Національна ака-демія на-ук Ук-раїни

Інститут га-зу

Алексєєнко Віктор Васильович

УДК 662.95 + 66.042.886

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА СИСТЕМ ОПАЛЕННЯ ПРОМИСЛОВИХ ПЕЧЕЙ НА ОСНОВІ РЕГЕНЕРАТИВНИХ ПАЛЬ-НИ-КО-ВИХ ПРИСТРОЇВ

Спеціальність 05.14.06 – технічна те-п-лофізика і про-ми-сло-ва

те-п-ло-енер-ге-ти-ка

АВ-ТО-РЕ-ФЕ-РАТ

ди-сер-тації на здо-бут-тя нау-ко-во-го сту-пе-ня

кан-ди-да-та технічних на-ук

Київ – 2004

Ди-сер-тацією є ру-ко-пис.

Ро-бо-ту ви-ко-на-но у відділі про-блем про-ми-сло-вої те-п-ло-техніки Інституту
га-зу НАН Ук-раїни

Нау-ко-вий керівник: кандидат технічних на-ук, провідний науковий співробітник
Сезоненко Борис Дмитрович , Інститут га-зу НАН України.

Офіціальні опо-нен-ти: док-тор технічних на-ук, старший науковий співробітник

Хвастухін Юрій Іванович, Інститут газу НАН України,

завідувач відділу шарових процесів;

кан-ди-дат технічних на-ук, доцент Єрьомін Олександр Олегович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ.

Провідна ус-та-но-ва: Національний технічний Університет України “Київсь-кий політехнічний інститут”, кафедра теоретичної та промислової тепло-тех-ніки та кафедра теплоенергетичних установок теплових та атомних електростан-цій, м.Київ.

За-хист відбудеться “ ” 2004 р. о___го-дині на засіданні спеціалізованої вче-ної ра-ди Д 26.255.01 в Інституті га-зу НАН Ук-раїни за ад-ре-сою: 03113 Київ, вул. Дег-тярівська, 39.

З ди-сер-тацією мож-на оз-най-о-ми-тися у бібліотеці Інституту га-зу НАН Ук-раїни за ад-ре-сою: 03113 Київ, вул. Дег-тярівська, 39.

Ав-то-ре-фе-рат розісланий “ ” 2004 р.

Вче-ний сек-ре-тар

спеціалізованої вче-ної ра-ди,

кан-ди-дат технічних на-ук Ільєнко Б.К.

ЗА-ГАЛЬ-НА ХА-РАК-ТЕ-РИ-СТИ-КА РО-БО-ТИ

Актуальність теми. Енергоємність валового внутрішнього продукту (ВВП) в Україні в 3–4 рази вище, ніж у країнах Європейського Союзу. Одним з найбільш великих енергоємних сегментів вітчизняної промисловості є парк плавильних і нагрівальних печей. У більшості випадків для їхнього опалення використовується імпортне паливо – природний газ.

Низька теплова ефективність промислових печей у різних галузях промисловості обумовлена недосконалістю систем опалення, зокрема, відсутністю або недостатньою ефективністю систем утилізації теплоти продуктів згоряння, що відходять.

Основним засобом зниження енергоємності процесів термообробки і плавлення є ефективна утилізація теплоти газів, що відходять.

Утилізація теплоти відхідних продуктів згоряння в промисловій теплотехниці може здійснюватися шляхом нагрівання сировини або матеріалів, підігріву повітря для горіння, одержання пари або електроенергії.

З теплотехнічної точки зору найбільш ефективним є підігрів матеріалу, але такий спосіб дуже специфічний і рідко застосовується через технологічні особливості процесів. Найбільш розповсюдженим є підігрів повітря горіння в рекуператорах і регенераторах. Регенеративний підігрів повітря більш ефективний у порівнянні з рекуперативним, тому що забезпечує більш глибоку утилізацію вторинної теплоти.

Цей метод досить розповсюджений, в основному, стосовно до агрегатів великої одиничної потужності – повітронагрівачів доменних печей, мартенівських, скловарних печей, нагрівальних колодязів.

Останнім часом одержують поширення регенеративні пальники, що поєднують у єдиному конструктивному комплексі малогабаритний регенератор-повітропідігрівач і паливоспалюючий пристрій.

Регенеративні пальники мають підвищену теплову ефективність і меншу металоємність у порівнянні з іншими конструкціями. Це обумовлено значною інтенсифікацією теплопередачі за рахунок застосування насипної насадки з розвинутою питомою поверхнею нагрівання.

Використання регенеративних пальників як універсального теплоутилізатора в системах опалення є одним із пріоритетних шляхів зниження питомих витрат енергії для численних типів нагрівальних і плавильних печей, що працюють у різних галузях промисловості України.

Широке застосування регенеративних пальників у сучасних системах опалення промислових печей стримується недостатньою розробкою теорії малогабаритних регенеративних короткоциклових теплообмінників та відсутністю інженерних методів їхнього розрахунку; недостатньою вивченістю можливостей застосування різних матеріалів для насадок і послідовності їхнього набору; практично відсутністю екологічних складових досліджень, що досить важливо, оскільки з підвищенням рівня підігріву повітря збільшуються температури горіння і, як наслідок, викиди оксидів азоту.

