|
Актуальность темы: Важнейшей проблемой, стоящей в настоящее время в области нагрева металла под прокатку перед наукой и техникой, является проблема экономии энергоресурсов. На многих современных агрегатах при нагреве металла под прокатку расход условного топлива достигает 120кг у.т/т , что обусловлено , в том числе и низким r на уровне 0,1-0,3. Отсюда следует, что существенным резервом сокращения удельного расхода топлива является рост коэффициента рекуперации. Расход топлива при заданных параметрах нагрева( марка стали, теплофизические величины, начальная и конечная температура нагрева) определяется КИТ и потерями тепла. Для его минимизации необходимо повышать КИТ и снижать теплопотери.Отсюда следует, что повышение КИТ может быть достигнуто за счет: – снижение температуры уходящих из камеры газов, может быть достигнуто за счет усиления теплоотдачи от газов к нагреваемым материалам (повышение светимости факела и усиление конвективной теплоотдачи). – повышение коэффициента рекуперации (рост теплообменной поверхности и усиление теплопередачи) Физическая теплота воздуха, газообразного топлива повышает КИТ, так как она получена за счет охлаждения дымовых газов перед выбросом их в атмосферу, т.е. для нагрева компонентов горения не расходовалась дополнительная химическая энергия топлива. Этот способ повышения КИТ получил название: утилизация теплоты уходящих газов в рекуператорах или регенераторах. Общая тепловая мощность печи остается единственным внешним, первичным источником энергии для работы печи (первичным энергоресурсом). Научная значимость работы: В работе предложен ряд подходов для повышения точности расчетов тепловой работы рекуператоров и обоснования выбора рациональной конструкции рекуператора при реконструкции или создании новых печей. Практическая ценность результатов работы: Работа значительной части нагревательных печей отечественных предприятий характеризуется низкими значениями коэффициента рекуперации, что определяет высокий уровень удельного расхода топлива. Данная методика позволяет производить расчет любого рекуператора под данную полость дымоходе печи и производить оценку эффективности работы теплообменного агрегата Нагрев металла перед прокаткой является очень важным этапом формирования качества и цены готовой продукции. Процесс нагрева металла требует значительных материальных затрат. В настоящее время остро стоит проблема энергосберегательных технологий нагрева металла перед прокаткой, так как цены на энергоносители имеют непрерывную тенденцию роста. Сокращение расхода топлива на нагрев 1т металла в нагревательных печах является основным показателем , влияющим на себестоимость готовой продукции. 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. Существуют следующие меры для увеличения коэффициента использования топлива: – снижение температуры уходящих из камеры газов, которое может быть достигнуто за счет усиления теплоотдачи от газов к нагреваемым материалам (повышение светимости факела и усиление конвективной теплоотдачи); – повышение коэффициента рекуперации, представляющего собой долю тепла продуктов сгорания, покидающих камеру печи, возвращенную в нее с нагретым в рекуператоре воздухом (достигается за счет роста теплообменной поверхности и усиления теплопередачи). Одним из наиболее мощных рычагов повышения величины коэффициента использования топлива на современном этапе развития металлургической теплотехники является рост значения коэффициента рекуперации. Подогрев воздуха реализуется при помощи специальных теплообменных аппаратов рекуперативного или регенеративного типа. На практике используются следующие виду рекуператоров: керамические, стальные гладкотрубные, игольчатые, спиральные и т.д. 