика расчета воздухоподачи, режимов горения и теплообмена в рабочей камере печи. Рассмотрены авторские конструкции
Ключевые слова: воздухоохлаждаемая заслонка, заслонка с пористым слоем, пористое охлаждение
Нормальная эксплуатация топливоиспользующих установок, к которым относятся и промышленные печи, предусматривает наличие погрузочно-разгрузочных проемов, которые закрываются разнообразными по конструктивному исполнению ограждениями типа заслонок, шиберов и других устройств. В настоящее время разрабатываются новые теплоизоляционные материалы, обладающие высокой огнеупорностью и достаточной прочностью. Это позволяет создавать надежные конструкции неохлаждаемых заслонок высокотемпературных огнетехнических агрегатов. Однако существующие тенденции по экономии топливно-энергетических ресурсов и необходимость повышения эффективности работы промышленных печей, их коэффициента полезного действия, который пока остается низким, настоятельно требуют использования новых принципов разработки ограждений
высокотемпературных зон. В связи с этим предложен и использован принцип пористого охлаждения при разработке новой конструкции ограждения высокотемпературных зон
огнетехнических установок.
При пористом охлаждении охлаждающий газ поступает в пограничный слой через проницаемую пористую поверхность. При этом расход охлаждающего газа по сравнению с другими способами минимален, а эффект охлаждения максимальный.
В разработанной заслонке футеровка представляет собой пористое тело, выполненное из огнеупорного материала. Часть воздуха, необходимого для горения топлива, подается в рабочую камеру через пористый огнеупорный слой заслонки. При таком движении воздуха создается эффект пористого охлаждения футеровки заслонки, что увеличивает срок её службы и защищает от воздействия агрессивной газовой среды печи. Проходящий через футеровку воздух нагревается до высокой температуры, обеспечивая
качественное смесеобразование воздуха и топлива, что способствует его полному сгоранию. Приведенный режим повышает эффективность работы промышленной печи и способствует экономии топлива.
Стогней Владимир Григорьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. (473) 252-53-54 Лахина Елена Константиновна - ВГТУ, ст. преподаватель, тел. (473) 254-57-84
Конструкция воздухоохлаждаемой заслонки, представленная на рис. 1, установлена на
промышленной нагревательной печи
машиностроительного завода. Печь служит для нагревания стальных заготовок массой до 6 т; размер пода печи 3,6 х 2,4 м. Топливом служит природный газ. Температура в рабочей камере печи 1200 0С. Загрузка и выгрузка слитков
осуществляется через рабочее окно размерами 1,9 х 1,5 м. Окно закрывается заслонкой с пористым охлаждением. Металлический корпус 1 заслонки является основным её несущим элементом, объединяющим все составные части. Передняя стенка представляет плоскую или ребристую поверхность, что в последнем случае повышает прочность и жесткость корпуса заслонки без усиливающих элементов.
1
Рис. 1. Воздухоохлаждаемая заслонка
Стенками корпуса и распределительным щитом 3 образована воздушная камера 2. Камера и распределительный щит обеспечивают
равномерность потока воздуха, подводимого к пористому огнеупорному блоку 4. Блок изготовлен из огнеупорной массы ММК -65 производства Семилукского огнеупорного завода. Пористый блок изготавливается в сборной шаблон-кассете из нержавеющей стали, имеющем на поддоне
формовочные иглы диаметром 0,4 мм на
расстоянии 5-6 мм друг от друга
На поддоне закреплены также формовочные стержни под отверстия для анкерных болтов. Ортофосфорной кислотой масса ММК-65 доводится до свободнотекущего состояния и
заливается в шаблон-кассету. В качестве
парообразующей добавки в некоторых случаях использовался хлористый аммоний, который при
нагреве разлагается с образованием летучих газов, способствующих образованию пор в огнеупорном блоке.
