Исследование и разработка способов интенсификации лучистого теплообмена в металлургических печах за счет повышения степени черноты поверхностей теплообмена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Чернов, Владимир Викторович

• Чернов, Владимир Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернов, Владимир Викторович

Введение.

1. Анализ влияния степени черноты поверхностей на лучистый теплообмен в тепловых агрегатах.

1.1. Влияние степени черноты поверхности источников тепла на лучистый теплообмен.

1.2. Влияние степени черноты тепловоспринимающих поверхностей на лучистый теплообмен.

1.3. Влияние степени черноты поверхностей - переизлучателей на лучистый теплообмен.

1.4. Выводы, постановка цели и задач исследования.

2. Разработка покрытий для интенсификации теплообмена излучением.

2.1. Способы нанесения покрытий на металл.

2.2. Исследование поверхностных радиационных характеристик реальных непрозрачных материалов.

2.3. Анализ погрешностей эксперимента и точности полученных результатов.

2.4. Разработка составов высокотемпературных покрытий с высокой степенью черноты на стальные конструкции.

2.5. Исследование основных эксплуатационных характеристик покрытий.

2.6. Выводы.

3. Исследование теплообмена при использовании покрытий на экспериментальных установках.

3.1. Модель трубчатой печи.

3.2. Модель трубчатого радиационного рекуператора.

4. Определение эффективности использования покрытий с высокой степенью черноты на тепловоспринимающей поверхности промышленных теплообменников.

4.1. Влияние подогрева воздуха в рекуператорах на работу металлургических печей.

4.2. Оценка возможности использования покрытий для интенсификации теплообмена в рекуператорах.

4.3. Трубчатый металлический радиационный рекуператор.

4.4. Струйный металлический рекуператор.

4.4. Промышленное использование разработанного покрытия на поверхности парогенератора СПГ - 28 солнечной электростанции СЭС-5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка способов интенсификации лучистого теплообмена в металлургических печах за счет повышения степени черноты поверхностей теплообмена»

Развитие современной техники характеризуется всемерной интенсификацией процессов, протекающих в различных установках и аппаратах, что влечет за собой необходимость создания качественно новых конструкций с применением материалов, которые подчас должны сочетать в себе разнородные свойства и обладать высокими физико-техническими характеристиками. Это относится и к теплообменным установкам, наиболее распространенными среди которых являются металлургические печи.

Коэффициент полезного действия большинства металлургических печей составляет 0,2 - 0,6. Повысить значение к.п.д. печи можно путем интенсификации теплообмена излучением, который в большинстве металлургических печей является преобладающим, а в некоторых - единственно возможным.

Одним из способов управления лучистым теплообменом в промышленных тепловых агрегатах является направленное изменение радиационных характеристик участвующих в нем поверхностей за счет нанесения на них покрытий. Эти покрытия могут играть, как роль интенсификаторов теплообмена, так и катализаторов процессов восстановления в топливных печах оксидов азота, образующихся при сжигании топлива. В качестве подложки для нанесения покрытий могут использоваться различные огнеупорные материалы или стальные конструкции элементов рабочего пространства тепловых агрегатов.

Данная работа посвящена повышению степени черноты поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене, путем нанесения покрытий. В процессе исследований выполнен анализ влияния степени черноты поверхностей на теплообмен, из которого следует, что повышение степени черноты излучателей и тепловоспринимающих поверхностей интенсифицирует теплообмен излучением прямо пропорционально увеличению их степени черноты. Аналитически, за счет разделения теплового потока от кладки собственным излучением на составляющие по длинам волн полос поглощения и окон прозрачности продуктов горения, удалось количественно оценить влияние степени черноты кладки на тепловой поток к металлу, который при повышении степени черноты кладки увеличивается незначительно. Например, повышение степени черноты внутренней поверхности кладки (X) с 0,5 до 0,9 увеличивает долю лучистого теплового потока только от кладки, достигающую поверхности металла, с 7,3 % до 11,9 % (степень черноты продуктов горения изменяется от 0,2 до 0,35 при угловых коэффициентах: кладка - нагреваемый материал <рк.м - 1 и продукты горения - нагреваемый материал (рг.м =1). Если принять во внимание еще и излучение газов на металл и более сложную геометрию системы, то доля излучения продуктов горения после взаимодействия с кладкой в общем тепловом потоке, падающем на металл, будет уменьшаться.

