Національна металургійна академія України

ШЕВЧЕНКО ГЕННАДІЙ ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 66.041 : 66.042.886

На правах рукопису

ЕФЕКТИВНІ РЕЖИМИ РОБОТИ ТА КОНСТРУКЦІЇ

КОМПАКТНИХ РЕГЕНЕРАТОРІВ ПРОМИСЛОВИХ ПЕЧЕЙ

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ГУБИНСЬКИЙ Михайло Володимирович,

Національна металургійна академія України,

завідуючий кафедрою промислової теплоенергетики,

м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ОЛЬШАНСЬКИЙ ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ,

Національна металургійна академія України,

професор кафедри теплотехніки та екології

металургійних печей, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, доцент

Кошельник ВАДИМ Михайлович,

Національний технічний університет "Х П І",

доцент кафедри теплотехніки, м. Харків.

Провідна установа: Інститут газу Національної академії наук України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 15.01.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

Автореферат розісланий 14.12.2001 р.

В.о. Вчениого секретаря

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Іващенко В.П

Актуальність роботи. В умовах переходу вітчизняної промисловості до ринкової економіки питання енергозбереження багато в чому визначають конкурентноздатність продукції. У зв'язку з цим, підвищення ефективності енергоспоживання стало важливим практичним завданням промислових підприємств країни і, в першу чергу, металургійних, що становлять одну з найбільш енергомістких галузей виробництва. Витрата палива у металургійних агрегатах є однією з найбільш значних статей при визначенні загальних витрат на виробництво продукції. У нинішніх умовах експлуатації печей різних типів режими їхньої роботи нестабільні і пов'язані з необхідністю зміни потужності. Такі режими значно погіршують економічність роботи металургійних агрегатів та призводять до перевитрати палива. Одним із найбільш ефективних засобів зниження витрати палива у печах є підігрівання повітря продуктами горіння. У зв'язку з цим розробляються високоефективні пристрої для підігрівання повітря продуктами горіння, що базуються на використанні компактних регенераторів, які дозволяють знизити витрату палива на 30 – 50 %.

Таким чином, дослідження роботи компактних регенераторів у нестабільних умовах експлуатації, розробка методик їхнього розрахунку та конструкцій є, безперечно, актуальним завданням, як зараз так і у найближчий час.

Зв'язок роботи з науковими програмами та планами. Дисертація виконана у відповідності з планами Міністерства освіти і науки України та НДР Національної металургійної академії України (НМетАУ), теми Г007020005, Г811030007, де автор був відповідальним виконавцем.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є енергозбереження у енерготехнологічних агрегатах шляхом використання компактних регенераторів для глибокої утилізації теплоти продуктів горіння.

Задачі роботи:

- розробити математичну модель розрахунку теплообміну у компактній регенеративній насадці та адаптувати її до реальних умов роботи;

- встановити залежність показників ефективності роботи регенераторів від змінних конструктивних та технологічних параметрів (висоти насадки, швидкості руху газів через насадку, тривалості циклу роботи регенератора, температури димових газів);

- розробити методику вибору конструктивних та технологічних параметрів роботи компактного регенератора;

- дослідити можливість зниження вартості компактного регенератора за рахунок використання комбінованої насадки без зміни ефективності роботи регенератора;

- вивчити вплив форми насадки на ефективність її роботи.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження роботи компактного регенератора проводились за допомогою математичної моделі, створеної на основі рішення Т. Шумана задачі теплообміну у нерухомому шарі матеріалу. Експериментальні дослідження роботи компактного регенератора проводились на дослідній установці.

Наукова новизна одержаних результатів:

- отримана нова залежність робочої висоти, при якій ефективність насадки досягає максимального значення, від технологічних параметрів роботи компактного регенератора;

- шляхом математичного моделювання встановлено, що ступінь регенерації компактного регенератора визначається висотою насадки і слабо залежить від основних технологічних параметрів у діапазоні швидкості руху газу через насадку 0,5 - 1 м/с, тривалості циклу роботи регенератора 60 - 360 с, температури димових газів на вході в регенератор 1000 - 1200 °С;

- визначено, що ступінь регенерації компактного регенератора не знижується при використанні комбінованої насадки (заміні частини корундових куль на металеві). Отримана залежність висоти шару металевих куль від допустимої температури їх нагрівання;

- визначено, що зміна форми насадки компактного регенератора впливає на її гідравлічний опір і дозволяє знизити енерговитрати на переміщення теплоносіїв на 8 – 9 % без зниження температури підігріву повітря.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено та адаптовано чисельно-аналітичну модель роботи компактного кульового регенератора у нестаціонарних режимах роботи, що забезпечує визначення температурного поля газів та насадки, її гідравлічного опору з точністю 15 - 30 %.

