Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного

Кошельник Вадим Михайлович

УДК 536.24; 621.1.016.4; 666.1.031.2

ЕНЕРГО- ТА РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ В ПРОМИСЛОВИХ АГРЕГАТАХ СКЛЯНОГО ВИРОБНИЦТВА НА ОСНОВІ УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБЛАДНАННЯ

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків ? 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі теплотехніки Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Соловей Віктор Васильович, Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України, завідувач відділу термодинаміки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Маляренко Віталій Андрійович, Харківська національна академія міського господарства (ХНАМГ), професор кафедри електропостачання, науковий керівник Центру енергозберігаючих технологій ХНАМГ

доктор технічних наук, професор

Петраш Віталій Дем’янович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри опалення, вентиляції та охорони навколишнього середовища

доктор технічних наук, професор

Семенишин Євген Михайлович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри хімічної інженерії

Провідна установа: Національний технічний університет України “ КПІ” Міністерства освіти і

науки України, теплоенергетичний факультет, м. Київ

Захист відбудеться “16”листопада 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування НАН України ім. А.М. Підгорного за адресою:61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного НАН України за адресою:

61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий “14” жовтня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Промислові установки і комплекси, що реалізують високотемпературні теплотехнологічні процеси нагрівання та плавлення технологічних матеріалів, формують технічну базу енергоємних виробництв скла, металів, в яких паливні печі є основним технологічним ланцюгом. В Україні виробництво більшої частини промислової продукції, зокрема скла, здійснюється з підвищеними питомими витратами енергоресурсів, які суттєво перевищують показники промислово-розвинутих країн. У цих умовах енергозбереження є пріоритетним напрямком державної політики України.

Великі резерви економії мають підприємства скляної промисловості, які споживають значні матеріальні та паливно-енергетичні ресурси. Основна кількість скла на промислових підприємствах України, що нараховують понад 80 скловарних агрегатів, виплавляється в ванних печах, які опалюються природним газом. ККД печей не перевищує 30%, а при виробництві деяких сортів скла сягає усього 12-16%, що обумовлено значними втратами теплоти. Низька теплова ефективність агрегатів визначається також недостатньою стійкістю вогнетривів, які використовують для кладки стін варильної зони. Тому інтенсифікація теплотехнічних процесів скловаріння потребує підвищення стійкості вогнетривкої кладки печей та збільшення терміну їх експлуатації. Цю мету може бути досягнуто за рахунок використання більш стійких матеріалів, удосконалення систем примусового охолодження та інших заходів, які спрямовані на удосконалення режимних та конструкційних характеристик промислових скловарних агрегатів.

Проблема підвищення ефективності роботи скловарних печей пов’язана з необхідністю комплексного рішення теоретичних та прикладних задач теплофізичної та термодинамічної спрямованості, які забезпечують раціональне енерго- та тепловикористання при умові підвищення стійкості елементів печі, збільшення терміну їх експлуатації з одночасним вирішенням питань захисту навколишнього середовища від теплового забруднення. Більшість досліджень високотемпературних процесів, теплової ефективності установок і технологічних систем виконано в період відсутності обмежень на об’єми використання палива та низькій його вартості, що обумовило їх низьку енергоефективність. Аналізу спільної роботи промислових скловарних печей і теплоенергетичного обладнання для підвищення енергоефективності технологічного комплексу приділялося недостатньо уваги. Враховуючи значну енергоємність виробництва скла на підприємствах Україні, високу вартість природного газу і вогнетривких матеріалів, підвищення ефективності роботи промислових скловарних печей є актуальною науково-технічною проблемою і відповідає Закону України „Про енергозбереження”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота зв'язана з науковими програмами і тематикою досліджень, що виконувались під керівництвом здобувача згідно: постанови Президії АН УРСР №210 від 20.05.1986 р. і Державної науково-технічної програми ДКНТ „Ресурсозбереження”, тема 5.51.03/270–93, № ДР 0188.0018248 (1993-1995 рр.); Державному контракту з Міносвіти України № 4?9.4.95.162/89–95 від 17.07.1995 р. (1995-1996 рр.); держбюджетних тем МОН України по напрямку 7 „Енергетика, енергозбереження”, №Д/Р 0102U000984 (2002-2004 рр.), №Д/Р 0105U000574 (2005-2006 рр.).

Дисертаційна робота виконувалась також в межах госпдоговірних тем з НПО „Енергосталь” (№ ДР 0183.0077282; № ДР 01850054280); з ІПМаш НАН України (№ ДР 01850075859); з Мереф’янським склозаводом (№ ДР 0189.0060921); з МКП „Домна” - МСЗ (№ ИА0101631–632 Р) та іншими.

Мета дослідження і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування і розробка енерго- та ресурсозберігаючих заходів на базі удосконалення теплофізичних процесів і теплоенергетичного обладнання високотемпературних агрегатів в промисловому виробництві скла.

