Разработка и совершенствование систем отопления и конструкций печей скоростного конвективного нагрева металла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Власова, Инга Николаевна

• Власова, Инга Николаевна
• 1983

Оглавление диссертации Власова, Инга Николаевна

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ. ОБЗОР.

1.1. Анализ существующих конструкций и тепловой работы скоростных горелок

1.2. Аэродинамические процессы смешения струй

1.3. Конвективный теплообмен и аэродинамика в нагревательных устройствах с тангенциальным подводом греющих газов

1.4. Выводы и постановка задачи исследований

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЗДУХООХЛАВДАШЫХ ГОРЕЛОК.

2.1. Технические требования к горелке

2.2. Экспериментальный образец горелки.

2.3. Методика измерений

2.4. Оптимизация конструктивных параметров горелки с применением теории математического планирования эксперимента

2.5. Программа исследований

2.6. Методика обработки экспериментальных данных

2.7. Погрещность измерений

2.8. Результаты исследований

2.8.1. Смесеобразование в камере горения

2.8.2. Температура и состав продуктов сгорания по длине струи.

2.8.3. Теплообмен в контуре охлаждения

2.8.4. Гидравлическая характеристика горелки

2.8.5. Аналитическое исследование теплообмена в горелке.

2.9. Инженерная методика и пример расчета горелки

2.9.1. Расчет смесеобразования и гидравлического сопротивления

2.9.2. Расчет максимальной температуры стенки камеры горения

2.10. Разработка ряда горелок СБП.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и совершенствование систем отопления и конструкций печей скоростного конвективного нагрева металла»

В задачах, поставленных ХХЗГ1 съездом КПСС, утвердившим "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года", обращено особое внимание на необходимость постоянного снижения удельных затрат сырья, топлива, лучшего использования производственных мощностей, повышения качества продукции на основе всемерного использования достижений научно-технического прогресса [I].

Этому генеральному направлению развития экономики должны в полной мере соответствовать как эксплуатируемые, так и вновь разрабатываемые печные агрегаты для нагрева металла.

Современное кузнечно-штамповочное производство предъявляет ряд требований к средствам нагрева, главными из которых являются: быстрый и равномерный нагрев металла с минимальным окислением и обезуглероживанием поверхностного слоя, низкий удельный расход энергоносителя, автоматизация процесса нагрева, малая тепловая инерция печи.

Газовые печи скоростного конвективного назтрева металла, в которых доля конвекции превышает в общем тепловом потоке к нагреваемому изделию 25% [2], а скорость нагрева приближается к скорости нагрева в индукторе, вполне удовлетворяют этим требованиям. Печи обладают малой тепловой инерцией, высоким КПД, имеют низкий удельный расход топлива, малые габариты, поэтому применение печей скоростного конвективного нагрева металла является перспективным.

Работы отечественных авторов [3-7} и зарубежные источники [8, 9] подтверждают высокую технико-экономическую эффективность применения скоростного конвективного нагрева. Удельные расходы топлива на нагрев в печах такого рода существенно ниже расходов в обычных пламенных печах рЮ, II].

Системы отопления скоростных конвективных печей оснащаются горелками, имеющими скорость истечения потока продуктов сгорания 80-200 м/с. Камеры горения скоростных горелок, подвергаемых интенсивному разрушающему воздействию высокотемпературных продуктов сгорания выполняются из керамических и металлических материалов. Срок службы керамических камер, особенно их выходных сопел, сильно ограничен, поэтому обоснованно все большее распространение горелок с металлическими воздухоохлаждаемыми камерами :горения.

Применяемые в печах скоростного нагрева металлические воздухоохлаждаемые горелки полного предварительного смешения типа ТВ имеют ряд недостатков: высокое гидравлическое сопротивление по воздуху, недостаточную надежность работы в системе автоматического регулирования печей; не приспособлены к работе на подогретом воздухе [2б], т.е. не могут использоваться на современных экономичных рекуперативных печах.

Создание усовершенствованных горелок, работающих на подогретом воздухе, является актуальной задачей.