Розроблено методику вибору основних конструктивних та технологічних параметрів роботи насадки компактного регенератора з урахуванням заданих обмежень щодо температури димових газів та гідравлічного опору насадки.

Розроблено рекомендації щодо вибору форми та матеріалу насадки компактних регенераторів для промислових печей.

Розроблено технічне завдання на реконструкцію дільниці з 4 термічних печей для відпалу дроту на ВАТ "Завод кріплення та дроту" м. Дніпропетровськ, з встановленням компактних регенеративних насадок, що дозволить знизити витрату палива на 40 – 60 %.

Особистий внесок здобувача. Особисто дисертантом розроблена математична модель роботи компактного регенератора, проведена оцінка точності та порівняння результатів моделі з відомими у літературі даними; створена експериментальна установка та розроблена методика проведення експериментів. Експериментальні дослідження, результати яких надані в дисертаційній роботі, розробка технічного завдання на реконструкцію печей для відпалу дроту виконані безпосередньо автором при участі співробітників кафедри промислової теплоенергетики, що знайшло відображення у сумісних публікаціях. Обробка експериментальних даних, всі розрахункові дослідження, розробка методики вибору конструктивних розмірів та режимів роботи компактного регенератора проведені автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на:

- III международной научно-технической конференции “Теория и практика решения экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности”, Днепропетровск, 1998, 17-18 ноября;

- международной конференции “Проблемы печной теплотехники”, Днепропетровск, 1999, 18-20 мая;

- 7 International Seminar “Heat Treatment and Surface Engineering of Light Alloys”, Hungary, 1999, 15-17 September;

- 2 International Scientific Conference “Effective production, transmission and consump-tion of energy”, 7 International Scientific Conference "Energy transformations in industry”, Kosice - Herl'any (Slovak Republic), 2000, 2 - 5 October;

- научно-технической конференци “Запорожсталь – 2000”, Запорожье, 2000, 30 ноября - 1 декабря;

- miedzynarodowa studencka sesje naukowa 'Millennium I I', Katowice (Poland), 2001, 10 maja.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 друкованих робіт, з яких 3 – статті у спеціалізованих наукових журналах, 3 – у збірках наукових праць, 3 – у матеріалах та працях науково-практичних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. Загальний обсяг роботи складає 147 стор. машинописного тексту, 19 таблиць, 44 малюнка, 6 додатків. Список використаної літератури містить 92 найменування.

Робота виконана на кафедрі промислової теплоенергетики НМетАУ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень. Наведено нові наукові результати, що одержані при виконанні роботи, показано їх практичну цінність, особистий внесок здобувача, наведено відомості щодо апробації роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз існуючих засобів утилізації теплоти продуктів горіння печей різних типів. Встановлено, що при нестабільній роботі промислових печей схема використання теплоти димових газів з підігріванням повітря для горіння є найбільш прийнятною, при можливості забезпечити ступінь регенерації теплоти димових газів, r і 0,7. Проаналізовано конструкції та особливості роботи рекуперативних та регенеративних підігрівачів повітря у нестаціонарних умовах експлуатації печей. Показано переваги компактних регенераторів з насипною насадкою, що мають питому поверхню нагріву в 10 - 15 разів більше, ніж теплообмінники традиційних конструкцій. Це дозволяє значно зменшити їхні габаритні розміри та забезпечити повернення у піч до 90 % теплоти димових газів. В останні десятиріччя у промислово розвинених країнах Європи, в США, Канаді, Китаї знаходять широке застосування пальникові пристрої на основі компактних регенераторів - регенеративні пальники. Такі пальники складаються з компактного регенератора та пальника, безпосередньо поєднаного з ним.

Проведено аналіз літературних джерел щодо впливу високотемпературного підігрівання повітря на вихід окислів азоту при горінні палива та шляхів зниження емісії NОx. Показано, що підігрівання повітря призводить до підвищення концентрації NОx у продуктах горіння та, водночас, знижує валові викиди за рахунок скорочення загальної витрати палива. При цьому, питомі викиди окислів азоту на тону прокату змінюються незначно. Існуючі ж засоби, спрямовані на зменшення виходу окислів азоту – двостадійне спалювання та рециркуляція продуктів горіння, дозволяють забезпечувати зниження концентрації NОx до необхідного рівня при температурі підігрівання повітря до 1000 °С.