Задачі дисертаційної роботи:–

термодинамічний аналіз процесів у теплотехнологічних агрегатах, що використовуються в промисловому виробництві скла;–

розробка на основі положень системного аналізу загальної методики дослідження теплотехнології виробництва скломаси в агрегатах ванного типу, визначення пріоритетних напрямків енерго- та ресурсозбереження;–

теоретичні дослідження променистого теплообміну в варильній зоні реактора, встановлення впливу режимних і геометричних параметрів факелу на роботу скловарних печей та розробка удосконалених конструкцій пальникових систем з регульованою довжиною і формою факелу;–

дослідження системи регенеративного нагріву повітря горіння з урахуванням особливостей експлуатації скловарних печей та розробка рекомендацій щодо підвищення їх ефективності;–

аналіз теплофізичних характеристик вогнетривкої кладки варильного басейну та математичне моделювання теплових процесів, ідентифікація параметрів теплообміну при застосуванні повітряного та випарного охолодження печей;

?розробка пропозицій щодо практичної реалізації енерготехнологічного комбінування та удосконалення систем охолодження шляхом використання теплоутилізаційних установок, упровадження заходів по підвищенню енергоефективності теплоенергетичного обладнання та агрегатів ванного типу в виробництві скломаси.

Об’єкт дослідження – високотемпературні теплотехнологічні агрегати ванного типу для промислового виробництва скла.

Предмет дослідження – теплофізичні процеси тепломасообміну в високотемпературних елементах скловарних печей та супутнього теплоенергетичного обладнання.

Методи дослідження. Математичне моделювання термодинамічних і теплофізичних процесів виконано з використанням численних методів вирішення задач математичної фізики, методів оптимізації та математичної статистики. Експериментальні дослідження проведено на фізичних моделях, на дослідно-промислових агрегатах та натурних об’єктах, що дозволило оцінити адекватність розроблених математичних моделей і підтвердити достовірність результатів, які узгоджено також порівнянням з даними інших авторів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у вирішенні на підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень актуальної прикладної науково-технічної проблеми зниження витрат енергетичних і матеріальних ресурсів в високотемпературних агрегатах в промисловому виробництві скла:

1. Вперше сформульовано методологічний підхід стосовно рішення проблеми енергозбереження в високотемпературних агрегатах для промислового виробництва скла з використанням положень системного аналізу, визначено рівні ієрархії, що дозволило виділити об’єкти і напрямки енергозбереження в виробництві скла, включаючи всі стадії теплотехнології.

2. Вдосконалено методики математичного моделювання процесів теплотехнологічних агрегатів ванного типу шляхом створення уточнених математичних моделей, які більш повно враховують реальні умови експлуатації агрегатів при виробництві скломаси, в тому числі:–

методику розрахунку променистого теплообміну в варочній зоні реактора з використанням зонального методу; –

математичну модель для прогнозування температурних режимів нових елементів системи випарного охолодження на основі методу кінцевих елементів з урахуванням динаміки процесу руйнування вогнетривкої кладки;–

розроблено уточнену математичну модель для розрахунку і прогнозування теплотехнічних параметрів і оцінки ефективності роботи системи регенеративного нагріву повітря в процесі її експлуатації;

? методику розрахунку періоду стійкості стінового огородження варильної зони скловарної печі з використанням залежності швидкості корозії вогнетривких матеріалів, а також з урахуванням інтенсивності примусового охолодження.

3. Вперше на дослідно-промисловій печі з запропонованою в роботі системою випарного охолодження (СВО) отримано нові дані щодо температурних режимів парогенеруючих елементів СВО, включаючи усі стадії роботи агрегату.

4. Вперше визначено закон зміни оптимальної витрати повітря для дискретно-струминного та струминно-канального способів охолодження вогнетривкої кладки варильного басейну при умові мінімізації експлуатаційних витрат на роботу системи охолодження.

5. Для утилізації теплового потенціалу пари СВО запропоновано ширококанальний пластинчатий випарник з плоскими і гофрованими каналами, для якого встановлено закономірності теплопереносу, отримано і узагальнено нові експериментальні дані щодо інтенсивності теплообміну в діапазоні режимних параметрів, які характерні для роботи СВО.

Практичне значення роботи.

1. Створено алгоритми і програмні продукти для діагностики і прогнозування в режимі реального часу параметричних характеристик елементів високотемпературних установок (ВТУ) ванного типу.

2. Отримано шляхом математичного моделювання розрахункові дані про температурний стан елементів ВТУ в залежності від зміни конструктивних і режимних параметрів, які забезпечують можливість розробки і впровадження енергозберігаючих заходів стосовно скловарних печей.

3. Розроблено і досліджено на промисловому агрегаті удосконалену конструкцію пальникового пристрою з регульованою довжиною та кутом розкриття факелу. На базі ванної скловарної печі з СВО вперше створено оригінальний енерготехнологічний комплекс, на якому досліджено роботу елементів СВО басейну в умовах промислової експлуатації. Відпрацьовано технологію виготовлення, монтажу і експлуатації СВО з плоскими парогенеруючими елементами. Розроблено і упроваджено конструкцію датчика контролю за температурним режимом парогенеруючих панелей. Експериментально доведено доцільність використання СВО для підвищення енергоефективності скловарних печей і стійкості варильного басейну. Визначено рівень економії палива, електроенергії та вогнетривких матеріалів при використанні СВО для ванних печей.

4. Визначено вплив режимних параметрів на роботу регенеративних повітронагрівачів, знайдено можливий рівень економії палива в агрегатах при виробництві скла. Розроблено рекомендації по підвищенню ефективності їх роботи, що має практичне значення при проектуванні та експлуатації промислових агрегатів.