Шаблон-кассета, заполняется массой ММК-65, помещается в термическую печь, где осуществляется термообработка и спекание массы в блок. Изготовленный пористый огнеупорный блок, освобождается от шаблон-кассеты и закрепляется в корпусе при помощи анкерных болтов и крепежных гаек. Для предохранения болтов от прямого контакта с газовой средой рабочей камеры печи использовались огнеупорные пробки. Пробки соединяются с корпусом блока с помощью резьбового соединения. Расстояние между болтами, блоком и распределительным щитом определяется длинной монтажных втулок.
Воздух подается в корпус заслонки при помощи центробежного вентилятора. Система воздухоподачи состоит из вентилятора, общего воздушного короба, разводящих коробов к каждой печи и гибких рукавов, которые соединяются с вводными патрубками и представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема поступления топлива и воздуха в рабочее пространство печи
Нужное для охлаждения заслонки количество воздуха 3 подается в печь через пористый блок, охлаждает его, нагреваясь при этом. Оставшаяся часть воздуха 1 из условия требуемого для горения топлива 2, подается через горелочные устройства. Приведенный способ подачи воздуха в рабочие камеры топливоиспользующих установок создает благоприятные условия для их работы. Непрерывное прохождение воздуха через весь объем блока снижает его температуру и
препятствует контакту агрессивной среды с его поверхностью; подогретый воздух 4, проходящий по сечению от заслонки в рабочую камеру, «прошивает» факелы пламени 5 и обеспечивает доступ окислителя к топливу во всех зонах, что приводит к полному сгоранию топлива; возврат в рабочую зону теплоты, аккумулируемой огнеупорным блоком, а также отмеченное полное сгорание топлива обеспечивает его экономию. Материалоемкость заслонки с пористым охлаждением в 2,5-3 раза меньше, чем
неохлаждаемой, а за счет уменьшения толщины
огнеупорного блока габариты заслонки
уменьшаются. Это позволяет упростить механизм подъема заслонки и облегчает работу обслуживающего персонала.
При обоснованном выборе параметров технико-экономические показатели заслонки с пористым охлаждением выше, чем у имеющихся неохлаждаемых заслонок. Такими параметрами заслонок с пористым охлаждением являются тепловой поток, возвращаемый от огнеупорного блока в рабочую камеру, расход охлаждающего воздуха, потери давления в пористом блоке и системе воздухопроводов.
Общее выражение теплового баланса для поверхности блока выглядит следующим образом:
q = шер • (Тд- Т), (1)
где ц плотность возвращаемого теплового потока, Вт/м2;
ш- массовый расход охлаждающего воздуха через единицу сечения, кг/(м2 с);
Тя - расчетная
поверхности
t ^ - расчетная температура
пористого блока заслонки, К ;
Т- температура охлаждающего воздуха на входе в корпус заслонки, К ;
Ср- средняя изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кгК).
Относительный закон теплообмена при пористом охлаждении определяется параметром, называемым температурным фактором [1]
ф = Т/Тп, (2)
где Тп - температура продуктов сгорания в печи, К.
При значении температурного меньше единицы относительный теплообмена находится по выражению:
фактора
закон
У =
4
(1 ф)вТ
1п
•\/(1-<Р) (1 + вТ ) +^1вТ
д/1 + + ф
2
, (3)
а при значении - больше единицы определяется следующим образом:
-|2
4 1 ' '
У
(У-1)4)
агс1;2
—$----------агс1^ «
(У-Щ +1) ІУ-1
(4)
где ад - тепловой параметр проницаемости огнеупорного блока Цд = (Тп ~ Т§)/(Т8 — Т) .
При пористом охлаждении блока расход охлаждаемого воздуха определяется из выражения
1 1
т ■
ҐБ_Л
2
(с+1)
^Яе( с+1) у (с+1) ад
(5)
ь рг( с+1) [(с+1)(1+ад )с]( с+1)
где Ь- характерный размер пористого блока заслонки, м.
т0 - коэффициент динамической вязкости, кг/м-с;
В, с, п- параметры, определяющие режимы движения теплоносителя:
при ламинарном течении в пограничном слое В/2=0,22; с = 1;
при турбулентном режиме в пограничном слое В/2=0,0128; с =0,25; п = 0.75;
Яе - критерий Рейнольдса;
Рг - критерий Прандтля для потока охлаждающего воздуха.