У другому розділі дисертаційної роботи розроблена математична модель роботи компактного регенератора з кульовою насадкою. Відзначено значний вклад у розвиток теоретичних досліджень процесів теплообміну у регенераторах вітчизняних вчених В. Н. Тімофеева, І. Д. Семикіна, Е. М. Гольдфарба, Б. І. Китаєва, Ю. Г. Ярошенко, Б. Д. Сезоненко і закордонних дослідників Т. Шумана, Х. Хаузена, А. Шака та інших. Аналіз їхніх робіт дозволив сформулювати необхідні вимоги до математичної моделі компактного регенератора: необхідність урахування впливу процесів теплопровідності у елементах насадки та шарі, зміни теплофізичних властивостей енергоносіїв та матеріалу насадки від температури, зміни швидкості теплоносіїв, коефіцієнтів тепловіддачі та гідравлічного опору в залежності від зміни температури. Об'єднана задача теплообміну та визначення гідравлічного опору шару насадки компактного регенератора розв'язана за допомогою чисельно - аналітичного методу, що базується на відомому аналітичному рішенні Т. Шумана задачі теплообміну у нерухомому шарі матеріалу. Для оцінки впливу теплопровідності елементів насадки на теплообмін введено коефіцієнт масивності, запропонований в роботах уральської та української шкіл пічної теплотехніки. Схема для розрахунку теплообміну у насадці регенератора наведена на рис. 1. Вся насадка висотою Н умовно поділена на шари висотою Dh, а час періоду роботи регенератора tпер - на k елементарних проміжків тривалістю Dt. Таким чином, поточна координата по висоті насадки визначається як , поточний час - , де j – номер розрахункового елементарного шару по висоті, i - номер розрахункового інтервалу у часі. Математична модель складається з системи рівнянь теплообміну для проміжку часу ?? та елементарного шару висотою ?h:

·

(1)

·

(2)

де сГ – питома об'ємна теплоємність газів, кДж/(м3·?С); ? – порозність шару; ? – швидкість газів в каналах між елементами насадки, м/с; ?V – об'ємний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м3·?С); m – коефіцієнт масивності елементів насадки; tГ (i,j); tМ(i,j) - відповідно, температура газів і матеріалу в період часу від ?i до ?i + Дф, ? шарі з координатами від hj до hj + Дh; i, j – ?омера розрахункових інтервалів у часі і по висоті відповідно; сМ – питома об'ємна теплоємність матеріалу насадки, кДж/(м3 ?С).

Початкові умови - для j-го шару у початковий момент часу при ? = 0:

(3)

При ? = фi початкова температура матеріалу у шарі дорівнює кінцевій температурі у попередній момент часу ? i-1 по всій висоті ?h:

; (4)

Граничні умови – постійна температура газів на вході у шар, - відповідають класичній постановці задачі:

- для крайніх шарів j=1 у димовий період і j=k у повітряний період ця умова має вигляд:

(5)

- для внутрішніх шарів температура газу на вході в шар hj дорівнює кінцевій температурі газу на виході з попереднього шару h j-1 за весь час ?ф:

(6)

Умова періодичності роботи насадки визначається тим, що кінцева температура матеріалу у повітряний період дорівнює початковій температурі матеріалу в димовий період у тому ж шарі ?h, і навпаки:

. (7)

Розрахунок температурного поля проводився у кожному шарі послідовно по висоті насадки і у часі на ПЕОМ з використанням аналітичного рішення Т. Шумана. Після обчислення температурного поля теплоносіїв у кожному шарі проводився розрахунок втрат тиску.

Оцінку точності обчислювального алгоритму проводили шляхом порівняння результатів розрахунку температурного поля з даними, отриманими по аналітичним залежностям Т. Шумана. Розрахункові дослідження дозволили визначити величину кроків по висоті ?h = (1,0-1,5)·dЕ, де dЕ - еквівалентний діаметр елемента насадки, м, та у часі ?? = 1– 3 с, що дозволяють вести розрахунок теплообміну у насадці регенератора з похибкою, що не перевищує 9 %.

При використанні математичної моделі для реальних умов роботи компактних регенераторів показано необхідність перевірки та експериментальної адаптації залежностей для обчислення коефіцієнтів тепловіддачі та гідравлічного опору насадки, що використовуються у моделі.

