Нагрев металла перед прокаткой является важным этапом формирования качества и цены готовой продукции. В структуре общезаводских затрат энергии, выделяющейся при сгорании газообразного топлива, доля, приходящаяся на пламенные нагревательные печи, одна из наиболее значительных. В настоящее время остро стоит проблема разработки и внедрения энергосберегающих технологий нагрева металла перед прокаткой, что вызвано тенденцией неуклонного роста цен на энергоносители.
Для анализа эффективности тепловой работы нагревательных печей принято использовать величины коэффициента полезного действия, который представляет собой долю химической энергии топлива, усвоенной нагреваемым материалом, и коэффициента использования топлива, соответствующего доле химической энергии топлива, оставленной в рабочей камере (эта энергия идет на нагрев материала и покрытие теплопотерь рабочей камеры). Чаще используют величину коэффициента использования топлива. Текущие значения коэффициента использования топлива определяются следующим образом :
где Vух – количество продуктов сгорания, покидающих рабочую камеру печи и приходящееся на единицу топлива (при отсутствии присосов численно равно выходу продуктов сгорания от горения 1 м3 топлива), м3/м3;
ctух – средняя теплоемкость продуктов сгорания, покидающих рабочую камеру при их температуре, Дж/(м3·С);
tух –температура продуктов сгорания, покидающих рабочую камеру, °С;
kr – коэффициент рекуперации (доля теплоты уходящих из рабочей камеры продуктов сгорания, возвращаемая в нее с подогретым в рекуператоре воздухом, идущим на сгорание топлива).[2] В качестве среднего за процесс нагрева коэффициента использования топлива авторами предложено понимать средневзвешенное значение, которое зависит от распределения во времени текущих значений коэффициента использования топлива и тепловых потоков, падающих на поверхность материала, и определяется следующим образом:
где m – масса нагреваемого материала, кг; При заданных параметрах нагрева расход топлива будет определен средневзвешенным значением коэффициента использования топлива за весь период нагрева: где Qнр – теплота сгорания топлива, кДж/м3. Таким образом задача сокращения расхода топлива может решаться за счет повышения средневзвешенного коэффициента использования топлива за процесс нагрева и сокращения потерь тепла рабочей камерой.
Известно, что для роста значения коэффициента использования топлива используются такие инструменты как увеличение коэффициента рекуперации, снижение значения температуры продуктов сгорания, покидающих камеру рабочей печи, возможны также действия по сокращению количества продуктов сгорания, покидающих печь.
Одной из проблем высокого расхода топлива в нагревательных печах является низкое значение коэффициента рекуперации тепла отходящих газов, что в свою очередь ведет к уменьшению значения коэффициента использования топлива.
При выборе нового теплообменника или анализе работы существующей конструкции на первый план среди прочих критериев выходит эффективность тепловой работы, которая может быть оценена при помощи величины коэффициента рекуперации или энергетического коэффициента.
Работы по интенсификации процесса конвективного теплообмена и созданию наиболее экономичного технологичного теплообменного оборудования привели в последнее время к существенному усовершенствованию конструкций теплообменных аппаратов для разных отраслей промышленности. Работы Б.П. Тебенькова, Д.Д.Калафати, В.А Смирнова и других ученых в этой области показывают, что любой теплообменник имеет пик производительности по теплосъему, значит существует такой оптимум при котором отношение коэффициента рекуперации тепла к затратам энергии на перекачку теплоносителей имеет максимальное значение.
Сегодня актуальной является научно-техническая задача поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров существующих и создаваемых типов рекуператоров нагревательных печей. Предложенная методика для анализа тепловой эффективности работы рекуператора позволяет производить универсальную предпроектную проработку вопроса выбора рекуператора для реконструкции существующего агрегата или создания нового по следующей схеме:
– задается объем полости для размещения рекуператора; Для повышения точности расчета процессов нагрева за счет изменения коэффициента рекуперации в течение нагрева в данной работе предложено ввести понятие динамической тепловой характеристики рекуператора. Естественно, эта задача решается отдельно для каждого конкретного рекуператора. В этом случае можно отследить зависимость коэффициента теплопередачи от расхода топлива и соответственно расходов воздуха и продуктов сгорания, учитывая также значение температуры выхода продуктов сгорания из камеры печи.
Таким образом будет получена динамическая тепловая характеристика рекуператора. Выводы : Создана методика для анализа влияния различных конструктивных и технологических параметров на значение коэффициента рекуперации.
Показана схема использования предложенной методики для обоснования выбора конкретных решений по совершенствованию тепловой работы рекуператоров.
Предложено понятие динамической характеристики рекуператора, представляющей собой изменение коэффициента рекуперации в зависимости от технолoгических параметров работы, позволяющая уточнить результаты расчетов нагрева и расхода топлива при помощи аналитических методик и математических моделей.
с – средняя теплоемкость нагреваемого материала для интервала температур тепловой обработки, Дж/(кг·°С);
Δt – требуемое повышение среднемассовой температуры, °С;
Qпот – средняя мощность теплопотерь рабочей камеры за период нагрева, Вт;
Qпотт – текущая плотность потерь тепла рабочей камерой, Вт;
τн – время нагрева материала, с;
q – текущее значение плотности теплового потока, Вт/м2;
η– текущее значение коэффициента использования топлива;
Fм – наружная поверхность нагреваемых заготовок, м2.
– для анализа берется несколько конструкций рекуператоров (типовых или концептуальных создаваемых); на основании удельной поверхности определяется предельная поверхность теплообмена каждой из конструкций, которую можно расположить в заданной полости;
–выбираются значения коэффициента теплопередачи для каждого из анализируемых рекуператоров из диапазона типовых значений; возможен предварительный расчет этих величин с учетом тепловой производительности агрегата, к которому «примеряются рекуператоры»;
–при помощи комплекса разработанных зависимостей предварительно определяем для каждого из рассматриваемых рекуператоров значение коэффициента рекуперации и при помощи зависимости (1) значение коэффициента использования топлива и приняв его как средневзвешенное значение оцениваем расход топлива для заданных параметров нагрева материала;
– уточняем значение коэффициентов теплопередачи на основании предварительно просчитанного процесса рекуперации;
– окончательно рассчитываем параметры нагрева воздуха в рекуператоре при помощи комплекса выражений;
– используя стандартные средства экономического анализа сравниваем между собой технико-экономические характеристики использования каждого из типов рекуператоров.
Обычно при проектировании и поверочном тепловом расчете рекуператоров рассматривается режим максимальной нагрузки (период максимального расхода воздуха и продуктов сгорания). Полученное при расчете значение коэффициента рекуперации используется для расчета всего периода нагрева. При этом в расчет может быть внесена достаточно существенная погрешность, так как в течение нагрева возможно отклонение коэффициента рекуперации от значения, соответствующего расчетному режиму.