Печи скоростного конвективного нагрева делятся на два основных типа: струйного нагрева, при котором струи продуктов сгорания направляются непосредственно на поверхность металла [б, 6,12-16, 18]; циклонно-вихревого нагрева, при котором создается вращательное движение газов в объеме печи вокруг нагреваемой заготовки (садки).

Печи циклонно-вихревого типа следует рассматривать как более универсальные нагревательные устройства по сравнению со струйными. Эти печи обеспечивают интенсивный, но более равномерный нагрев за счет весьма равномерного омывания потоком греющих газов поверхности заготовок, приспособлены к обработке изделий в широком диапазоне длин, профилей, диаметров [17-18].

Однако, несмотря на имеющиеся экспериментальные и практические данные [г7-25~] остаются недостаточно изученными вопросы конвективного теплообмена в печах циклонно-вихрево-го типа.

Дальнейшее повышение технико-экономической эффективности печей скоростного конвективного нагрева (т.е. снижение удельных расходов топлива, расширение сферы применения печей циклонно-вихревого типа| требует совершенствования системы отопления, применения топливо-сжигающих устройств, работающих на подогретом воздухе.

Применяемые для массового изготовления металлических рекуператоров и скоростных горелок жаростойкие стали с относительно небольшим содержанием дефицитного никеля ограничивают подогрев воздуха в рекуператорах до 400°С. Однако и при этой температуре подогрева экономия топлива может достигать 25% [27].

Цель работы - разработка конструкции скоростной металлической. воздухоохлаждаемой горелки, работающей на подогретом до 300-400°С воздухе и на ее основе усовершенствование системы отопления печей скоростного конвективного нагрева, разработка методов интенсификации теплообмена и повышение производительности печей циклонно-вихревого типа; внедрение разработанных конструкций в промышленность.

Для осуществления поставленных задач проводилось: по горелке - исследование смесеобразования, теплообмена и гидродинамики, создание инженерной методики расчета горелок; по печи - экспериментальное исследование аэродинамики и теплообмена при аксиальном, эксцентричном и двухрядном расположении нагреваемых заготовок, усовершенствование методики теплового расчета печей циклонно-вихревого типа.

В I главе диссертационной работы приведен анализ существующих конструкций и тепловой работы скоростных горелок, изучены процессы смесеобразования в камере горения, пути снижения аэродинамического сопротивления, проанализированы исследования конвективного теплообмена и аэродинамики в нагревательных устройствах с тангенциальным подводом греющих газов, рассмотрены конструкции циклонных печей. На основании литературного обзора сформулированы задачи собственных исследований.

2 глава посвящена исследованиям в скоростной металлической воздухоохлаждаемой горелке смешения газа и воздуха в объеме камеры горения, связи процесса смесеобразования с процессом выгорания газа в камере; установлению закономерностей теплообмена в кольцевых каналах контура охлаждения горелки, разработке инженерной методики расчета горелок.

В 3 главе приведены результаты экспериментального исследования циклонно-вихревой камеры и получены расчетные критериальные зависимости по теплообмену и гидродинамике в рабочем пространстве печи. Приведены результаты по нагреву заготовок в вихревой камере, оснащенной скоростными горелками. Представлена усовершенствованная инженерная методика расчета печей циклонно-вихревого типа.

В 4 главе описаны конструкции печей скоростного конвективного нагрева циклонно-вихревого и струйного типа, в системах отопления которых установлены разработанные горелки.

Выводы по работе обобщают основные ее результаты; изложены рекомендации по проектированию скоростных металлических воздухоохлаждаемых горелок, а также печей вихревого типа.

В приложениях приведены расчеты экономической эффективности применения печей скоростного конвективного нагрева и скоростных горелок.

Список литературы диссертационного исследования Власова, Инга Николаевна, 1983 год

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М., Политиздат, I98I, 223 с.

2. ЕриноБ А.Е., Сорока Б С Рациональные методы окигания газового топлива Б нагревательных печах. Киев, Техника, 1970, 252 с.