Тому робота, що направлена на розробку сучасних систем опалення, в основі яких лежить утилізація теплоти відхідних продуктів згоряння у малогабаритних регенераторах, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тематичного плану роботи Інституту газу НАН України (держбюджетна науково-дослідна робота “Дослідження закономірностей і методів інтенсифікації .процесів тепло- і масообміну в теплових агрегатах”, № державної реєстрації 0101U002936), за контрактом з Державним комітетом України по енергозбереженню (науково-дослідна робота “Розробка проекту регенеративного пальника для промислових печей”, № державної реєстрації 0196U007103), де автор був відповідальним виконавцем. У 2001 р. автором виграний тендер НАН України для молодих учених по проекту: “Створення енергоефективних систем опалення газових промислових печей із глибокою утилізацією теплоти відхідних продуктів згоряння”, у якому автор був керівником.

Мета і задачі дослідження. Мета даної дисертаційної роботи полягає в дослідженні закономірностей та особливостей регенеративного теплообміну в малогабаритних насадках короткоциклових регенераторів, розробці методики їх розрахунку, розробці методів і засобів зниження витрат палива в промислових печах за рахунок використання систем опалення з регенеративним пальником, складовою частиною якого є такий регенератор, та в розробці рекомендацій щодо їх впровадження.

Для досягнення поставленої мети автор ставив перед собою наступні задачі:

1. Виконати аналіз сучасних робіт щодо використання регенеративних пальників у різних галузях промисловості в промислово розвинених країнах і вибрати найбільш перспективні напрямки реалізації даного способу утилізації теплоти продуктів згоряння стосовно до систем опалення різних типів печей.

2. Розробити математичну модель процесу теплопередачі і гідравлічного опору в малогабаритних регенераторах регенеративних систем опалення.

3. Провести з використанням моделі ряд математичних експериментів по визначенню полів температури, гідравлічного опору і ступеню регенерації в залежності від режимних і геометричних факторів у малогабаритному регенераторі регенеративного пальника.

4. На експериментальному стенді, параметри якого відповідають встановленим у результаті оптимізації даним, розрахованим за допомогою математичної моделі, підтвердити її адекватність.

5. На підставі отриманих аналітичних і експериментальних даних розробити рекомендації з використання регенеративних пальників у промислових печах та перевірити їх на реальних об'єктах у промислових умовах.

Наукова новизна отриманих результатів. До основних наукових положень і результатів, що отримані вперше, можна віднести:

1. Вперше розроблено адаптовану математичну модель, що дозволяє прораховувати розподіл температур по висоті насадки малогабаритного регенератора і його гідравлічний опір за короткоцикловими умовами роботи.

2. Вперше аналітично й експериментально визначено взаємозв'язок між режимними і геометричними параметрами малогабаритного регенератора і їхній вплив на ступінь регенерації. Встановлено, що для фіксованого шару насадки регенератора існує оптимальна температура в робочому просторі печі і швидкість руху продуктів згоряння, що дає змогу насадці цілком використовувати теплоакумулюючу здатність. На експериментальному стенді із регенеративними пальниками, показано відповідність даних, отриманих шляхом математичного моделювання, експериментальним.

3. По отриманах на стенді експериментальних даних вперше побудовано умовні поверхні значень коефіцієнту ефективності використання теплоти палива в залежності від геометричних параметрів регенеративної насадки, часу переключення потоків теплоносіїв, температури в робочому просторі печі та швидкості продуктів згоряння, що дозволяє оптимізувати вибір режимних та геометричних параметрів регенератора.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена автором математична модель теплообміну в малогабаритних регенераторах має універсальний характер і може бути використана для розрахунку регенеративних систем опалення різної потужності.

Запропонована система опалення з регенеративним пальником може бути використана при будівництві нових і реконструкції існуючих нагрівальних і плавильних печей.

Промислове впровадження. Результати даної роботи використані при проектуванні нової відбивної трьохкамерної печі для переплавляння брухту та відходів алюмінію на промисловому майданчику ТОВ “АДМ” (м.Київ). Впровадження нової системи опалення з регенеративним пальником дало змогу знизити питомі витрати палива до 93,77–115,06 кг у.п./т, що 1,5–2 рази нижче в порівнянні з іншими агрегатами цього ж призначення.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні дослідження та обробка даних математичного експерименту виконана автором самостійно. Експериментальні дослідження, виконані в даній роботі, та промислове опробування проведені безпосередньо автором за участю співробітників відділу проблем промислової теплотехніки Інституту газу НАН України. Результати досліджень опубліковані в співавторстві з ними.

Апробація результатів дисертації. Основні положення даної дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на Міжнародній конференції “Экология и теплотехнологии” (Дніпропетровськ, 1996 р.), міжнародної конференції “Проблемы печной теплотехники” (Дніпропетровськ, 1999 р.), міжнародної науково-практичної конференції “Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві і споживанні енергії” (Київ, 1999 р.), другому міжнародному симпозіумі “Устаткування і технології термічної обробки металів і сплавів у машинобудуванні (Харків, 2001 р.), міждержавному семінарі-практикумі “Печное и закалочное оборудование нового поколения для термической обработки металлоизделий”. (Дніпропетровськ, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дійсної дисертаційної роботи опубліковано 7 робіт, в тому числі 4 в фаховому науково-технічному журналі “Экотехнологии и ресурсосбережение”.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 91 найменування та 2 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 153 сторінки, у тому числі 8 таблиць, 43 малюнка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано її ак-ту-альність, сфор-муль-о-ва-но ме-ту та за-дачі досліджень, ви-зна-че-но нау-ко-ву но-виз-ну та прак-тич-не зна-чен-ня ро-бо-ти, на-ве-де-но дані про ре-алізацію одер-жа-них ре-зуль-татів, осо-би-стий вне-сок здо-бу-ва-ча, ап-ро-бації та публікації.