У третьому розділі дисертаційної роботи наведено результати експериментальних досліджень роботи компактного регенератора у перехідних режимах і їхнє порівняння з розрахунковими значеннями, отриманими за допомогою математичної моделі. Наведено методику проведення експериментальних досліджень, схему та опис експериментальної установки (рис. 2).

Експериментальні режими роботи установки наведені у таблиці 1.

Таблиця 1

Режими роботи експериментальної установки

Номер режиму Висота насадки, м Тривалість димового періоду, хв. Витрата газу Швидкість, м/с Кількість циклів

диму Повітря

1 0,75 3 постійна 0,53 0,46 12

2 0,75 3 " 0,54 0,47 16

3 0,75 35 " 0,54 0,47 1

4 0,75 51 змінна 0,6 - 0,43 0,47 2

5 0,55 3 постійна 0,51 0,46 8

6 0,55 3 " 0,58 0,50 16

Експериментальні дослідження моделювали роботу насадки регенератора при його нагріві з холодного стану до стаціонарного. Погрішність експериментальних вимірів температури складає не більше 10 %, перепаду тиску по висоті насадки - 1 мм вод. ст. Порівняння розрахункових та експериментальних значень температур в усіх досліджених режимах, показало, що характер їхньої зміни співпадає між собою. Відносна помилка розрахунків за допомогою математичної моделі складає для температури насадки - до 15 % у високотемпературній зоні, та до 30 % у низькотемпературній (при абсолютному значенні помилки близько 30 °С); для опору насадки ця величина знаходиться у межах 15 – 30 %, при абсолютному значенні не більше 100 Па. На підставі проведеного аналізу, у подальшому, при моделюванні роботи компактного регенератора, використовували залежність для коефіцієнта тепловіддачі у шарі, наведену С. С. Кутателадзе, та коефіцієнта гідравлічного опору шару, запропоновану колективом авторів із ВНДІМТ, що забезпечують мінімальну погрішність обчислень для всіх досліджених режимів.

У четвертому розділі дисертаційної роботи за допомогою створеної математичної моделі проведено розрахункові дослідження роботи компактного регенератора у діапазоні параметрів: швидкість газів 0.5 - 1 м/с, тривалість димового і повітряного періоду роботи регенератора однакова і складає 30 - 180 с. Граничні значення температури димових газів на виході з теплообмінника, tд вих, та гідравлічного опору шару насадки, DР, вибрано, виходячи з технічних можливостей тягодуттьових пристроїв, вимог до руху продуктів горіння у промислових печах та досвіду використання регенеративних теплообмінників: tд вих = 200 °С; DР = 2 кПа. Чисельні дослідження роботи насадки проводили стосовно до високотемпературних печей з температурою димових газів 1000 - 1200 °С. Критеріями, що характеризують ефективність роботи компактного регенератора, виступали:

·

· енергетична ефективність роботи насадки

ність роботи регенератора є перерозподіл кількості теплоти по висоті насадки. Площі під кривими 1, 2, 3, що визначають значення ступеня регенерації r, залишаються практично незмінними. Підтверджено результати досліджень, проведених в Інституті газу НАН України, про те, що залежність ступеня регенерації від висоти шару насадки перестає змінюватися при досягненні значення так званої робочої висоти насадки Н = Нроб. Величина Нроб є функцією температури диму на вході в насадку, швидкості газів та тривалості періоду. По результатах моделювання проведено обробку одержаних даних та побудовано регресійну залежність Нроб = f(tд вх, tпер, w), із коефіцієнтом кореляції R2 = 0,84 та максимальною похибкою обчислень до 20 %:

(20)

Величина енергетичної ефективності роботи насадки, Eq, для умов роботи регенераторів, що досліджувалися, складає 50 - 530. Основним фактором, що визначає її значення, є зміна гідравлічного опору насадки за рахунок зміни швидкості руху теплоносіїв через насадку. Абсолютні значення енергетичної ефективності у діапазоні параметрів, що досліджувалися, залишаються достатньо високими і не обмежують вибір конструктивних та режимних параметрів роботи регенератора. Виходячи з одержаних результатів чисельних досліджень, розроблено методику вибору конструктивних та режимних параметрів роботи насадки, які забезпечують ефективну експлуатацію регенератора в умовах зміни теплової потужності печі. Методика дозволяє визначити необхідну висоту насадки з урахуванням прийнятих припущень щодо температури димових газів на виході з регенератора та гідравлічного опору насадки. Вона включає: побудову графічних залежностей Н = f (tпер), коли значення Н дорівнює Нроб, а втрата опору насадки та температура димових газів на виході з регенератора досягають граничних (заданих) значень; визначення областей припустимих значень висоти насадки Н та тривалості періоду роботи регенератора tпер; вибір висоти насадки, виходячи з області припустимих значень; визначення припустимої тривалості періоду роботи регенератора в залежності від швидкості теплоносіїв та температури димових газів на вході в насадку; обчислення площі перетину насадки та її геометричних розмірів, виходячи з вибраних швидкостей руху теплоносіїв.