3. Скоростные потоки продктов сгорания как источник интенсификации нагрева металла. /Барк Е., Бергауз А.Л., Локшин О.А. и др. Б сб. Теория и практика сжигания газа, Л. Недра, 1972, вып. 5, с. 291-300.

4. Исследование обтекания цилиндрической заготовки осесимметричноЁ струей в печах скоростного нагрева атакующими струями. /Арутюнов В.А., Асцатуров В.Н., Берковская П.С. Печи и сушила машиностроительной промышленности. Сб. трудов ВНИПИТеплопроект. Вып. 36, М., 1975, с. 38-44.

5. Печи скоростного конвективного нагрева, /Бергауз А.Л,, Розенберг М.А., Рыбаков А.Д. и др. Кузнечно-штамповочное производство, 1978, Л 3, с. 34-36.

6. Нагрев заготовок в печи атакующими струями на сплошном керамическом поду. /Асцатуров В.Н., Кривандин В.А., Краснокутский П.Г. и др. Кузнечно-штамповочное производство. 1977. 10, с. 45-47.

8. Энно И.К. Состояние и перспективы совершенствования печей кузнечно-штампоБочного производства. Материалы семи9. Ильина Е.Н., Уткина Л.Д. Блияние изменения цен на энергоносители на эффективное использование природного газа,Использование газа в народном хозяйстве, Реф. сб. БНИИЭГазпрома, 1982, вып. 7, 33 с. 12. О некоторых особенностях тепловой работы печей скоростного струйного нагрева. /Барк С Е Бергауз А. Л., Розенберг М.А. и др. Кузнечно-штампоБОчное производство, 1976. 5, с. 39-41.

12. Исследование теплообмена в печах скоростного струйного нагрева. /Асцатуров Б.Н., Берковская П С Коновалов А.А. Цузнечно-штампоБОчное производство, 1978, 3, с. 39-41. 17.

14. Стерлингов Б.В., Зайцев Б.П., ТУсаров Б.Ф. Блияние угла ввода потока на конвективный теплообмен в вихревых нагревательных устройствах. Кузнечно-штампоБОчное производство, 1973, 9, с. 42-45.

15. Барк С Е Бергауз А.Л. Скоростной нагрев стали в газовых печах циклонно-вихревого типа. Кузнечно-штамповочное производство, 1974, \Ь 2, с 31-33.

16. Сабуров 3.H. Теплоотдача в поле центробежных сил. Ленинградская ордена Ленина лесотехническая академия имени М.Кирова, Л., 1979, 48 с.

17. Бергауз А.Л., Розенберг М.А. Газовые печи скоростного конвективного нагрева. Использование газа в народном хозяйстве. Реф. сб. БНИИЭГазпрома, 1978, 60 с.

18. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. М., Металлургия, 1975, 294 с.

22. Розенфельд Э.И. Газовые горелки. Серия: Теплотехнические характеристики топлива. Итоги науки и техники. М., ВИНИТИ, 1973, 123 с.

23. Скоростная горелка с керамическим цилиндрическим туннелем /в.Г.Абрамович, Т.И.Алексеев, I.М.Новиков. ВНИЙЭГазпром, серия использование газа в народном хозяйстве. М., 1973, с. 21-26.

24. Опыт пуска и наладки нагревательных и термических печей, оснащенных скоростныли горелками. Шадрин А.П., Стрига В.Ф., Попов B.C. Конструкции и строительство тепловых агрегатов. С б трудов ВНИПИТеплопроект. М., 1979, вып. 50 с.

25. Петров Н.Ф., Лигостаев Б.М. Исследование, разработка и промышленное внедрение скоростных горелок с частичным и воздушным охлаждением камеры горения. Тезисы всесоюзного совещания. Теория и практика сжигания газа. М., I98I, с. 69-71.

26. Патент Франции, кл. F 2 3 d 1/02, i 2232966, опубл. 07.02.1975 г.

27. Пилипенко Р.А., Еринов А.Е. Разработка, исследование и применение скоростных горелок ГН. В сб. Теория и практика сжигания газа. I I98I, 7, с. 226-236.