У пер-шо-му розділі ви-ко-на-но порівняльний аналіз використання різноманітних схем утилізації теплоти відхідних продуктів згоряння. Встановлено, що утилізація теплоти відхідних продуктів згоряння в системах опалення з регенеративним пальником є найбільш ефективною з теплотехнічної та конструктивної сторін.

Виконано огляд літературних джерел стосовно конструкцій регенеративних пальників та використання за кордоном систем опалення з регенеративними пальниками. Визначено ос-нов-ні пе-ре-ваги та недоліки закордонного досвіду. В табл.  наведено приклади ефективного використання відомих систем опалення з регенеративним пальником.

Про-аналізовано існуючі методи розрахунків регенеративного теплообміну. В ре-зуль-таті про-ве-де-но-го ана-лі-зу вста-нов-ле-но, що рішення задачі, пов’язаної з процесами теплообміну в регенераторі, зводиться до рішення зовнішньої задачі (визначення температурних полів насадки та теплоносія) та внутрішньої (визначення коефіцієнту теплопередачі між теплоносієм та насадкою). Для рішення зовнішньої задачі прийнято експериментальні дані, отримані П.Г.Полетавкіним.

У другому розділі описано розроблену математичну модель процесу теплопередачі в шарі насипної насадки. При побудові моделі дотримується головний принцип математичного моделювання – максимальна простота формалізованого опису при збереженні основних фізичних властивостей об’єкту, що досліджується.

Таблиця 1.

Піч, фірма | Температура
в печі, С | Підігрів
по-вітря, С | Потужність, МВт | Витрати

палива, %

Піч з роликовим підом (l=26 м), “British Steel Corp.”, Sheffield |

1080 |

250/950 |

6,56/5,20 |

100/40

Конвертер (V=130 т), “British Steel Corp.”, Sheffield--– |

/– |

30/1100 |

3,50/1,75 |

100/27,5

Піч для плавлення алюмінію (V=12 т), “Aluminium Corp. Ltd.”, Dolgarogg |

1100 |

30/1000 |

3,9/2,3 |

100/54

Піч для плавлення алюмінію (V=65 т), “Verengten Aluminium Werken” |

1000 |

30/1000 |

5,9/3,5 |

100/60

Прохідна 4-зонна піч для нагрівання блюмів (l=28,4 м), “British Steel Corp.”, Cumbria |

1300 |

450/1170–– |

/60,94 |

100/85

Конвертер (V=165 т), “North American Manufacturing”, США |

982– |

/– |

3,51/0,88 |

100/25

Піч для плавлення алюмінію, “Toyota Motors”, Япония |

1000/950 |

20/880 |

62,8/23,6 |

100/60

Примітка: в чисельнику до впровадження системи опалення, в знаменнику – після.

При побудові математичної моделі прийняті такі припущення:

1. Насадка регенератора складається з кульок правильної форми, теплообмін між окремими кульками малозначний.

2. Передача теплоти випромінюванням відносно до конвекції в шарі насадки незначна із-за малих розмірів каналів між елементами насадки.

3. Плоский профіль швидкостей та температур теплоносіїв у перетину регенератору. При цьому пристінний шар кульок та кульки в центрі перетину омиваються потоком теплоносія з однаковою швидкістю, внаслідок чого утворюється однаковий розподіл температур по радіусу кульок шару в перетині.

4. У зв’язку із значним перевищенням теплової інерції елементів насадки по відношенню до газу переключення потоків теплоносіїв, що є гріючим та нагріваним, здійснюється безінерційно, а початковий профіль температури теплоносія за довжиною насадки одразу після переключення відповідає профілю температур кульок на їх поверхні.

Побудована модель складається з адаптованих рівнянь теплопровідності за радіусом насадки та конвекційного теплопереносу газовим потоком:

,

,

де i – температура насадки в i-ому перетині шару кульки, К; dr – товщина сферичного шару радіусом r, м (див. рис.1а); – час, сек.; Сpш, rш, ш, – відповідно теплоємність, Дж/(кг°K), щільність, кг/м3 та коефіцієнт теплопровідності матеріалу насадки, Вт/(м°К); T – температура теплоносія, К; u – швидкість потока тепло-но-сія у вільному перетині насадки ре-ге-не-ра-то-ру, м/с; – порозність, м3/м3; Sуд=6/dш(1–e) – питома поверхня теплообміну, м2/м3 при діаметрі елементу насадки dш, м; dl – довжина слою насадки, м (див. рис.1б); – коефіцієнт тепловіддачі між кулькою та газовим потоком, Вт/(м2°К), Срг – теплоємність теплоносія Дж/(м3°К).

а | б

Рис. 1. Елемент насадки (а) та шару (б) регенератора

Початкові та граничні умови:

1. При r=0: ;

2. При r=Rш: ;

3. При = 0: Т(l) = T0(l);

4. При l = 0: T = Tвх.