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. Материалом для металлических рекуператоров служат хромоникеле-вые стали типа Х18Н10Т, Х25Н20С2 с допустимой температурой дыма пе-ред рекуператором 1100-1200 °С, либо хромистая сталь типа Х17 с допус-тимой температурой дыма не более 1000 °С. Толщина стальной стенки S = 2-3 мм. Температура нагрева воздуха (или газа) в существующих рекупе-раторах не превышает 400-500 °С. Керамические рекуператоры выполняют из карбошамотных или шамотных восьмигранных трубок длиной 300-350 мм, с толщиной стенки S = 10-12 мм, а также реже из шамотных пустотелых блоков. В керамических ре-куператорах нагревают только воздух ввиду их негерметичности. Макси-мальная температура дыма перед рекуператором 1250-1300°С, нагретого воздуха – 800-850 °С. Более высокая температура воздуха – единственное преимущество керамических рекуператоров, недостатками их являются: - неплотные соединения трубок между собой, через которые происхо-дит утечка воздуха, изменяющаяся в процессе службы и нарушающая нор-мальное сжигание топлива; - большие габаритные размеры из-за высокого теплового сопротивле-ния керамической стенки, в связи с чем коэффициент теплопередачи в 4-5 раз меньше, а поверхность теплообмена во столько же раз больше, чем у металлического рекуператора. Для небольших печей применяют рекуператоры типа «термоблок», представляющие собой пучок труб, залитых чугуном с остановлением каналов между рядами труб. Через трубы пропускают нагреваемый воздух или газ, а через каналы в чугуне, располагаемые перпендикулярно пучку труб, — дымовые газы. Недостатком термоблоков является их большая относительная масса на единицу передаваемого тепла. Тепловая эффективность двусторонне-игольчатых труб значительно выше, чем односторонне-игольчатых, но они менее теплоустойчивы и легче поддаются засорению. Наиболее эффективно устанавливать игольчатые рекуператоры так, чтобы дымовые газы проходили через трубы в вертикальном направлении, а сами рекуператоры были легко доступны для осмотра и ремонта. Обстоятельства исследования, касающиеся теплообмена и аэродинамического сопротивления игольчатых поверхностей разного типа, были проведены А.К Скрябиным и А.В. Кузнецовым . Результаты исследований часто имели существенные расхождения, поэтому Б.П.Тебеньков провел исследования, целью которых являлось получение тепловой и аэродинамической характеристик игольчатых рекуператорных труб. Способы повышения коэффициента рекуперации тепла: а)Воздействие на поток турбулизующими вставками. Этот способ во многом сходен со способом воздействия на поток рабочей среды гофрированной формой поверхности теплообмена. Известны вставки, перемешивающие поток рабой среды в пристенной области ( дисковые вставки, вставки, обеспечивающие закрутку потока как на входе в канал, так и по всей длинне канала). б) Увеличение площади поверхности теплообмена путем её оребрения (развитые поверхности). в) Комбинированные способы интенсификации теплоотдачи. При использовании одновременно нескольких способов интенсификации в ряде случаев достигается большее увеличение коэффициента теплоотдачи, чем при использовании каждого способа раздельно. Пример : трубы с шероховатыми стенками и с ленточными завихрителями потока; трубы трубы с внутренним оребрением и со вставками в виде ленточного завихрителя; трубы с внешним оребрением , подвергаемым воздействию вибрации; применение пульсаций.
Предложена методика для анализа тепловой эффективности работы рекуператора, позволяющая производить универсальную предпроектную проработку вопроса выбора рекуператора для реконструкции существующего агрегата или создания нового по следующей схеме: – задается объем полости для размещения рекуператора; – 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 для динамического расчета тепловой работы рекуператора предварительно определяем для каждой из рассматриваемых конструкций значение коэффициента рекуперации, значение коэффициента использования топлива и расход топлива для заданных параметров нагрева материала; – уточняем значение коэффициентов теплопередачи на основании предварительно просчитанного процесса рекуперации; – окончательно рассчитываем параметры нагрева воздуха в рекуператоре; – используя стандартные средства экономического анализа, сравниваем между собой технико-экономические характеристики использования каждого из типов рекуператоров. ВыводРазработана универсальная методика по определению значения коэффициента рекуперации для произвольных значений технологических и конструктивных параметров. Представлена схема ее использования для обоснования целесообразности конкретных действий по увеличению значения коэффициента рекуперации. |