Розглянуто варіант створення комбінованої насадки із заміною корундових куль у нижній частині насадки на металеві та проведено чисельні дослідження роботи такої насадки. Дослідження показали, що така заміна практично не призводить до зміни ефективності роботи регенератора, але дозволяє знизити вартість насадки у 2,7 – 6,0 раз. Висота шару металевих куль у комбінованій насадці, Нмет, визначається з урахуванням припустимої температури їхньої експлуатації, tприп, (не більше 500 °С). В результаті досліджень отримано розрахункову формулу для обчислення відносної висоти шару металевих куль в залежності від їх припустимої температури нагріву, віднесеної до температури диму на вході в насадку:

(21)

Діапазон зміни припустимої температури шару металевих куль в формулі (21) складає 300 - 500 °С. Коефіцієнт кореляції R2 = 0,95, а відносне відхилення результатів - не більше 6 %.

За допомогою математичної моделі досліджено вплив форми насадки на ефективність її роботи. Форму насадки задавали у вигляді усіченої піраміди з різним кутом нахилу стінок до основи. При цьому її об'єм залишався незмінним, а змінювалося відношення площі перетину верхньої і нижньої основ, Fв/Fн, у діапазоні 0,17 – 4,50. Співставлення результатів моделювання з даними для насадки традиційної форми (Fв/Fн =1) показують, що ступінь регенерації при зміні форми насадки суттєво не змінюється, що говорить про практично однаковий тепловий потенціал повітря, що виходить з регенератора. Основний вплив форма насадки виявляє на зміну гідравлічного опору шару насадки (рис. 4). При збільшенні відношення Fв/Fн, в дослідженому діапазоні параметрів, має місце мінімум, після якого опір насадки зростає. Цей мінімум знаходиться в діапазоні Fв/Fн = 1,4 - 2,2. Зниження опору при цьому складає 8 - 9 % у порівнянні з насадкою традиційної форми. У свою чергу, зменшення опору призводить до росту енергетичної ефективності роботи насадки, що найбільш явно виражено при мінімальній швидкості газу.

З використанням створеної математичної моделі та отриманої методики вибору режимних та конструктивних параметрів роботи компактного регенератора подано заявку на винахід, по якій прийнято рішення про видачу деклараційного патенту. Винахід передбачає встановлення системи компактних регенераторів на регенеративний нагрівальний колодязь. Розроблено технічне завдання щодо реконструкції ділянки термічних печей дротового цеху ВАТ “Завод кріплення та дроту” м. Дніпропетровськ. Реконструкція передбачає заміну існуючих інжекційних пальників на регенеративні з компактними кульовими регенераторами. При температурі відхідних газів до 1000 °С температура нагрівання повітря, після встановлення регенеративних пальників, буде складати 750 - 800 °С. Це дозволить підвищити коефіцієнт використання теплоти палива в печі (КВП) в робочому режимі з 50 до 85 % та знизити витрату палива на 40-60 %, в залежності від режиму роботи печей.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена задача дослідження впливу експлуатаційних та конструктивних параметрів компактного регенератора на ефективність його роботи. Розроблено методику вибору робочої висоти насадки з урахуванням заданих обмежень щодо температури димових газів на виході з регенератора та гідравлічного опору насадки. Встановлено залежність параметрів ефективної роботи регенератора від форми компактної насадки та матеріалу елементів насадки. Поставлена задача була вирішена завдяки проведенню теоретичних та експериментальних досліджень роботи компактної насадки і математичної обробки отриманих результатів. Проведені дослідження дозволяють зробити такі узагальнення та висновки:

1. В умовах нестабільної роботи нагрівальних печей найбільш ефективним варіантом утилізації теплоти димових газів є нагрівання повітря, що йде на горіння, при забезпеченні ступеня регенерації теплоти r і 0,7. Виконати цю умову дозволяє застосування компактних регенераторів, що забезпечують підігрів повітря до 800 – 1000 °С. Засоби, направлені на зменшення утворення окислів азоту (рециркуляція продуктів горіння та двостадійне спалювання палива) дозволяють одержувати питомі концентрації NOx у продуктах згоряння на припустимому рівні.