Коефіцієнт тепловіддачі між кулькою та газовим потоком приймається за експериментальними даними, отриманими П.Г.Полетавкіним та є постійним для усіх точок поверхні кульки на довжині, еквівалентній діаметру елемента насадки l = dш:

Nu = 0,11 Re,

Re = u dш / .

де u – швидкість потоку тепло-но-сія у вільному перетині насадки ре-ге-не-ра-то-ру, м/с; - коефіциєнт кінематичної в’язкості, м2/с.

Теплофізичні властивості матеріалу насадки реге-не-ра-тору та теплоносіїв від температури (щільність, теп-лоємність, теплопровідність газової суміші) розраховуються з використанням властивостей адитивності, коефіцієнт кінематичної в’язкості газової суміші визначається за формулою Манна.

Математична модель вирішується чисельно за кінцево-різничним ме-то-дом. Для рішення використано рівномірну прямокутну сітку та неявну різністну схему, яка не накладє твердих обмежень на крок за часом.

Сумісно з розрахунком температурних профілів, в математичному експерименті визначаються значення ентальпій потоків теплоносіїв на вході та виході з регенератору під час нагріву та охолодження. Це дає змогу обчислити ступінь регенерації в залежності від конструктивного устрою та режимних параметрів регенератору:

р= 100 Qп/Qпз,

де Qп – приріст ентальпії повітря, що підігріте за цикл охолодження насадки регенератору, кДж/м3; Qпз – ентальпія продуктів згоряння на вході в насадку, кДж/ м3.

При розрахунках гідравлічного опору в моделі використано формулу Ергана:

де – коефіцієнт динамічної в’язкості теплоносія, Н с/м2; – фактор форми елементу насадки (для кульок =1).

В результаті розрахунків отримано серію розподілів температур поверхні та центра кульки за висотою насадки, розподілів температур продуктів згоряння та повітря, що нагрівається, за довжиною насадки, гідравлічний опір в залежності від різноманітних режимних та геометричних параметрів системи опалення з регенеративним пальником.

Типовий зразок розподілу температур теплоносія наведено на рис. 2, з якого випливає, що на падіння температури продуктів згоряння та зростання температури підігрівання повітря швидкість потоку теплоносія впливає менш, ніж геометрія регенератору.

З метою оптимізації геометричних та режимних параметрів роботи малогабаритних кулькових регенеративних теплообмінників оброблено великий масив даних, отриманих в результаті розрахунків з використанням розробленої математичної моделі.

Рис. 2. Розподіл температур продуктів згоряння та повітря за довжиною насадки регенератора з куль L: 1, 2, 3, 4 – температура продуктів згоряння при швидкості 0,11 м/с (а) и 0,44 м/с (б); 5, 6, 7, 8 – температура повітря при швидкості 0,1 м/с (а) и 0,4 м/с (б) відповідно для насадки регенератора довжиною 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 м. Матеріал насадки – корунд, діаметр кульок – 0,025 м.

В результаті оптимізації встановлено, що з точки зору обмежень за температурою відхідних продуктів згоряння та гідравлічного опору найбільш прийнятним є регенератор з висотою 0,4–0,6 м для кульок з діаметром 10–25 мм за умови швидкості теплоносіїв до 1,5 м/с, при збільшенні швидкості використання компактного регенератора уявляється проблематичним.

У третьому розділі наведено результати дослідження екологічних аспектів роботи систем опалення з регенеративним пальником при високому рівні підігрівання повітря. Виконано аналіз впливу температури підігрівання повітря та конструкцій найбільш розповсюджених пальників на викиди оксидів азоту в атмосферне повітря. Встановлено, що збільшення ступеню регенерації з ростом рівня підігрівання повітря суттєво впливає на викид оксидів азоту. На рис. 3. наведено розрахункові та експериментальні дані щодо концентрації оксидів азоту в продуктах згоряння в залежності від температури підігрітого повітря.

Показано, що при однаковій температурі підігрівання повітря вміст NOx в продуктах згоряння газу в регенеративному пальнику не перевищує рівнів викидів NOx у плоскополум’яних та деяких інших пальниках.

Рис. 3. Залежність концентрації NOx в продуктах згоряння промислових печей від температури підігрівання повітря: 1 – норма TA Luft; 2, 3 – розрахункові залежності при температурах в робочому просторі печі 1673 и 1273 К відповідно; 4 – методична піч потужністю 35,7–42,9 МВт (газ коксовий); 5 – томильна зона методичної нагрівальної печі (температура в робочому просторі 1553 К); 6 – двопроводний пальник з закруткою повітряного потоку при зміні температури в робочій камері від 1223 до 1323 К; 7, 8 – інжекційні пальники; 9 – двопроводний пальник “труба в трубі” при витратах природного га-зу 30 м3/ч; 10 – плоскополум’яний пальник при температурі в робочій камері 1073–1573 К; 11, 12 – плоскополум’яні пальники на нагрівальних печах металургійного та машинобудівного заводів відповідно; 13 – регенеративний пальник при витратах природного га-зу 10–20 м3/ч та рівнем підігрівання повітря 400–600 °С.