5. Виконано діагностику теплових режимів системи повітряного охолодження промислових скловарних печей при використанні різних способів охолодження. Встановлено закон оптимальної витрати повітря для охолодження агрегатів при умові мінімізації експлуатаційних витрат в процесі робочої компанії печі.

6. На основі термодинамічного аналізу системи регенерації і системи охолодження запропоновано використання оригінальних теплоутилізаційних і металогідридних установок в промисловому виробництві скла, розроблено ряд рішень по удосконаленню елементів систем охолодження агрегатів, що підтверджено отриманими патентами.

Результати дисертаційної роботи впроваджено: на Мереф’янському склозаводі (Харківська область) створено дослідно-промисловий агрегат з СВО, модернізовано пальникові пристрої; на Московському кришталевому заводі впроваджено прилад для діагностики шихтових матеріалів; на ВАТ ”СКЛО” використано рекомендації по розробці теплових режимів регенераторів в проекті реконструкції скловарної печі; в ДНДПІМП „Діпросталь” в проекті реконструкції регенеративних повітронагрівачів доменної печі; в ВАТ „УкрДНДІХіммаш” при розробці пластинчатого випарника; на ВАТ „Завод газорозрядних ламп” при удосконаленні систем опалення і повітряного охолодження печі, що підтверджено відповідними актами.

Матеріали дисертаційної роботи використано у навчальному процесі Національного технічного університету „ХПІ” при підготовці інженерів-теплоенергетиків та при написанні 2 навчальних посібників з грифом МОН України.

Особистий внесок автора. Основні ідеї і положення дисертаційної роботи розроблені автором особисто. В навчальному посібнику [1] автор підготував і написав розділи 3.4 і 4.5, в навчальному посібнику [2] ? розділ 9.7, розробив методичні підходи і обрав напрямки реалізації заходів з енергозбереження в скляному виробництві [5, 11, 21, 23, 33, 37, 38], розробив математичні моделі теплообмінних процесів в елементах і системах ВТУ [4, 7, 8, 19, 36], забезпечив впровадження енерго- та ресурсозберігаючого теплообмінного обладнання, проведення і обробку даних експериментальних досліджень, які виконані на стендах [15, 35] і промислових скловарних печах [31, 33, 34], розробив методику і виконав аналіз результатів дослідження теплообмінних процесів в пластинчатому випарнику [14, 16], обрав напрямок і методи досліджень, визначив оптимальні параметри повітряного охолодження вогнетривкої кладки скловарних печей [14, 16, 24, 25], запропонував заходи по підвищенню ефективності теплоутилізаційного обладнання на основі використання металогідридних установок [3, 4, 26, 27], розробив рішення по удосконаленню систем випарного і водяного охолодження скловарних печей, виконав теплотехнічні розрахунки [11, 20, 22, 28-30, 39]. Роботи [9, 10, 33, 38] опубліковані самостійно.

Апробація результатів. Результати роботи доповідались на науково-технічних конференціях і семінарах, в тому числі на: Республіканській науково-технічній конференції „Питання удосконалення теплової роботи і конструкцій металургійних печей” (м. Дніпропетровськ, 1981 р.); 2-й Всесоюзній науковій конференції „Проблеми енергетики теплотехнології” (м. Москва, 1987 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції із проблем енергетики теплотехнології „Інтенсивне енергозбереження в промисловій теплотехнології” (м. Москва, 1991 р.); Українській науково-технічній конференції „ Проблеми інженерної екології” (м. Харків, 1992 р.); міжнародному семінарі „Наукові основи конструювання металургійних печей: теплотехніка і екологія”, (м. Дніпропетровськ, 1993 р.); міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми ресурсо- і природозбереження в енергетиці” (м. Харків, 1994 р.); 2-й міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми економії енергії” (м. Львів, 1999 р.); міжнародних науково-технічних конференціях „Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я ” (м. Харків, 1993, 1996, 1997, 1999, 2001-2005 рр.); міжнародній науково технічній конференції „Енергоефективність-2002”. (м. Київ, 2002 р.); міжнародній конференції „Ресурси і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд”, (м. Харків, 2004 р.); міжнародній науково-технічній конференції „Фізико-хімічні проблеми в технології тугоплавких неметалічних та силікатних матеріалів” (м. Харків, 2004 р.); міжнародній науково-практичній конференції „Інтегровані технології і енергозбереження” (Крим, с. Малий Маяк, 2004 р.), ХIV міжнародній конференції „Теплотехніка і теплоенергетика” (Дніпропетровськ, 2005 р.); III, IV міжнародних конференціях „Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2003, 2005 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 39 роботах, в тому числі в 2 навчальних посібниках, 24 статтях в фахових виданнях, у 8 тезах та матеріалах конференцій, по темі дисертації отримано 1 авторське свідоцтво і 4 патенти.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 223 найменувань та 9 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 336 сторінок, з яких 304 сторінки основного тексту, робота має 121 рисунок, 31 таблицю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, наведено загальну характеристику роботи.

Перший розділ присвячено аналізу теплових схем промислових високотемпературних теплотехнологічних установок, процесів і агрегатів скляного виробництва.