2. Розроблено чисельно-аналітичну модель теплових та газодинамічних процесів роботи компактного регенератора. В основу моделі покладене аналітичне рішення Т. Шумана задачі теплообміну у нерухомому шарі матеріалу. Математична модель враховує: зміну теплофізичних властивостей газів та матеріалу в залежності від зміни температури в часі та по висоті насадки; процеси теплопровідності в елементах насадки; зміну швидкості газів в насадці в залежності від зміни їхньої температури; зміну в часі витрати газів та температури продуктів горіння на вході в регенератор. Визначені величини розрахункових кроків по висоті, Dh, в діапазоні (1,0 – 1,5) Ч dЕ, та у часі, Dt, в діапазоні 1 – 3 с, що забезпечують обчислення температурного поля газів та матеріалу з максимальною відносною помилкою не більше 9 %.

3. Створено установку для дослідження роботи регенеративної кульової насадки та проведено експериментальні дослідження роботи компактного регенератора у нестабільних умовах у такому діапазоні параметрів: швидкість газів на порожній перетин регенератора 0,4 – 0,6 м/с; період роботи регенератора 3; 35; 51 хв; висота шару насадки 0,55 – 0,75 м.

4. Проведено адаптацію математичної моделі шляхом порівняння розрахункових та експериментальних значень температури матеріалу, димових газів та повітря, а також гідравлічного опору насадки. Збіг характеру експериментальних залежностей за час роботи та по висоті насадки з розрахунковими значеннями підтверджує адекватність математичної моделі реальним фізичним процесам, що відбуваються в регенераторі. Похибка при розрахунках температур та гідравлічного опору за допомогою математичної моделі складає 15-30 % в залежності від зміни абсолютного значення температур по висоті насадки.

5. Проведено розрахункові дослідження роботи компактного регенератора в такому діапазоні параметрів: швидкість газів на порожній перетин регенератора w = 0,5 – 1,0 м/с; тривалість димового (повітряного) періоду tпер = 30 - 180 с; висота насадки Н = 0,35 – 1,00 м; температура димових газів на вході в насадку tд вх = 1000 - 1200 °С. Отримано регресійну залежність величини робочої висоти насадки від конструктивних та режимних параметрів: Нроб = f(w, tпер, tд вх). Результати дослідження показали, що основний вплив на ступінь регенерації виявляє висота насадки, при її значеннях менше Нроб. В той же час, зміна швидкості руху газів, тривалості димового (повітряного) періоду та температури продуктів горіння на вході в насадку незначно впливає на ефективність роботи регенератора. Величина ступеня регенерації, в дослідженому діапазоні параметрів, дорівнює 80 %, а її зміна не перевищує 5 %. Причиною слабкого впливу зміни режимних параметрів роботи регенератора на ступінь регенерації є перерозподіл ефективності використання верхніх та нижніх шарів насадки.

6. Розроблено методику вибору конструктивних та режимних параметрів роботи компактної насадки, які забезпечують найбільш ефективну експлуатацію регенератора в умовах зміни теплової потужності печі.

7. Проведено чисельні дослідження роботи комбінованої насадки, із заміною в нижній частині корундових куль на металеві. Дослідження показали, що така заміна практично не призводить до зміни ефективності роботи регенератора, але дозволяє знизити вартість компактної насадки в 2,7 - 6 разів. Отримано розрахункову залежність відносної висоти шару металевих куль (Нмет/Н) від відносної припустимої температури їхньої експлуатації (tприп/tд вх).

8. Досліджено вплив форми насадки компактного регенератора на ефективність його роботи. При зміні відношення верхнього і нижнього перетину насадки Fв/Fн від 1,4 до 2,2, гідравлічний опір насадки зменшується на 8-9 %. Температура нагрівання повітря та ступень регенерації теплоти продуктів горіння при цьому залишаються незмінні.. Розроблено рекомендації по вибору форми насадки у вигляді усіченої піраміди з оптимальним співвідношенням площі основ.