У четвертому розділі викладено результати дослідження роботи системи опалення з регенеративним пальником на експериментальному стенді в Інституті газу НАН України (рис.4.). Надано методику проведення експерименту, та схему розміщення термопар в шарі насадки регенератора (рис. 5). Діапазон технологічних параметрів, що змінювали під час експерименту, надано в табл. 2.

Витрати газу вимірювалися за допомогою газового лічильника РГ-40 з урахуванням поправочного коефіцієнту, що враховує відмінність щільності повітря та природного газу. Тиск газу перед стендом вимірювався манометром типа МТИ з класом точності 0,5.

Витрати повітря крізь регенератор визначали за допомогою інтегруючої трубки з мікроманометром “Оскания”; витрати повітря перед камерами регенераторів та розрідження після клапана-перемикача потоків теплоносіїв – за допомогою U–подібного манометра, при цьому похибка виміру не перевищувала 1 мм вод. ст. Тиск (розрідження) в робочій камері визначалось за допомогою мікроманометру ММН-250 з класом точності 0,5.

Таблиця 2.

Показник | Од. виміру | Значення

1. Витрати природного газу | м3/год | 6–20

2. Максимальна температура в камері | °С | 1000

3. Тиск природного газу номінальний | кПа | 50

4. Тиск природного газу мінімальний | кПа | 5

5. Тиск повітря | кПа | 2

6. Витрати повітря, не більше | м3/год | 350

7. Кількість продуктів згоряння, не більше | м3/год | 380

8. Максимальна температура підігріву

повітря в регенераторі |

°С |

800

9. Максимальна теплова потужність стенда | кВт | 200

Склад продуктів згоряння визначали за допомогою газоаналізатору Testo 342-3 (Testoщо уможливлює зробити висновок про якість спалювання природного газу та кількість забруднюючих речовин (СО та NOx), що викидаються в атмосферу. Витрати продуктів згоряння визначалися розрахунковим методом.

Температури продуктів згоряння в робочій камері та підігрітого повітря за шаром насадки регенератору визначалися за допомогою відсмоктуючої термопари для запобігання впливу температури стінок та насадки. Температури в елементах насадки в різних шарах, продуктів згоряння та повітря, що підігрівається, на різній висоті насадки в камері регенеративного пальника, вимірювалися термоелектричними перетворювачами ТХА с діаметром 0,5 мм. Реєстрація температур здійснювалася самописним прибором КСП-4 с класом точності 0,25. Температура холодного повітря, що подається на регенератор визначалась за допомогою ртутного термометру зі шкалою 0 С – + 50 С. Температура продуктів згоряння перед регенератором вимірювалися термоелектричними перетворювачами ТХА та контролювалася прибором Testo 342-3.

В ході досліджень отримано експериментальні дані за умов різних технологічних параметрів роботи регенеративного пальника, досліджено теплоакумулюючу властивість різних об’ємів насадки регенератора за умов різних теплових режимів, виконано аналіз та зіставлення результатів експериментів з результатами, отриманими при використанні математичної моделі.

Експериментальні дослідження довели, що криві розподілу температур продуктів згоряння, підігріву повітря, поверхні кульок по висоті шару насадки добре корелюються з результатами, отриманими при дослідженні на математичній моделі.

Рис. 4. Принципова схема експериментального стенда: 1, 2 – камери регенераторів; 3 – клапан-перемикач потоків теплоносіїв; 4 – електропривод; 5, 6 – електромагнітні газові клапани; 7, 9, 10, 12–16, 19, 20 – крани газові; 8 – лічильник роторний газовий; 11 – манометр газовий; 17, 18 – крани газові голчасті; 21, 22 – блоки високої напруги; 23, 24 – пальники запальні; 25 – лінія продувки газопроводів; 26, 27 – вентилятори високого тиску; 28 – інтегруюча трубка з мікроманометром; 29–31 – манометр U-образний; 32 – пальники інжекційні. | Рис. 5. Розташування термопар у шарі з насадки регенератора (а) і розташування термопар на елементі насадки (б): 1, 3, 5, 9, 11 – спай термопари на поверхні елемента насадки; 7 – спай термопари усередині елемента насадки; 2, 4, 6, 8, 10, 12 – спай термопари поза кульці; В, ПС – зонд ТЕSTО.

Найбільший практичний інтерес досліджень представляє ефективність роботи регенеративного пальника при зміні режимних параметрів та їхній взаємний вплив на коефіцієнт використання теплоти палива.

Для аналізу отриманих результатів експерименту використовувався багатофакторний аналіз. Як фактори, що впливають на ефективність роботи пальника (визначальна величина – коефіцієнт використання теплоти палива) було обрано – висоту насадки L, м; час перекидання , сек; температуру в робочому просторі печі Тп, °С; швидкість продуктів згоряння у вільному перетині регенератору wп.с., м/с.

На рис. 6. в якості прикладу наведено взаємний вплив часу перекидання потоків теплоносіїв при різній температурі в робочому просторі в печі (а) та часу переключення потоків теплоносіїв при різній швидкості продуктів згоряння (б) на коефіцієнт використання теплоти палива.

А

б

Рис. 6. Зміна коефіцієнта використання теплоти палива від температури в робочому просторі печі та часу переключення потоків теплоносіїв при висоті насадки L = 0,5 м і швидкості продуктів згоряння у вільному перетині wп.с.= 1,5, м/с (а) та часу переключення потоків теплоносіїв і швидкості продуктів згоряння у вільному перетині при висоті насадки L = 0,5 м і температурі в робочому просторі печі Тп = 973 °С (б).