Разработаны составы покрытий с высокой излучательной способностью (степенью черноты) и технология их нанесения на поверхность сталей, исследованы их радиационные и рабочие характеристики и определена эффективность использования для интенсификации теплообмена излучением в тепловых агрегатах.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Чернов, Владимир Викторович

4.5. Выводы по работе.

1. Впервые аналитически, за счет разделения теплового потока от кладки собственным излучением на составляющие по длинам волн полос поглощения и окон прозрачности продуктов горения, удалось количественно оценить влияние степени черноты кладки на тепловой поток к металлу. При теплообмене между продуктами горения топлива (с учетом селективности их радиационных свойств) и поверхностью нагреваемого тела с участием кладки, ограничивающей рабочее пространство теплового агрегата, повышение степени черноты внутренней поверхности кладки (ек) с 0,5 до 0,9 увеличивает долю лучистого теплового потока только от кладки, достигающую поверхности металла, с 7,3 % до 11,9 % (при угловых коэффициентах: кладка - нагреваемый материал срк.м - 1 и продукты горения -нагреваемый материал <рг.м = 1). Увеличение относительного теплового потока к металлу при равномерно распределенном режиме теплообмена с учетом теплового потока и от газов (ег = 0,35, <рк.м = 0,3 и (рг.м = 1) в зависимости от роста ек (sK = 0,5 - 0,9), составит, соответственно, от 1,7 % до 2,39 %, т.е. гораздо меньше.

2. Предложена и теоретически обоснована интенсификация теплообмена излучением за счет нанесения покрытий с высокой степенью черноты на теплопоглощающие поверхности промышленных теплообменников (радиационные металлические рекуператоры, трубчатые печи, парогенераторы котельных агрегатов). При этом нужно учитывать, что использование покрытий для повышения степени черноты поверхностей - переизлучателей (кладки) дает незначительное увеличение теплового потока, падающего на поверхность нагреваемого тела (металла, труб с теплоносителем и т.п.).

3. На основе известных кремнийорганических (КО - 818, 819) и неорганических (ЭВТ - 24) высокотемпературных защитных эмалей разработаны новые покрытия металлов, отличающиеся высокой степенью черноты в ближней инфракрасной области спектра излучения. Эти покрытия предназначены специально для повышения степени черноты металлических поверхностей теплообмена. Составы покрытий следующие (в % по массе сухой смеси): 1) 70 % КО + 30 % B4Si; 50% КО + 50 % SiC - для применения на поверхности углеродистых и легированных сталей при температурах до 700 °С; 2) 50 % ЭВТ + 50 % B4Si - для сплавов 40X13 и ХН45Ю (рабочая температура до 1050 °С); 3) 50 % ЭВТ + 50 % Со2Оз - для сплавов 20Х23Н18, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9 (рабочая температура до 1050 °С). Разработана технология нанесения перечисленных покрытий на поверхность металлоконструкций.

4. Для определения эффективности применения разработанных покрытий были проведены исследования на экспериментальной лабораторной установке, моделирующей теплообмен излучением в трубчатом радиационном рекуператоре, и на огневом стенде, представляющем собой модель трубчатой печи. На моделях испытывались покрытия на основе кремнийорганической эмали с добавлением 30 % B4Si. Результаты исследований показали, что применение покрытия с высокой степенью черноты позволяет увеличить температуру подогрева воздуха в лабораторной установке на 10 - 13 %. На огневом стенде за счет нанесения покрытий поглощение тепла теплоносителем (водой) увеличилось на 16,5 %.

5. Определение целесообразности применения покрытий на теп-ловоспринимающей поверхности рекуператоров было проведено при помощи вычислительных экспериментов с применением типовых методик расчета рекуператоров. Получены следующие результаты: 1) при увеличении степени черноты тепловоспринимающей стенки струйного рекуператора с 0,6 до 0,8 коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к стенке рекуператора увеличивается на 24,5 %, температура подогрева воздуха в рекуператоре увеличивается на 46 К; 2) аналогичное изменение е при расчетах трубчатого радиационного рекуператора ведет к повышению температуры нагреваемого воздуха на 31 К. Сравнение тепловых балансов подогревательной печи сортопрокатного цеха завода «Серп и

Молот» при увеличении температуры нагрева воздуха в рекуператоре на 50 К (с 400 °С до 450 °С) показывает, что возможно снижение расхода природного газа на 9 % (117 м3/ч).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернов, Владимир Викторович, 2004 год

1. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков JI.H. Теплообмен излучением: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

2. Абрамович Б.Г., Голдштейн B.JI. Интенсификация теплообмена излучением с помощью покрытий. М.: Энергия, 1997. - 250 с.