9. З використанням одержаної методики вибору конструктивних та режимних параметрів роботи компактного регенератора розроблено технічне завдання по реконструкції секції з 4 печей дротового цеху ВАТ "Завод кріплення та дроту" м. Дніпропетровська з установкою регенеративних пальників. Реконструкція забезпечує нагрівання повітря до 750 – 800 °С, що призводить до зниження витрати палива на 40 – 60 % та збільшення КВП печі з 50 до 85 %.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних наукових роботах:

1. Розенгарт Ю.И., Шевченко Г.Л., Губинский М.В., Шавкун А.Н. Исследование работы шарикового регенератора для регенеративных горелок // Металлургическая теплотехника. (Энергетика. Металлургия). – Днепропетровск: ГМетАУ. – 1999. – Т. 1. - С. 150 – 153.

2. Губинский М.В., Шевченко Г.Л., Лещенко Е.А. Повышение эффективности использования топлива при нестабильной работе нагревательных печей прокатного производства // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. - № 1. – С. 75-78.

3. Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Влияние эксплуатационных параметров на работу компактной насадки регенеративной горелки // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: ГМетАУ. – 2000. – Т. 3. – С. 147 – 157.

4. Шевченко Г.Л., Губинский М.В., Хейфец Р.Г. Об использовании комбинированных насыпных насадок в регенеративных горелках // Теория и практика металлургии. – 2000. – № 5. – С. 11 – 13.

5. Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Исследование гидравлического сопротивления насыпной насадки компактного регенератора // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. – № 2. – С. 105 – 107.

6. Губинский М.В., Шевченко Г.Л. Моделирование тепловых процессов в компактной насадке шарикового регенератора // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: НМетАУ. – 2001. – Т. 4. – С. 140 – 144.

7. Gubinskij M.V., Љevиenko G.L. Analysis of the behavior of compact spherical attachment for regenerative burner in transient regimes // Proc. 2nd International Scientific Conf. "Effective production, transmission and consumption of energy". – Kosice - Herl'any (Slovak). – 2000. – P. 143 – 146.

8. Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Выбор высоты насадки компактного регенератора // Труды научно-технич. конф. "Запорожсталь - 2000". – Запорожье: Запорожсталь. – 2000. – С. 73 –74.

9. Shevchenko G. Research into regenerative burners operation // Proc. "Materialy i Technologie XXI Wieku". – Katowice (Poland). – 2001. – P. 169 – 170.

10. Регенеративний нагрівальний колодязь: рішення про видачу деклараційного патенту на винахід № 2001021324 від 26.02.2001; МПК 7 С21D9/70 / Губинський В.Й., Сокуренко А.В., Омесь М.М., Єрьомін О.О., Губинський М.В., Губинська С.Л., Шевченко Г.Л., Затопляєв Г.М., Романенко В.І. // Український інститут промислової власності; 27.07.2001; вих. № 26375.

АНОТАЦІЇ

Шевченко Г. Л. Ефективні режими роботи та конструкції компактних регенераторів промислових печей. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14. 06. – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена вибору основних технологічних та конструктивних параметрів роботи компактних регенераторів промислових печей. Розроблена чисельно-аналітична модель теплових та газодинамічних процесів роботи компактного регенератора. Створена експериментальна установка на якій проведені дослідження роботи компактного регенератора в нестаціонарних умовах. Проведена адаптація математичної моделі шляхом порівняння розрахункових та експериментальних значень температури матеріалу, димових газів і повітря, а також гідравлічного опору насадки. Розроблена методика вибору конструктивних та режимних параметрів роботи компактної насадки, що забезпечують найбільш ефективну експлуатацію регенератора, в умовах зміни теплової потужності печі. Проведені чисельні дослідження роботи комбінованої насадки із заміною в нижній частині корундових куль на металеві. Досліджено вплив форми насадки компактного регенератора на ефективність його роботи. З використанням отриманої методики вибору конструктивних та режимних параметрів роботи компактного регенератора розроблено технічне завдання по реконструкції секції з 4-х печей дротового цеху на ВАТ “Завод кріплення та дроту” м. Дніпропетровськ з установкою регенеративних пальників.

Ключові слова: компактний регенератор, кульова насадка, параметри роботи, ефективність роботи, економія палива.