В результаті дослідів встановлено, що зміна температури в робочому просторі печі при постійних висоті насадки (L=const) і швидкості продуктів згоряння у вільному перетині регенератору (wп.с.= const) має більший вплив на ступінь використання теплоти палива в порівнянні з часом переключення потоків теплоносіїв. Для насадки 0,5 м існує оптимум температури в робочому просторі при швидкості продуктів згоряння 1,5 м/с, що складає 840 К, з подальшим зростанням температури (з 840 до 1050 К) маємо різке зниження на 20 %, у той час як збільшення часу перекидання істотно не впливає на підвищення . Це обумовлено тим, що теплоакумулююча здатність насадки не сприймає надлишкову теплоту продуктів згоряння.

Також встановлено, що збільшення тривалості циклу нагрівання (охолодження) насадки для конкретної висоти насадки істотно не впливає на коефіцієнт використання теплоти палива. Навпроти, збільшення висоти насадки веде до значного зростання ступеня регенерації за рахунок збільшення її теплоакумулюючої здатності.

Отримані узагальнені експериментальні залежності гідравлічного опору насадки регенератора по висоті шару при циклі з охолодженням продуктів згоряння і нагріванням повітря при узагальнених швидкостях середовищ у вільному перетині 0,5–1,5 м/с з усередненим значенням часу переключення потоків теплоносіїв 60 сек. Доведено, що характер кривих відповідає отриманим теоретичним кривим. Однак, значення гідравлічного опору сильно відрізняються від теоретичних, тобто запропонована формула Ергана не підходить для розрахунку гідравлічного опору насадки. Проведений аналіз формул Хайлигенштадта, Борошанського, Жаворонкова, Казени-Кармана довів, що найбільш близькі значення для коефіцієнта гідравлічного опору шару насадки сл.(Н) дає емпірична формула В.И.Бо-ро-шан-сь-кого при числах Reсл. = 1–5000:

сл. = 20 + 7000/Reсл.

Відносна похибка при порівнянні експериментальних даних і розрахунків по вищенаведеній формулі не перевищує 15 %, що дає змогу оцінити гідравлічний опір у насипному шарі регенератора за умов реальних кульок.

В п’ятому розділі наведено результати використання теоретичного та експериментального досліджень систем опалення з регенеративним пальником при проектуванні та введенні в промислову експлуатацію печі для переплавки вторинного алюмінію. Піч опалюється природним газом та відповідає вимогам ДНАОП 0.00-1.20-98 (“Правила безпеки газопостачання України”).

Конструкція печі трикамерна (рис. 7), проектна видатність 10 т/добу. Піч має дві плавильні камери, кожна з котрих має систему опалення з регенеративним пальником РГ-40, та копільник з системою опалення за допомогою пальника ГППС-4. Максимальні витрати палива на піч – 120 м3/год. На печі досягнуто температуру підігрівання повітря 520 °С при середній температурі в робочому просторі 750 °С за умов постійного завантаження ломом. Температура підігрівання з часом знижується, що обумовлено забрудненням шарової насадки. Регенеративна насадка працює в сильно запиленому потоці, внаслідок чого її гідравлічний опір з часом зростає в 2–3 рази. Періодичність очищення насадки – 1 раз на тиждень.

В розділі наведено конструкцію та принцип дії печі, описано роботу технологічної схеми з новою системою опалення на базі регенеративних пальників. Наведено результати експериментальних плавок, під час яких встановлено, що питомі витрати природного газу на 1 т кондиційного алюмінію становлять 93,77–115,06 кг у.п./т, що в 1,5–2 рази нижче в порівнянні з іншими агрегатами того ж призначення.

Наведено дані щодо виміряних під час роботи печі викидів забруднюючих речовин в атмосферу, які становлять NOx – 33-35 ppm, CO – 17-23 ppm при п =1,5, та розраховано загальні екологічні показники роботи печі, які свідчать, що викиди забруднюючих речовин в атмосферу не перевищують припустимих за діючим природоохоронним законодавством.

Рис. 7. Схема конструктивного устрою трикамерної газової ванної печі для переплав-ляння алюмінію: 1 – плавильні камери; 2 – копільник; 3 – завантажувальні вікна, 4 – перегородки; 5 – регенеративний пальниковий блок РГ–40; 6 – газове сопло; 7 – насадка регенератору; 8 – пальник ГППС-4; 9 – льотниковий отвір; 10 – канали для перетікання металу; 11 – канали для проходу продуктів згоряння; 12 – вікно для шлаковидалення

Під час експлуатації печі, спроектованої з використанням матеріалу дисертаційної роботи, доведено економічність та екологічність системи опалення з регенеративним пальником.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі викладено результати теоретичних та експериментальних досліджень, спрямованих на вирішення наукової задачі підвищення ефективності використання палива у промислових печах шляхом застосування систем опалення з регенеративними пальниковими пристроями, що являють собою конструктивне поєднання в одному блоці газового пальника та двох малогабаритних короткоциклових регенераторів з насадкою із кульок.