В Україні виробництво значної частини промислової продукції здійснюється з підвищеним рівнем витрат матеріальних і енергетичних ресурсів, що знижує конкурентоспроможність продукції. У цих умовах енергозбереження визначено одним із пріоритетних напрямків державної політики України. Дослідженням високотемпературних процесів з метою підвищенню теплової ефективності ВТУ різного призначення присвячені роботи Гольдфарба Е.М., Губинського В.Й., Єринова А.Є., Ключникова А.Д., Лісієнка В.Г., Розенгарта Ю.Й., Семененка Н.А., Сороки Б.С., Щукіна А.А. та інших дослідників.

Використання системного підходу при аналізі теплових схем і процесів у ВТУ, який розроблено в роботах Ключникова А.Д., Коздоби Л.О., дозволяє на початку дослідження, не розглядаючи докладно їх особливості, виділити найбільш значущі фактори, які впливають на загальні характеристики систем. Характерним для ВТУ скляного і металургійного виробництв є наявність схожих робочих процесів, їх високий температурний рівень, складний тепло- і масообмін у робочій зоні технологічних реакторів, використання систем охолодження та регенерації тепла і т. д. Це дозволило застосувати загальний підхід для оцінки ефективності їх роботи з метою вибору перспективних напрямків енерго- та ресурсозбереження.

Вивчено досвід рішення різних теплотехнічних задач стосовно до скловарних печей, що представлений у роботах Булавіна И.А., Волгіної Ю.М., Гінзбурга Д.Б., Гойхмана В.Ю., Губаря В.Ф., Дзюзера В.Я., Захарікова Н.А., Іл’яшенко І.С., Козлова А.С., Лісієнко В.Г., Матвеєва Г.М., Попова О.Н., Піоро Л.С., Руслова В.Н., Сезоненко Б.Д., Семікіна Е.И., Яшина Л.І. та інших дослідників.

Основним типом реакторів для промислового виробництва скловиробів залишаються регенеративні печі ванного типу безперервної дії з поперечним, підковоподібним і поздовжнім факелом. Їх робота характеризується низьким ККД, який у більшості випадків не перевершує 25-30 %, а питомі витрати теплової енергії для виробництва скла можуть становити від 7,5 до 45 ГДж/т. Робота промислових агрегатів характеризується значним споживанням матеріальних і енергетичних ресурсів, виходом великих обсягів вторинних енергоресурсів. Відзначено також недостатню стійкість вогнетривких матеріалів, відсутність ефективних систем охолодження і якісної ізоляції, що приводить до зменшення періоду експлуатації, зниження продуктивності агрегатів, погіршенню техніко-економічних показників. Ефективність використання палива, питомий вихід скломаси, тривалість кампанії печей на підприємствах України значно поступає характеристикам закордонних аналогів.

Аналіз умов експлуатації вогнетривких матеріалів у промислових скловарних печах показав, що термін їх експлуатації лімітується теплофізичними та фізико-хімічними властивостями вогнетривкої кладки стін варильного басейну, яка найбільш інтенсивно руйнується на рівні дзеркала розплаву скломаси. Швидкість руйнування залежить від багатьох факторів і може складати від 0,1 до 6 мм/добу. Тому для підвищення стійкості вогнетривів печей може застосовуватися повітряне, водяне, випарне охолодження. Повітряне охолодження застосовується на більшості підприємств, однак його використання не вирішує проблеми підвищення стійкості стін варильного басейну, при цьому мають місце додаткові витрати електроенергії. Водяне охолодження вимагає значних витрат води, характеризується складністю і ненадійністю роботи устаткування, не дозволяє використовувати відведену теплоту через її низький температурний потенціал. Використання систем випарного охолодження для скловарних печей, незважаючи на їх широке застосування на металургійних підприємствах, не одержало значного поширення на заводах для промислового виробництва скла.

Встановлено, що більша частина всіх енерговитрат припадає на робочі процеси в печах ванного типу, а низька ефективність агрегатів визначається недосконалістю теплотехнічного обладнання, недостатньою стійкістю вогнетривких матеріалів варильного басейну. Таким чином, підвищення ефективності роботи скловарних печей на підприємствах України пов'язане з необхідністю комплексного рішення питань ресурсозбереження, раціонального енерго- і тепловикористання за умови підвищення стійкості елементів печей, збільшення строків міжремонтного періоду. Виходячи з цього сформульовано мету і задачі дослідження.

Другий розділ дисертації присвячено розробці методики дослідження промислових агрегатів для виробництва скла. Обґрунтовано використання системного аналізу для постановки і рішення завдань енергозбереження в виробництві скла. До числа важливих науково-технічних проблем слід віднести розробку і освоєння методів розрахунку технологічних установок і агрегатів для виробництва скла, що є практичною основою створення ефективного енерго- і ресурсозберігаючого обладнання. Необхідними передумовами цього є також розробка комплексу технічних рішень і створення пристроїв, призначених для реалізації глибокого тепловикористання, керування тепловими режимами. Технологія виробництва скла включає операції, які реалізовані в певній послідовності поза робочим простором реактора, так і безпосередньо в робочому просторі. Виробництво скла здійснюється, як правило, в одному реакторі, що поєднує різні технологічні зони, де відбуваються складні фізико-хімічні процеси скловаріння при відповідних температурних умовах. Для більш повного використання енергії палива і теплових ВЕР до складу ВТУ включають елементи зовнішнього тепловикористання для одержання іншої технологічної продукції, наприклад гарячої води, пари, електроенергії (рис.1).