3. Alexander I.C. High reflectivity furnace coatings. // Metals and materials. January. 1988. P.25-27.

4. Кривандин B.A., Арутюнов B.A., Белоусов B.B. и др. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. М., «МИСиС», 2002.

5. Пикашов B.C., Великодный В.А. Влияние радиационных характеристик поверхности на эффективное излучение в различных моделях теплообмена // Промышленная теплотехника. 1986. № 3. С.81 87.

6. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огне-технических установках. М.: Энергия, .1970. 400 с.

7. Бруснецова В. Н., Плетенев Д. В. Основы технологии износостойких и антифрикционных покрытий. М.: Машиностроение, 1968. - 272 с.

8. Самсонов Г. В., Эпик А. Н. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.-349 с.

9. Collins L. W. Plasms-deposited Aluminium Oxide Shields Tel-star in Orbit. — Machinery, 1963. V. 69. № 11. P. 80-83.

10. Пивоваров Г. Я. Технологические процессы электровакуумного производства. М.: Энергия, 1966. - 304 с.

11. Akroyd Р. Т. Iodine in Industry. — Machinery Lloyd, 1959. V. 31, № 20A. P. 49-51.

12. Yaffe M. L. Paint Gives Missiless Thermal Protection.— Aviation Week, 1959. V. 71, №23. P. 102-105.

13. Zerlaut G. The Development of S— 13G type thermal control Coatings based on Silicate Treated Zine Oxide. — AJAA paper, 1968, № 68-790. P.l-15.

14. Григорьев П. H., Матвеев М. А. Растворимое стекло. М.: Гос-стройиздат, 1956. - 443 с.

15. Blair P. М., Pezdirtz G. F. Ultraviolet Stability of Some White Thermal Control Coatings Characterized in Vacuum. — AJAA Paper, 1967, №67-345. P. 1-9.

16. Sibert M. Inorganic Coating System of Variable Black to-White Composition. — Indust. and Eng. Chem. Prod. Res. Developm., 1963. V. 2. № 3. P. 240-244.

17. High-temperature Inorganic Coatings. Ed. C. Huminik. Rein-hold Pub-liching Co., N. Y. 1963. 339 p.

18. Hayes R., Atkinson W. Thermal Emittance of Materials for Spacecraft // Ceramic bul. 1964. V. 43. № 9. P. 616-621.

19. Антошин E. В. Нанесение покрытий способам газопламенного напыления. М.: Машгиз, 1958. - 84 с.

20. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. М.: Машиностроение, 1966. - 432 с.

21. Freden S. С. Aluminium Oxide Coating // Phys. Rev. Letters. 1959. № 3.P. 9-15.

22. Жоров Г. А. Установка для определения степени черноты // Заводская лаборатория. 1963. Т. 29. № 4. С. 490-492.

23. Thosten М., Hibbs P., Buwalda G. Temperature Control Explorer and Pioneer. — In: Surface Effects of Spacecraft. N. Y., 1960, p. 55-58.

24. Fan С. Y. e. a. Space Research II, Kallman Bild, Bd. Amsterdam, North. Holland Publishing Co., 1965. P. 951-966.

25. Ortner M. Recent Developments in Electroforetic Coatings // Plating. 1964. V. 51. №9. P. 885 889.

26. Технология эмали и эмалирование металлов / Под ред. В. В. Варгина. М.: Стройиздат, 1965. - 399 с.

27. Петцольд А. Эмаль. М.: ГНТИ лит. по черной и цветной металлургии, 1958. - 512 с.

28. DeCorso S. М., Coit R. L. Measurement of Total Emissivities of Gas Turbine Combustor Materials // Trans. ASME. 1955. V. 77. № 8. P. 1189 -1197.

29. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. Л.: Химия, 1976. 295 с.

30. Economos G., Kingery W. D. Metal Ceramic Interactions: II, Metal-Oxide Interfacial Reactions of Elevated Temperatures.— «J. Amer. Ceramic Soc.», 1953, v. 36, № 12, p. 403-409.