Толщина пористого блока определяется из выражения теплового потока
л
$0 =- (Г8- Т), м, (6)
ч
где Л- коэффициент теплопроводности огнеупорного материала пористого блока, ВТ/м-К.
По найденному расходу подаваемого воздуха через пористый блок рассчитывается и проектируемая система воздухоподачи, что
обуславливает определение расхода на весь блок
V = тГп / р, (7)
где т - массовый расход воздуха через
пористый блок, кг/ (м2 .с);
Еп - сечение для прохода воздуха в пористом
блоке, м2;
р- плотность воздуха, кг/ м3.
Скорость прохождения воздуха через пористую футеровку определяет потери давления по тракту корпуса заслонки
0 = V/¥п , м/с,. (8)
Найденные параметры огнеупорного пористого блока является минимально допустимыми, и при конструкторской проработке их значения могут быть увеличены с целью обеспечения требуемой прочности. По найденным параметрам заслонки и её конструктивным размерам рассчитывается элементы системы подачи воздуха. По определенному расходу воздуха, подаваемого через заслонку, определяются его скорость в воздухопроводах
оо= 4Vi/пй?, (9)
где V; - расход воздуха ,проходящего через рассматриваемый і-й участок воздуховода, м3/с;
ф - эквивалентный диаметр і-го участка воздуховода, м.
Потери давления в воздуховоде АР равны сумме потерь давлений на преодоление сопротивления трения АР^6 и местных
сопротивлений АР мс
АР = АРдд + АР мс, Па, 1 0)2
(10)
где
АРдд = Л^—р;
о
АР = Х£—р;
мс2
Л - коэффициент сопротивления трению, равный Л = 0,11(К/ё+68/Яе);
К - абсолютная шероховатость, мм;
Яе - критерий Рейнольдса, Яе = СОЇ / П;
1 - длинна рассматриваемого участка
воздуховода, м;
- сумма коэффициентов местных сопротивлений по участкам воздуховодов.
Потери давления в заслонке определяются как сумма местных сопротивлений на вводных
коллекторах Ар^я ,на распределительном
щите АРРЙ и в порах огнеупорного блока заслонки
АРІп :
АР, = Аря+АР>1+ АР/.Я, Па. (11)
После определения потерь по воздухоподающему тракту и давлений в рабочей камере печи Рр определяется необходимое давление нагревателя
Р = АР + АР, + АРб , Па.
(12)
По найденному расходу воздуха и давлению выбирается тип нагревателя и проводится поверочный расчет системы воздухоподачи, режимов горения и теплообмена в рабочей камере печи. Расчеты названных режимов и систем не представляют сложности в инженерном отношении.
Найденный расход воздуха, подаваемого через заслонку в рабочую камеру печи, составляет около 60% общего расхода, необходимого для общего сгорания топлива. Остальное количество воздуха подается через горелочные устройства.
Оценивая подачу воздуха через пористый слой огнеупорного блока заслонки, следует отметить, что имеются все основания считать эффективным использование пористого
охлаждения в промышленных печах. Кроме отмеченных выше достоинств заслонок с пористым огнеупорным блоком, следует отметить, что полностью устраняется выбивание пламени из камеры печи, сводятся к минимуму тепловые потери через заслонку, достигается экономия топлива и повышается эффективность работы огнетехнических установок.
Накопленный опыт по конструированию и эксплуатации заслонок с пористым охлаждением позволил нам перейти к созданию огнетехнических установок, в которых преимущества пористого охлаждения позволяли бы обеспечивать их длительную эксплуатацию, защиту от разрушения стен и улучшенное смесеобразования, полное сгорания топлива и повышении КПД.