Питанням підвищення ефективності використання палива і удосконалення агрегатів для виробництва скла присвячена велика кількість досліджень. Однак, вони стосувалися рішення розрізнених завдань по дослідженню теплових режимів, удосконаленню окремих конструктивних елементів агрегатів, вибору теплової ізоляції, вирішенню питань екології.

У той же час дослідженням ефективності роботи всього технологічного комплексу виробництва скла приділялося недостатньо уваги. Це пояснюється тим, що робота теплоенергетичного обладнання ВТУ жорстко пов'язана зі складними процесами скловаріння, які реалізуються в робочому просторі агрегату. Крім того, у процесі експлуатації скловарних печей відбувається зміна режимних параметрів. Так, наприклад, через руйнування вогнетривкої кладки зменшується надійність роботи печей, збільшуються втрати теплоти через огородження, що компенсується збільшенням витрати палива. Винесення з реактора пилу шихти приводить до заростання насадки регенераторів, погіршення роботи теплоутилізаційного устаткування і газового тракту. Для підвищення стійкості вогнетривів застосовується повітряне, водяне примусове охолодження, що дозволяє знизити температуру поверхні вогнетривів варильного басейну, зменшити інтенсивність процесу руйнування. Аналіз публікацій показав, що у даний час відсутні науково обгрунтовані рекомендації з вибору оптимальних способів охолодження та їх параметрів.

Виходячи з цього, виникає необхідність у розробці методології і реалізації системного підходу до вибору напрямку дослідження для рішення задач енергозбереження з використанням методів математичного та фізичного моделювання роботи установок з урахуванням відповідних технологічних обмежень. Розгляд теплотехнології і агрегатів для виробництва скла з використанням положень системного підходу дозволив визначити рівні ієрархії і їх зв’язки за допомогою “цибулинної діаграми” (рис. 2). У внутрішньому колі діаграми знаходиться об'єкт дослідження ? високотемпературний реактор. Наступні шари діаграми включають систему генерації теплової енергії в реакторі паливними пристроями, систему охолодження елементів кладки варильного басейну, систему підігріву повітря горіння в регенераторах і систему утилізації теплоти.

Відповідно до розробленої методології обрано напрямок проведення теоретичних і експериментальних досліджень промислових установок з метою розробки та впровадження енергозберігаючих заходів для скловарних печей.

Обґрунтовано вибір об'єкту дослідження ? ванних регенеративних печей безперервної дії з підково- та напівпідковоподібним факелом, які широко використовуються на промислових підприємствах для виробництва різних сортів скла. Таким чином, на основі аналізу публікацій і обстеження промислових агрегатів для виробництва скла з використанням положень системного аналізу була розроблена загальна методика досліджень, структуру якої наведено на рис. 3.

Третій розділ дисертації присвячено розробці математичних моделей теплових процесів, які реалізуються в скловарних печах і в теплоенергетичному обладнанні. Встановлено, що в більшості існуючих методик автори використовували ряд припущень, найчастіше не враховували динаміку руйнування вогнетривів, зміну витрат палива і повітря горіння в процесі експлуатації, зміну температурних режимів, запиленість продуктів горіння шихтовими матеріалами та інше. Сучасні можливості комп'ютерних технологій дозволяють створювати уточнені методики розрахунків, уніфіковані програмні блоки, реалізація яких дає можливість одержати більш повну інформацію про характеристики робочих процесів та об’єктів.

Стосовно до умов роботи скловарних печей розроблено методику розрахунку процесів горіння газу, що дозволила визначити температурні параметри і властивості продуктів горіння з урахуванням особливостей регенеративного підігріву повітря, зміни коефіцієнтів надлишку повітря по тракту. На основі теплового балансу розроблено методику розрахунку впливу підігріву повітря на температуру горіння і на економію палива в печі.

Для визначення максимально можливого рівня впливу температури нагріву повітря на температуру горіння визначали її в припущенні, що дисоціація газів і теплові втрати відсутні:

. (1)

При спалюванні природного газу з теплотою згоряння Qнс без підігріву газу (Qг=0) температура tг залежить від теплоти, що внесена з нагрітим повітрям Qп, і обсягу продуктів горіння Vг. При наявності присосів повітря по тракту скловарних печей загальна кількість теплоти, яка внесена повітрям у робочий простір, дорівнює:

. (2)

Таким чином, підвищення температури горіння ?tг за рахунок підігріву повітря в регенераторі від температури tхп до температури tгп складає:

. (3)

Для визначення величини Qп(tп) необхідно визначити температуру повітря на виході з насадки регенератора. З метою визначення параметрів роботи системи регенеративного підігріву повітря розроблено уточнену математичну модель регенератора. Алгоритм розрахунку температури насадки ti,j, газів і повітря у відповідності з розрахунковою кінцево-різницевою схемою складено на основі рішення рівнянь енергобалансу для всіх n елементів для кожного моменту часу j з часовим кроком ?? при заданій тривалості періодів нагрівання і охолодження насадки:

(4)

; (5)

. (6)

Величину питомої витрати палива та економії палива ?Ет в печі за рахунок нагрівання повітря горіння в регенераторі було знайдено шляхом порівняння роботи печі з однаковою продуктивністю П1=П2 при використанні холодного і нагрітого повітря горіння, що відповідало значенням температур газів за піччю tог, tуг. Знаючи питомі витрати палива на одиницю продукції при роботі на холодному b1=B1/П1 та нагрітому в регенераторі гарячому повітрі b2=B2/П2, витрату продуктів згоряння Vг визначимо як:

. (7)

Адекватність моделі доведена шляхом порівняння розрахункового розподілу температур газу і повітря по висоті насадки з експериментальними даними, які було отримано на промисловому регенераторі (рис. 4). При цьому розбіжність склала 7,3-12,1%.