30. Schafer G. Gas Warme International, 1973.22, f 6,309-314.

31. Алексеев Т.И. Расчетно-экспериментальное исследование процесса горения в туннельных горелках. Автореф. диссерт. кандидата техн. наук. Л., 1977, 24 с.

32. Шатиль А.А. Сжигание природного газа в камерах сгорания газотурбинных установок. Л., Недра, 1972, 232 с.

33. Скоростные горелки: разработка и эксплуатавдя /Б.ергауз А.Л., Власова И.Н., Локшин А., Розенберг М.А. Газовая промышленность. 1980, I 3, с. 57-59.

34. ПацкоБ Е.А., Розенфельд Э.И. Основы расчета горелок с Бысококскоростным потоком продуктов сгорания. Газовая промышленность. 1972, 8, с. 30-34.

35. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М., Физматгиз, I960, 715 с.

36. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., Недра, 1976, 888 с.

37. Булис Л.А., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л., Энергия, 1978, 216 с.

38. Булис Л.А., Кашкаров Б.П. Теория струй вязкой жидкости. М., Наука» 1965. 432 с.

39. Миткалинный В.И. Струйное движение газов в печах. М., Металлургиздат, I96I, 184 с.

40. Палаткин И.Б., Темирбаев Д.Ж. Закономерности распространения воздушной струи Б сносящем поперечном потоке. В сб. Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Вып. 4, Алма-Ата, Наука, 1967, с. 196-216.

41. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства. М., Недра, 1972, 375 с.

42. Иванов Ю.В., Гендриксон Б.А. Закономерности изменения осевой скорости осесимметричной струи в поперечном потоке. "Теплоэнергетика", 1968, W I I с. 24-26.

43. Кабаков Г.К. Исследование струйных смесителей газа и воздуха. Сб.Металлургическая теплотехника. М., Металлургия, 1974, с. 118. 60. БШйПромгаз. Заказ-наряд 2-1-23/

44. Единая методика расчетов газогорелочных устройств. Этап П. Усовершенствование методов и средств расчета газогорелочных устройств. 1980. 235 е., Гос. регистращи 80047002.

45. Ахмедов Р.Б. Дутьевые газогорелочные устройства. М., Недра, 1970, 264 с.

46. Глинков М.А. Основы общей теории печей, Металлургиздат, М., 1962, 575 с.

47. Циклонные топки /Под общей редакцией Кнорре Г.Ф., Наджарова М.А. М Госэнергоиздат, 1958, 216 с.

48. Булис Л.А., Устименко Б.П. Об аэродинамике циклонной топочной камере. Теплоэнергетика, 1954, f 9, с. 3-10. 6&. Гидродинамика и теплообмен циклонной камеры с многосторонним подводом воздуха. /Бухман М.А., Вышенский Б В Устименко Б.П. В сб. Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики вып.

50. Бухман М.А. Экспериментальное исследование аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных камерах с распределенным по периметру подводом воздуха: Автореф. диссерт... кандидата техн. наук, Алма-Ата, 1970,,23 с.

51. Методика аэродинамического расчета циклонно-вихревых нагревательных устройств. РИОАЛТИ, 1979, 32 с,

52. Сабуров З.Н. Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах. Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1982, 240 с.

53. Сабуров Э.Н., Карпов С Б О методике расчета аэродинамики циклонно-вихревых нагревательных устройств. Изд. ВУЗов СССР, Энергетика, 1975, f 8, с. 71-77.

54. Штым А.И. Исследование аэродинамики циклонно-вихревых камер на основе существующих экспериментальных данных. Автореф. диссерт.... кандидата техн. наук. Л., 1965 (ЛПИ им. М.И.Калинина), 15 с.

55. Бергауз А,Л. Разработка и исследование циклонно-вихревых устройств для скоростного нагрева металлов. Диссерт... канд. техн. наук. М.» 1972, 216 с.

56. Пуговкин А.У. Рециркуляционные пламенные печи. I Машиностроение, 1975, 20Q с,

57. Пуговкин А,У. Нагрев крупногабаритных изделий в пламенных печах садочного типа. Металловедение и термическая обработка металлов, 1970, Ъ 8, с. 21-24.