Камерные печи как разновидность топливоиспользуемых установок получили большое распространение в промышленности. Температура в рабочих камерах печей достигает 1500-1600 0С и это определяет наличие значительных тепловых потерь через их стены в окружающую среду Qос (Вт), которые находятся следующим образом:
Qос = К(1Кл - 1ос)РКл, (13)
где 1кл - температура внутренней поверхности кладки, 0С; 1ос - температура окружающей среды (воздуха), 0С; Бкл - поверхность кладки, м2; К -коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К).
Тепловые потери в окружающую среду стараются уменьшить за счет улучшения тепловой изоляции и применении новых, более эффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Безусловно, в этом направлении много неиспользованных возможностей, однако, в настоящее время необходимо искать нетрадиционные инженерные решения,
позволяющие в принципе изменять организацию процесса сжигания топлива и структуру теплового баланса установки. На рис. 3 представлена схема разработанной нагревательной печи, реализующей подачу части или всего воздуха в рабочую камеру через пористые стенки. При этом создается эффект пористого охлаждения стенок, подогрев подаваемого воздуха и хорошее перемешивание газа и воздуха.
Рис. 3. Схема подачи воздуха в камеру печи через ее пористые стенки (Г - газ; В - воздух)
Нагревательная печь имеет размер пода камеры 3,56х2,44 и высоту 2,2 м. рабочая камера печи 1 состоит из пода 2, пористых боковых стен 3 и потолка 4. Газообразное топливо подается через тангенциальные горелки 5 по наружной поверхности однозаходного шнека. Турбулентность потока топлива создается за счет тангенциальной подачи и винтовой поверхности шнека. Закрученный поток топлива перемещается от стен камеры к ее центру, увеличиваясь в диаметре. Воздух подается через сопла 6 в промежуточное
пространство 7, которое образовано пористыми стенками 3, потолком 4 и основными стенами. 8 нагревательной печи. Из промежуточного пространства воздух проникает в рабочую камеру через пористые стенки и потолок, которые при этом охлаждаются.
Существует довольно широкий класс теплообменных устройств, в которых получается положительный эффект от применения пористого охлаждения. В рассматриваемом случае такой положительный эффект усиливается подогревом воздуха, проходящего через пористые стены и потолок, использованием подогретого воздуха в процессе горения, подачей воздуха, идущего на горение, практически в весь объем горящего факела. Использование такого способа подачи воздуха в рабочую камеру сжигания топлива позволяет обеспечить полное сгорание топлива, снизить температуру стен, потолка и увеличить срок службы рабочей камеры.
При работе печи температура определялась в 12 точках стен рабочей камеры и в 6 точках потолка на расстоянии 0,5 м друг от друга. Температуры измерялись при помощи хромель-алюминиевых термопар, и их значения фиксировались цифровым милливольтметром со специально отградуированной шкалой. Полнота сгорания оценивалась газовым анализатором. Наблюдения за работой печи показали, что подаваемое топливо сгорает полностью, срок службы стенок увеличивается, а их температура снижается. КПД печи увеличивается на 5-8 %, а экономия топлива достигает 20 %. Данный способ подачи воздуха позволяет принципиально по-новому, более эффективно решать вопросы конструкции печей, их теплоизоляцию и организацию сжигания топлива.
Литература
1. Леонтьев А.И. Теория теплообмена. М., 1979. 495 с.
2. Стогней В.Г. Оптимизация параметров неохлаждаемой заслонки нагревательной печи. Сб. Проблемы энергетики теплотехнологии. Всесоюзная научная конференция. М.: МЭИ. 1983 т 1. с. 123-124.
3. Стогней В.Г., Кретинин А.В. Моделирование течений в канале с проницаемой стенкой на базе искусственных нейронных сетей. Изд. Вузов. Сер. Авиационная техника 2004. №4 с. 26-31.
Воронежский государственный технический университет
POROUS COOLING IN FIRETECHNICAL INSTALLATION V.G. Stogney, E.C. Lakhina
The method of calculation air supply, combustion modes and mass transfer in the working chamber of the furnace is given in the article. The author’s constructions are considered
Key words: air-cooled screen, porous-layered screen, porous cooling