На основі зонального методу з використанням рекомендацій, які описані в роботах Рафаловича І.М., Ключникова А.Д., розроблено алгоритм розрахунку променистого теплообміну в робочому просторі ванної скловарної печі.

Створена методика розрахунку кутових коефіцієнтів ?k,j між поверхнями робочої камери і факелом з урахуванням затінення їх факелом. Система рівнянь для визначення ефективних променистих потоків має наступний вигляд:

, (8)

де j=1, 2, ..., n – номери зон.

Коефіцієнти ?k,j і Ск розраховували для випадків, коли були відомі температура зони або її результуючий тепловий потік. Коефіцієнти ?k,j визначали при відповідних значеннях ?k,j, що характеризують випромінювання з ділянки з індексом k на ділянку з індексом j. Після рішення рівняння (8) розраховували значення результуючих променистих потоків Ерез для зон з номерами 1?k ?m:

, (9)

а також температури для зон з відповідними номерами (m+1) ?k ?n:

. (10)

Алгоритм розрахунку променистого теплообміну у варильній зоні був реалізований стосовно до параметрів скловарної печі №2 МСЗ за допомогою пакету дослідницьких програм. На першому етапі проводився розрахунок невідомої температури відповідних зон при заданих результуючих потоках Ерез або знаходили променисті потоки для зон з відомою температурою при заданих коефіцієнтах ?k,j і ступенях чорноти. Інша програма створена з метою визначення ?k,j між кладкою, дзеркалом ванни і факелом, що давало змогу провести розрахунки при зміни геометричних параметрів факелу. Створену модель було використано для дослідження процесів променистого теплообміну в робочій зоні печі, а отримані результати – при удосконаленні пальникових пристроїв.

Суттєвий вплив на ефективність роботи печей має стійкість вогнетривких матеріалів варочної зони. На даний час у літературі відсутні відомості про розробку універсальної методики і програмного забезпечення для визначення термохімічної стійкості вогнетривів, зокрема стінового брусу ванни печі. Для розрахунку корозійного руйнування вогнетривів варильного басейну на рівні скломаси розроблено уточнену інтегральну математичну модель стійкості з урахуванням залежності швидкості руйнування вогнетриву від температури і інтенсивності зовнішнього охолодження. При розробці моделі враховували рекомендації М.В.Захарікова і О.М.Попова для розрахунку служби вогнетривів у скловарних печах. Створена математична модель відрізняється використанням експоненціальної залежності швидкості корозійного руйнування вогнетривів від температури стінки басейну, в ній також врахована залежність коефіцієнта теплопровідності матеріалу від температури.

Система рівнянь теплопередачі для визначення температури на внутрішній tв і зовнішній tн поверхнях вогнетривкого бруса ванни печі має вигляд:

(11)

Значення коефіцієнтів теплопередачі визначали як:

(12)

Рішення системи (11) реалізовано при заданих параметрах tс, tо – температура скла і повітря; Lб – товщина бруса; А0, В0, В0* – константи, що визначають термічний опір пристінного шару скла; ? – коефіцієнт теплообміну на зовнішній поверхні бруса ванни. При визначенні tв і tн виконувалось ітераційне уточнення коефіцієнта теплопровідності е і коефіцієнта променистого теплообміну ?л. Тривалість кампанії печі визначається стійкістю стінового огородження басейну, яка залежить від швидкості корозійного руйнування бруса товщиною L як . Період стійкості Tп стінового бруса представлено як інтеграл:

, (13)

де Lб і Loсm – початкова і залишкова товщина стінового бруса.

Швидкість руйнування вогнетривів W визначається температурою внутрішньої поверхні стінки варильного басейну і описується рівнянням Арреніуса W=e в залежності від констант А*, В* для вогнетривких матеріалів та сорту скла, поточної температури tв*=t+273 і температури внутрішньої поверхні стінки tв. Тривалість кампанія печі визначається періодом стійкості стінового бруса (13), у якому поточна температура tв може бути знайдена з системи рівнянь (11). Інтеграл стійкості (13) представлено як:

, (14)

де tВі – температура внутрішньої поверхні стінки басейну при відомому режимі теплопередачі відповідає поточній товщині стінки Li. Результати розрахунку періоду стійкості (14) були порівняні з опублікованими даними Фервонера О., Берндта К. (рис. 5). Розбіжність склала від 6 до 20%, що свідчить про можливість застосування моделі для розрахунків руйнування вогнетривів.