Шевченко Г.Л. Эффективные режимы работы и конструкции компактных регенераторов промышленных печей. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена выбору основных технологических и конструктивных параметров работы компактных регенераторов промышленных печей. Разработана численно-аналитическая модель тепловых и газодинамических процессов работы компактного регенератора, в основу которой положено аналитическое решение Т. Шумана для теплообмена в неподвижном слое материала. Математическая модель учитывает: изменение теплофизических свойств газов и материала в зависимости от изменения температуры во времени и по высоте насадки; процессы теплопроводности в элементах насадки; изменение скорости газов в насадке в зависимости от изменения их температуры; изменение во времени расхода газов и температуры продуктов сгорания на входе в регенератор. Определены и обоснованы величины расчетных шагов по высоте, ?h, и по времени, ??, обеспечивающие вычисление температурного поля газов и материала с погрешностью не более 9 %. Создана установка для исследования работы регенеративной шариковой насадки и проведены экспериментальные исследования работы регенератора в нестабильных условиях. Проведена адаптация математической модели путем сравнения расчетных и экспериментальных значений температуры материала, дымовых газов и воздуха, а так же гидравлического сопротивления насадки. Анализ экспериментальных зависимостей и расчетных значений подтверждает адекватность математической модели реальным физическим процессам, происходящим в регенераторе. Проведены расчетные исследования работы компактного регенератора. Получена регрессионная зависимость величины рабочей высоты насадки от конструктивных и режимных параметров: Нраб = f(w, tпер, tд вх). Расчетным путем установлено влияние конструктивных и технологических параметров на эффективность работы регенератора. Разработана методика выбора конструктивных и режимных параметров работы компактной насадки, которые обеспечивают наиболее эффективную эксплуатацию регенератора, в условиях изменения тепловой мощности печи. Проведены численные исследования работы комбинированной насадки, с заменой в нижней части корундовых шаров на металлические. Получена расчетная зависимость относительной высоты слоя металлических шаров (Нмет / Н) от относительной допустимой температуры их эксплуатации (tдоп / tд вх). Исследовано влияние формы насадки компактного регенератора на эффективность его работы. Определен диапазон отношения верхнего и нижнего сечений насадки, позволяющий уменьшить сопротивление насадки, без изменения температуры подогрева воздуха и степени регенерации тепла продуктов сгорания. Для исследованного диапазона режимных параметров разработаны рекомендации по выбору формы насадки в виде усеченной пирамиды с оптимальным отношением площади оснований. С использованием полученной методики выбора конструктивных и режимных параметров работы компактного регенератора разработано техническое задание по реконструкции секции из 4 печей проволочного цеха на ОАО “Завод крепежа и проволоки” г. Днепропетровска с установкой регенеративных горелок.

Ключевые слова: компактный регенератор, шариковая насадка, параметры работы, эффективность работы, экономия топлива.

Shevchenko G.L. Efficient operating regimes and designs of compact regenerators for industrial furnaces. Manuscript.

The dissertation is submitted to seek the degree of Candidate of Science in Specialty 05.14.06.- Technical Thermophysics and Industrial Heat Engineering. – National Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2001.

The dissertation focuses on the selection of the major technological and designing parameters that determine operation of compact regenerators for industrial furnaces. Numerical-analytical model of thermal and gas-dynamic processes of compact regenerator operation has been worked out on the basis of Shuman's analytical solution for heat exchange in the fixed bed of material. To study the operation of regenerative ball filling a unit has been made and experimental research has been conducted to investigate the regenerator's work in unstable conditions. The mathematical model has been adapted by comparing computational and experimental temperature values of material, flue gases and air, as well as hydraulic resistance of the filling. Analysis of experimental relations and computational values confirms the adequacy of the mathematical model to real physical processes, taking place in the regenerator. The technique of selecting design and technological parameters of compact filling operation has been worked out which ensures the most productive work of regenerator in conditions of change in heat capacity of the furnace. Numerical research has also been applied to the work of combined filling that presupposes substitution of metal balls for the corundum ones in its lower part. The influence of the compact regenerator filling shape on the efficiency of its operation has been investigated. The range of ratio between the upper and the lower cross-section of the filling has been determined which allows to reduce the filling resistance without the change in air heating temperature and in the level of combustion products heat regeneration. For the investigated range of regime parameters recommendations have been worked out for selecting the shape of the filling to be a truncated pyramid with the optimum ratio of its bases. By using the obtained methods of selecting design and technological parameters of compact regenerator work a technical project has been made that is concerned with the reconstruction of 4 furnaces by means of regenerative burners installation in the wire-production workshop at Dniepropetrovsk Hardware Plant.

Key words: compact regenerator, ball filling, operational parameters, efficiency of work, fuel economy.