31. Пауэлл К. Осаждение из газовой фазы. М.: Атомиздат. 1970.472 с.

32. Хрустал ев Б. А. Методы исследования радиационных свойств поверхностей твердых тел .- В сб.: Лучистый теплообмен. Калининград. 1974. С.5-51.

33. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир. 1975. 934 с.

34. Хрусталев Б.А. Радиационные свойства твердых тел // ИФЖ. 1970. Т. 18. №4. С. 740-762.

35. Вознесенский А.А., Ферт А.Р. Исследование степени черноты материалов//ИФЖ. 1967. Т.12. С.610-614.

36. Сперроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия. 1971. 294 с. с ил.

37. Аверков Е.И. Экспериментальное исследование спектральных радиационных характеристик теплозащитных материалов. Новосибирск. 1978. 36 с. /Препринт ИТФ СО АН СССР №28-78/.

38. Слободкин JI.C., Сотников-Южик Ю.М. Методы определения терморадиационных свойств полимерных покрытий. Минск.: Наука и техника. 1977. 158 с. с ил.

39. Sanders C.L., Middlton W. The absolute spectral diffuse reflectance of magnesium oxide in the near infrared "JOSA", 1953, v. 43 №1, p.58.

40. Neher R., Edwards D.K., Fra infrared reflectometer for Imperfectly diffuse Spicement. Appe. Opt, v.4, 1965, p.775-780.

41. Wood B.C., Smith A.M., Rolix J.A., Seiber. Spectral Absolute Reflectance of C02 Frosts from 0,5 to 12 m. AIAA Journal, v.8, №7, 1971, p.1338-1344.

42. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. М.: Изд-во МГУ. 1977. 111с.

43. Александров А.Н., Никитин В.А. О выборе нормалей и методах градуировки призменных инфракрасных спектрофотометров.// УФН. 1955. т.54. вып.1. с.3-53.

44. Решина И.И. Новый инфракрасный спектрофотометр НКС-21. // Оп-тико-мех. пром-сть. 1963. №5. с. 16-24.

45. Щербина Д.М., Кириченко А.П. Определение нормальной отражательной способности в широком интервале температур по индикатрисам отражения // В сб.: Исследования в области высоких температур. М.: Стандартиз. 111971. вып.110. с.71-97.

46. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ.ред. А.Е.Шейндлина. М.: Энергия. 1974. 472 с. с ил.

47. Чернов В.В., Ионочкин И.И., Запечников В.Н., Зеньковский А.Г. Исследование спектральных радиационных характеристик огнеупорных материалов компонентов терморадиационных покрытий // Огнеупоры. 1991. №7. С.28 - 30.

48. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т.1 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1978. 728 с. с ил.

49. Лакокрасочные материалы: Технические требования и контроль качества. Справочное пособие / Сост. М.И.Карякина, Н.В.Майорова, Н.В.Луговкина-М.: Химия. 1983. 336 с. с ил.

50. Солнцев С.С., Туманов А.Т. Защитные покрытия металлов при нагреве. Справочное пособие. М.: Машиностроение. 1976. 240 с. с ил.

51. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. М.: Машиностроение. 1984. 256 с. с ил.

52. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. ~М.: Энергоатомиздат. 1990. 367с. с ил.

53. Чернов В.В., Зеньковский А.Г. Разработка терморадиационных керамических покрытий и исследование их свойств // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. № 6. С. 20-21.

54. Рейбман А.И. Защитные лакокрасочные покрытия. Л.: Химия. 1982. 320с.

55. Зеньковский А.Г., Ионочкин И.И., Чернов В.В. Разработка терморадиационных покрытий с улучшенными экологическими характеристиками // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1997. № 2. С.73 75.

56. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. -М.: Энергия, 1973.- 143 с.

57. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. М.: Химия, 1977.- 376 с.

58. Чернов В.В., Смирнов В.Г., Плужников А.И., Зеньковский А.Г. Интенсификация теплообмена в трубных печах // Газовая промышленность. 1990. №10. С.24-27.

59. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. М.: Металлургия. 1975. 296 с. с ил.

60. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена.-М.: Энергоатомиздат. 1986. 151с.

61. Лукьянский А.В., Козлов А.И. Способ защиты рекуператора от пережога // Газовая промышленность. 1969. №6. С.17-18.