Для визначення працездатності панелей СВО і діагностики температурних режимів на основі методу кінцевих елементів, розроблено методику і створено пакет програм для рішення двомірної задачі теплопровідності. Диференційне рівняння теплопровідності в загальному виді представлено в вигляді

(15)

з граничними умовами першого і третього роду для розрахункового об'єкта, який складався із двох основних масивів – безпосередньо елемента панелі СВО і вогнетривкого бруса змінної товщини. Температура поверхні елемента, що контактувала з розплавом, приймалась відповідно сорту скла. Інтенсивність теплообміну в трубах панелі і з боку зовнішньої поверхні визначали по відповідним критеріальним залежностям. Панелі СВО являли собою конструкції, окремі елементи яких виготовлялись з чотирьох матеріалів з різними теплофізичними властивостями. Їх працездатність визначається розподілом і рівнем температур у бетоні панелі на різних стадіях експлуатації скловарної печі. Застосування розробленої програми забезпечило можливість проведення розрахункового експерименту для дослідження температурних полів в панелі СВО при відповідній товщині вогнетривкої кладки, яка змінює свої розміри в процесі експлуатації.

У четвертому розділі представлено результати досліджень робочих процесів в скловарних печах, зокрема променистого теплообміну, наведено дані по вдосконаленню паливних пристроїв та режимів роботи системи регенеративного підігріву повітря, які виконано з метою підвищення ефективності використання природного газу на опалення печі.

Відзначимо, що значна кількість скловарних печей обладнані пальниками, у яких розміри факелу не відповідають розмірам робочого простору варильної зони печі, що приводить до нераціональних витрат палива.

З використанням розробленої математичної моделі виконано дослідження променистого теплообміну в робочому просторі скловарної печі №2 МСЗ, визначено вплив зміни режимних параметрів і геометричних характеристик факелу. Встановлено залежність кутових коефіцієнтів при зміні ступеня чорноти кладки і факелу, температури факелу, геометричних розмірів і розташування факела у варильній зоні.

Визначено вплив зміни параметрів факелу на процеси променистого теплообміну у варильній зоні печі. Розрахунковим шляхом було отримано величини теплових потоків, що випромінювались факелом, а також потоків, що падали на дзеркало ванни. Розраховано значення температури склепіння, бічних і торцевих стін при зміні геометричних параметрів факелу. У розрахунках величина результуючих теплових потоків на кладку приймалася постійною, загальна кількість теплоти, яка випромінювалась на кладку, відповідала умовам роботи промислових печей. Відношення ширини факелу до максимальної розрахункової ширини змінювали в діапазоні 0,25<r/rmax<1, що дозволило знайти раціональні розміри факелу. Визначено також вплив зміни ступеня чорноти ванни ?в і факелу ?ф на теплотехнічні параметри варильної зони скловарної печі, досліджено вплив ширини факелу. Виявлено, що при зміні r/rmax від 0,25 до 0,75 доля теплоти на ванну збільшується від 0,812 до 0,912. Показано, що в реальних умовах зміну геометричних характеристик факелу можливо досягти шляхом оптимізації конструкції паливного пристрою.

Досліджено вплив зміни температури факелу від 1500°С до 1650°С на величину теплового потоку, що падає на ванну Qв. Як свідчить характер кривих на рис. 6 (1-Тф=1650оC; 2-Тф=1600 оC; 3-Тф=1550оC; 4-Тф=1500оС), температура факелу є важливим чинником, що суттєво впливає на нагрів ванни. Відносна кількість теплоти, що падає на ванну, ?=Qв/Qф збільшується при 0,75<r/rmax<1 на 5,5-7,0%.

Досліджено також вплив зміни геометричних параметрів і розташування факела на ККД варильного простору скловарної печі (рис. 7). Встановлено, що оптимум має місце при ширині факела, близькому до значення r/rmax=0,8.

Отримано дані про зміну температури кладки варильної зони для досліджуваних параметрів. Визначено вплив зміни загальної поверхні факелу в діапазоні від 50 до 150 м2 на інтенсивність променистої складової теплового потоку (рис. 8).

Результати розрахунків було використано при розробці рішень по вдосконаленню конструкції і режимів роботи пальників печі шляхом подачі стисненого повітря різного рівня тиску в газовий струмінь для регулювання розмірів факелу. На печі було змонтовано дві групи пальників та проведено дослідження їх роботи. Було зафіксовано зміну структури факелу, що привело до підвищення температури склепіння печі на 10-15°С. Отримані данні було використано для модернізації пальників, були поліпшені умови згоряння палива в робочому просторі печі за рахунок зміни кута розкриття, довжини і настильності факелу, досягнуто зменшення витрати природного газу до 5-7 % на піч при сталій продуктивності. За рахунок додаткового охолодження пальників стисненим повітрям втричі збільшено термін їх експлуатації.

Виконано дослідження режимів роботи регенераторів, визначено вплив зміни їх параметрів на температуру нагрівання повітря. Встановлено, що підвищення температури газів на вході в насадку на кожні 50оС приводить до підвищення температури повітря на виході з насадки приблизно до 30оС. Досліджено роботу регенераторів при зміні швидкості димових газів і повітря в насадці від 0,1 до 0,5 м/с та при зміні температури повітря на вході в насадку. З використанням методу математичної статистики шляхом обробки розрахункових даних отримана залежність середньої температури нагрівання повітря від вхідних параметрів

, (16)

яка дає можливість визначити температуру повітря на виході з регенератора в залежності від значень температури газів і повітря на вході в насадку та швидкості теплоносіїв в каналах регенератора з різними розмірами.