1. На підставі аналізу існуючих схем утилізації теплоти відхідних продуктів згоряння, теорії регенераторів та існуючого досвіду використання регенеративних пальників показано, що дослідження та розробка регенеративних пальникових пристроїв для систем опалення промислових печей є актуальною задачею. Сформульовано мету досліджень як необхідність визначення особливостей та закономірностей теплообміну в малогабаритних короткоциклових регенераторах з насадкою із кульок, створення методики їх розрахунку в залежності від вихідних даних в широкому діапазоні їх значень.

2. Розроблено математичну модель процесу теплообміну в шарі насипної насадки з кульок, яка по суті є базою для інженерних розрахунків. Описано якісну картину динаміки нагрівання (охолодження) насипного шару насадки в регенераторі. Шляхом математичних експериментів отримано масив даних полів температури теплоносіїв, поверхні і центра елемента насадки по висоті регенератора при короткоцикловому режимі переключення теплоносіїв. Встановлено, зокрема, що у короткоциклових регенераторах з насадкою із кульок у теплообміні приймає участь лише тонкий поверхневий шар кульок і теплобмін з теплоносієм відбувається практично безінерційно. У зв’язку з цим зроблено висновок, що при квзістаціонарному режимі роботи матеріал, з якого виготовлено насадку, тобто його теплопровіднисть, істотно не впливає на ефективність теплообміну.

3. Виконано оптимізацію режимних і геометричних параметрів регенератора з кульковою насадкою по критеріях ступені регенерації, температурах продуктів згоряння, що відходять, і підігріву повітря з урахуванням гідравлічного опору шару в повітряний і газовий цикли роботи регенератора. Встановлено, що основним параметром, що визначає ступінь регенерації, є геометричні розміри насадки, інакше кажучи, при інших однакових умовах, загальна теплоємність поверхневого шару кульок. Побудовано узагальнені залежності для різних умов роботи малогабаритного регенератора регенеративного пальника при різній висоті насипного шару.

4. Виконано аналітичний аналіз впливу температури попереднього підігріву повітря для горіння і конструкцій найбільш розповсюджених пальникових пристроїв на емісію оксидів азоту в атмосферу. Встановлено, що на збільшення викидів оксидів азоту в атмосферу найбільш істотний вплив визначає температура підігріву повітря, тобто збільшення ступеня регенерації теплоти продуктів згоряння, що відходять. Показано, що при однаковій температурі підігрівання повітря вміст NOx в продуктах згоряння газу в регенеративному пальнику не перевищує рівнів викидів NOx у плоскополум’яних та деяких інших пальниках.

5. Побудовано вогневий експериментальний стенд для визначення характеристик регенеративного пальника. Розроблено методику проведення експериментів, за якою проведено ряд експериментів по визначенню полів температур теплоносіїв, поверхні і центра елемента насадки по висоті регенератора при короткоцикловому режимі переключення теплоносіїв. Виконано багатофакторний аналіз експериментальних даних для визначення взаємного впливу режимних і геометричних параметрів регенеративного пальника на коефіцієнт використання теплоти палива. Підтверджено адекватність роз-рахункових даних експериментальним.

6. Вперше в Україні розроблено і впроваджено у виробництво алюмоплавильну піч з системою опалення на основі регенеративних пальників, у ході експлуатації якої цілком підтверджені теоретичні та експериментальні дослідження, описані в даній роботі щодо економії палива в 1,5–2 рази в порівнянні з існуючими на теперішній час аналогічними по видатності печами.

Таким чином, використання в Україні отриманих у даній роботі результатів в системах опалення з регенеративним пальником є одним з перспективних напрямків у промисловій теплотехніці.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У РОБОТАХ

1. Сезоненко Б.Д., Орлик В.Н., Алексеенко В.В. Повышение эффективности использования природного газа при отоплении промышленных печей регенеративными горелками// Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1996. – № 1. – с. 14–18.

2. Колесник В.В, Орлик В.М., Соловйов Г.І., Алексєєнко В.В. Перспек-тиви використання металоволоконної насадки для регенера-тивного теплообміну// Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1997. – № 5. – с. 32–36.

3. Сезоненко Б.Д., Орлик В.Н., Алексеенко В.В. Математическое мо-де-ли-ро-ва-ние теплопередачи и гидравлического сопротивления в регенератиывном теп-ло-обменнике с шаровой насадкой// Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1998. – № 5. – с. 18–22.

4. Алексеенко В.В. Моделирование температурных полей и гидравлического сопротивления насадки в регенеративных горелочных устройствах //Доклад на международной научно-практической конференции “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии”, Киев, 1999 г.

5. Сезоненко Б.Д., Орлик В.Н., Алексеенко В.В. Математическое мо-де-ли-ро-вание теплопередачи и гидравлического сопротивления в регенераторах регенеративных горелок//Доклад на между-на-род-ной конференции “Проблемы печной теплотехники”, Днепро-петровск, 1999 г.

6. Алексеенко В.В., Никитин В.Ю. Исследование тепловых процессов в регенераторах с насыпной насадкой //Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2000. – № 4. – с. 73–75.

7. Т.В.Скотникова, В.В.Алекєєнко Утилізатори теплоти продуктів зго-ряння газових промислових печей//Доповідь на 6-й Між-на-род-ній науково-практичній конференції “Нафта і газ України –2000”, Івано-Франківськ, 2000 р.