62. Лемех И.М., Гордин В.А. Высокотемпературный нагрев воздуха в черной металлургии. М.: Металлургия. 1963. 352с.

63. Малкин Ю.Е. Исследование радиационно-конвективного теплообмена в спиральном рекуператоре.: Дис.канд.техн.наук. М.: 1971. 160с.

64. Лукьянский А.В., Козлов А.И., Фильковский И.А. Рекуператоры из гладких и ребристых зубчатых труб // Технология автомобилестроения. 1972. №3. С.19-21.

65. Голубев Л.А. Интенсификация конвективного теплообмена в трубчатых водоподогревателях с помощью внутренних вставок.: Дис.канд.техн.наук. Каунас. 1975. 120с.

66. А.с. № 1467347. (СССР). Трубчатая вертикальная печь / Смирнов В.Г., Зеньковский А.Г., Чернов В.В. и др. // Опубл. в БИ 1989. №11.

67. А.с. № 868270. (СССР). Воздухоподогреватель /Бровкин Л.А., Коротан А.Н. // Опубл. в БИ. 1981. №36.

68. А.с. № 890026. (СССР). Рекуператор / Коротин А.Н., Калязин Ю.В., Бровкин Л.А. и др. // Опубл. в БИ. 1981. №46.

69. А.с. № 985596. (СССР). Рекуператор / коротин А.Н., Калязин Ю.В., Бровкин Л.А. и др. И Опубл. в БИ. 1982. №48.

70. А.с. №1160183. (СССР). Воздухоподогреватель / Бровкин Л.А., Коротин А.Н. // Опубл. в БИ. 1985. №21.

71. А.с. № 1268888. (СССР). Воздухоподогреватель / Бровкин Л.А. Коротин А.Н. И Опубл. в БИ. 1986. №41.

72. А.с. № 1267113. (СССР). Рекуператор / Коротин А.Н., Бровкин Л.А., Калязин Ю.В. // Опубл. в БИ. 1986. №40.

73. А.с. № 1323823. (СССР). Рекуператор / Коротин А.Н., Бровкин Л.А., Дмитриева Н.А. И Опубл. в БИ. 1987. №26.

74. А.с. №1288450. (СССР). Воздухоподогреватель / Бровкин Л.А., Коротин А.Н., Дмитриева Н.А. и др. // Опубл. в БИ. 1987. №5.

75. А.с. №1460541. (СССР). Воздухоподогреватель / Коротин А.Н., Бровкин Л.А., Никишов В.Ф. и др. // Опубл. в БИ. 1989. №7.

76. А.с. №1733851. (СССР). Рекуперативный теплообменник / Коротин А.Н., Бровкин JI.A., Дмитриева Н.А. и др. // Опубл. в БИ. 1992. №18.

77. Коротин А.Н., Дмитриева Н.А., Ерофеев А.В. Интенсификация теплообмена в радиационных рекуператорах. //Тез. докл. Всесоюз.конф. Ш Бенардосовские чтения. —Иваново. 1987. С.36-37.

78. Коротин А.Н., Никишов В.Ф., Дмитриева Н.А. Интенсификация теплообмена в радиационных рекуператорах. // Теория и практика тепловой работы металлургических печей. Тез. докл. Республ. конф. -Днепропетровск. 1988. С. 62.

79. Коротин А.Н., Никишов В.Ф., Дмитриева Н.А. Применение перфорированных ограждений для интенсификации лучистого теплообмена //Торкретирование и повышение стойкости металлургических агрегатов: Тез. докл. 2-ой Всесоюз. конф. Липецк. 1988. С. 91.

80. Жоров Г.А., Сергеев B.C. Радиационные свойства нержавеющей стали Х18Н9Т при нагревании на воздухе// ТВТ. Т.6, №2. 1968. С. 340 -342.

81. Материалы и элементы металлургических печей / Лисиенко В.Г., Гущин С.Н., Воронов Г.В. и др. Учебное пособие. Свердловск: Изд-во Уральского университета, 1989. 304 с.

82. Чернов В.В., Аксенов А.В. Интенсификация теплообмена в рекуператорах с помощью нанесения керамических покрытий // Огнеупоры и техническая керамика. 2001. № 9. С.29 31.

83. Зеньковский А.Г., Чернов В.В. Высокотемпературные покрытия элементов печей для интенсификации теплообмена // Сталь. 2001. № 11. С. 92-94.