Визначено вплив температури підігріву повітря на температуру горіння й економію палива в скловарній печі. Проведена оцінка динаміки зміни величини в залежності від параметрів регенераторів. У діапазоні зміни температур газів 1000-1200 оС значення може складати від 20 до 51% в порівняння з роботою печі без підігріву повітря горіння. Визначено, що шляхом зміни режимних і конструктивних параметрів регенератора можливо забезпечити рівень економії палива до 5-7%. Проведені експериментальні дослідження на скловарній печі підтвердили достовірність результатів розрахунків температурних полів у насадці регенератора. На основі виконаних досліджень розроблено рекомендації з підвищення ефективності роботи печі і регенератора, які були використані при реконструкції печі №1 ВАТ “СКЛО”.

У п'ятому розділі обґрунтовано доцільність використання випарного охолодження для ванних скловарних печей, представлені результати щодо створення дослідно-промислової установки на базі ванної печі з СВО.

Як відзначалось, недостатня стійкість стін варильного басейну є обмежуючим чинником для збільшення тривалості кампанії скловарних печей, що приводить до значних капітальних витрат на їх ремонт. При цьому погіршуються техніко-економічні показники скляного виробництва.

Аналіз публікацій і досвіду експлуатації промислових агрегатів дозволив розглянути, узагальнити і сформулювати положення, які послужили науково-технічним обґрунтуванням для використання випарного охолодження скловарних печей. На основі цього було запропоновано для скловарної печі, що виплавляла алюмоборсилікатне скло, для підвищення стійкості ванни використати СВО з плоскими елементами з вмонтованими в них вертикальними трубчастими екранами.

Для оцінки рівня теплових втрат і визначення впливу випарного охолодження на витрачання палива були використані опубліковані дані по режимах роботи скловарної печі даного типу. Визначено теплові втрати через кладку стін басейну скловарних печі через руйнування вогнетривів. Для варіантів повітряного і випарного охолодження, використовуючи значення складових теплових потоків Qi, з рівняння балансу знайдено додаткові витрати газу ?Вг на компенсацію теплових втрат .

Для даної печі розрахункова величина ?Вг при використанні СВО склала 5,8 % від витрати палива на піч. Відзначимо, що використання випарного охолодження замість повітряного може забезпечити значну економію електроенергії тому, що потужність електродвигунів вентиляторів може становити до 60-120 кВт. При повітряному охолодженні в робочий простір печі надходить частина холодного повітря, що приводить до необхідності додатково збільшувати витрату палива. Рядом авторів відзначена загальна економія палива при роботі печі з випарним охолодженням на рівні 7% і економія електроенергії. Важливим аргументом на користь застосування випарного охолодження є можливість використання для потреб підприємств отриманої пари. Таким чином, використання СВО дає можливість збільшити міжремонтний термін при економії вогнетривких матеріалів для кладки стін печі. Виконані техніко-економічні розрахунки для застосування випарного охолодження стосовно даної промислової скловарної печі показали доцільність його використання для підвищення терміну експлуатації печі.

За допомогою створеної математичної моделі досліджено режими роботи панелі з вогнетривким брусом різної товщини, а також при руйнуванні жаростійкого бетону панелі. Визначено розподіл та перепади температур ?Т в панелі при температурі скла на поверхні бруса на рівні Тск=1100-1400 оС. Виконані розрахунки свідчить про те, що при наявності перед елементом СВО вогнетривкого брусу зафіксовано температури на стику матеріалів 135-145оС. При руйнуванні брусу на 50% температура на стику вогнетривів і бетону панелі сягає 160-1800С. При повному руйнуванні брусу має місце контакт розплаву безпосередньо з поверхнею бетону елемента, температура бетону в міжтрубному просторі сягає 150-350оС (рис. 9). Установка ізоляції між бетоном і сталевим корпусом є доцільною тому, що температура корпусу стабілізується на рівні 40-600С. Результати досліджень підтвердили працездатність запропонованої конструкції панелей СВО.

Викладено технологічні особливості створення оригінальної дослідно-промислової скловарної печі з СВО. Відпрацьовано методичні і технологічні питання виготовлення, монтажу і експлуатації СВО з елементами плоскої форми. Розроблено методику проведення промислових досліджень на дослідно-промисловій печі з СВО, виконані роботи з виготовлення і установки термодатчиків, розроблено вимірювальну схему.

Робочі елементи СВО після зборки, гідравлічних випробувань екранів і бетонування були встановлені із зовнішньої сторони кладки по периметру басейну (рис. 10). На рисунку цифрами визначено: 1 - скломаса; 2 - зона руйнування вогнетривів; 3, 4 - кладка стін; 5 корпус панелі СВО; 6 - шар термоізоляції; 7, 15 - верхній і нижній колектор; 8, 17 - патрубок; 9 - вихід пароводяної суміші; 10 - труби екрану 11, 13, 14 - термодатчики; 12 - наповнювач панелі; 16 - вхід води; 18 - подина. Два циркуляційних контури утворено системою опускних і підйомних труб, що з'єднують