АНОТАЦІЇ

Алексєєнко В.В. Дослідження та розробка систем опалення промислових печей на основі регенеративних паль-ни-ко-вих пристроїв. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – „Технічна те-п-лофізика і про-ми-сло-ва те-п-ло-енер-ге-ти-ка”. – Інститут газу НАН України, Київ, 2004.

Дисертація присвячена питанням теоретичних та експериментальних досліджень, спрямованих на вирішення наукової задачі використання систем опалення з регенеративним пальником у промислових печах для зменшення витрат природного газу за рахунок підігрівання повітря.

При роботі над дисертацією виконано аналітичні та експериментальні дослідження. За результатами чисельних досліджень встановлено геометричні параметри малогабаритного регенератору в залежності від технологічних параметрів роботи печі. Розраховано температурні поля за висотою регенератора та його гідравлічний опір.

На експериментальному стенді досліджено адекватність чисельного експерименту при регенеративному теплообміні; встановлено, що існуючі емпіричні залежності для гідравлічного опору шару насадки з кульок не дають змогу достатньо точно розрахувати опір в малогабаритному регенераторі. Доведено, що в шарі насадки при короткоциклових процесах працює поверхневий шар кульок, а сама насадка регенератора при цьому може мати стан теплового насичення.

Досліджено екологічні особливості роботи регенеративного пальника з високим рівнем підігрівання повітря. Встановлено, що організація спалювання палива має суттєвий вплив на викид оксидів азоту.

Отримані за дослідженням практичні результати закладено в проект системи опалення з регенеративним пальником та використано при будівництві нової печі для переплавляння алюмінію. За результатами роботи печі встановлено екологічність та економічність нової системи опалення. Питомі витрати палива порівняно з аналогічними печами нижче у 1,5–2 рази.

Ключові слова: регенеративний пальник, опалення, промислова піч, економія, паливо, малогабаритний регенератор, підігрівання повітря, коефіцієнт використання теплоти палива, коефіцієнт регенерації.

Алексеенко В.В. Исследования и разработка систем отопления промышленных печей на основе регенеративных горелочных устройств. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – „Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика”. – Институт газа НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена вопросам теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение научной задачи использования систем отопления промышленных печей с регенеративной горелкой для снижения расхода природного газа за счет подогревания воздуха.

При работе над диссертацией выполнены аналитические и экспериментальные исследования. По результатам численных исследований установлены геометрические параметры малогабаритного регенератора в зависимости от технологических параметров работы печи. Рассчитаны температурные поля по высоте насадке регенератора и его гидравлическое сопротивление.

На экспериментальном стенде установлена адекватность численного эксперимента при регенеративном теплообмене, определено, что существующие эмпирические зависимости для гидравлического сопротивления слоя шаровой насадки не дают возможность достаточно точно рассчитать гидравлическое сопротивление в малогабаритном регенераторе. Доказано, что в слое насадки при короткоцикловых процессах у шариков работает поверхностный слой, а сама при этом насадка регенератора может иметь состояние теплового насыщения.

Исследованы экологические особенности работы регенеративной горелки с высоком уровнем подогрева воздуха. Установлено, что организация сжигания топлива имеет существенное влияние на выброс оксидов азота.

Полученные в результате исследования практические результаты заложены в проект системы отопления с регенеративной горелкой и использованы при строительстве новой печи для переплавки алюминия. По результатам работы печи установлены экологичность и экономичность новой системы отопления. Удельные затраты топлива сравнительно с аналогичными печами ниже в 1,5-2 раза.

Ключевые слова: регенеративная горелка, отопление, промышленная печь, экономия, топливо, малогабаритный регенератор, подогрев воздуха, коэффициент использования теплоты топлива, коэффициент регенерации.

Alekseenko V.V. Researches and development of heating systems of industrial furnaces on the base of regenerative burner. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of candidate of technical science by speciality 05.14.06 - engineering thermal physics and industrial heat-and-power engineering . - The Gas Institute of NAS of Ukraine, Kiev, 2004.

The thesis is devoted to questions of theoretical and experimental investigations directed to solution of scientific task as use of heating systems of industrial furnaces with a regenerative burner for charge of natural gas decrease due to warming up air.

At work above the dissertation are executed analytical and experimental researches. By results of numerical researches geometrical parameters of a small-sized regenerator are established on technological parameters of work of the furnace. Temperature fields on height to a nozzle of a regenerator and its hydraulic resistance are designed.

On the experimental stand adequacy of numerical experiment is established at regenerative heat exchange. It is determined, that existing empirical dependences for hydraulic resistance of a layer of a spherical nozzle highly enough do not enable to calculate hydraulic resistance in a small-sized regenerator. It is proved, that in a layer of a nozzle at short cycles processes at balls works wall a layer, and itself thus the nozzle of a regenerator may have a condition of thermal saturation.

Ecological features of work of a regenerative burner with high a level preheat air are investigated. It is established, that the organization of burning of fuel has essential influence on emission oxide nitrogen.

The practical results received as a result of research are incorporated in the project of system of heating with a regenerative torch and used at construction of the new furnace for melting aluminum. By results of work of the furnace are established ecological compatibility and profitability of new system of heating. Specific expenses of fuel compared with similar furnaces are lower in 1,5-2 times.

Key words: regenerative burner, heating, industrial furnace, economy, fuel, a small-sized regenerator, having warmed up air, operating ratio of heat of fuel, factor of regeneration.