58. Определение кратности циркуляции и коэффициента сохранения скорости в вихревой топке ЦКТИ./Голованов Н.Б., Кацнельсон Б.Д., Попов А. А. и др. Труды ЦКТИ, вып. 132, Л., 1975, с. 24-26.

59. Тонконогий А.В., Вышенекий Б.Б. Исследование конвективного теплообмена на моделях циклонных камер. В сб. Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики, 1964, с. 183-205.

60. Мельников Б.К., Сухович Е.П. Конвективный теплообмен Б вихревой камере. Известия А Латвийской ССР, серия Н физических и технических наук, 1967, f 2, с. 69-71.

61. Дружинин Г.М. Экспериментальное исследование влияния конструкций промышленных газогорелочных устройств на теплоотдачу от факела. Автореф. диссерт.... канд. техн. наук. Свердловск, 1973, 20 с.

62. Сабуров Э.Н., Михайлов П.М., Быстров П.Г. Конвективный теплообмен в вихревом потоке. Энергомашиностроение, 1969, f- I I с. 23.

63. Сабуров Э.Н., Карпов С Б Исследование конвективного теплообмена в вертикальной циклонной нагревательной ка64. Сабуров Э.Н. О проектировании цикленно-вихревых нагревательных устройств. Промышленная энергетика, 1975, В 9, 81. с. 30-

65. Полетаев Я.Б. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена в секционных печах.- Использование природного газа в промышленности.- Материалы Ш научно-технической конференции, Киев, Наукова думка, 1976, с, 78-

66. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. М., Наука, 1982, 472 с.

67. Уилсон Н., Медуэлл Дж. Анализ развития турбулентного динамического и теплового пограничных слоев в нагреваемом изнутри канале кольцевого сечения. Труды американского общества инженеров-механиков. Теплопередача, I97I, }Ь I с. 26-34.

68. Интенсификация теплообмена в каналах. /Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, А.Ярхо. М.,Машиностроение, I98I, 2 0 5 с

69. Ильин 1.И. О влиянии температуры на конвективную теплоотдачу. В сб. Теплопередача и аэродинамика. М,, ЦКТИ, 1950, кн. 18, вып. 4, с. 4-36.

70. Иванова А.Б. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена и гидросопротивления в трубах, В сб. Конвективный теплообмен при течении газов в трубах. Доклады на семинаре вИ.А.З. им,И.Б.Курчатова,4Я,, 1975, с. 15-19.

71. Керн Д. и Краус А. Развитие поверхности теплообмена. Пер. с англ. М., Энергия, 1977, 464 с,

72. Справочник конструктора печей прокатного производства. /Под общей редакцией Тымчака Б.М. -М., Металлургия, 1970, т. I, 575 с.

73. Скоростные горелки: разработка и эксплуатация /Бергауз A I Власова И.Н., Локшин А. и др. Газовая промышленность, 1980, Ш 3, с. 57-59. 96. ПоБХ И. Л. Аэродинаглический эксперимент в машиностроении.М.: Машиностроение, 1963, 480 с.

74. Расчет теплообмена в секционной печи. Шкляр Ф.Р., Тимофеев В.Н., Раева М.В. Б сб. научн. трудов БНИИМТ, Свердловск, 1969, Jf 19, с. 220-226.

75. Кейс Б.М. Конвективный тепло-и массообмен. М., Энергия, 1972, 448 с.

76. ТаицН.Ю., Розенгарт Ю.И. Методические нагревательные печи. М., Металлургиздат, 1964, 408 с.

77. Идельчик И.Э. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Машиностроение, 1975, 559 с.

78. Бергауз А.Л., Власова И.Н. Газовый нагрев стальных заготовок перед резкой. Использование газа в народном хозяйстве. Реф. сб. БНИИЗГазпрома, М., 1976, вып. 8, с. I I I 9

79. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., Наука, 1976, 279 с.

80. Годовой фонд работы печи при 2-х сменном режиме работы/

81. Расход топлива на нагрев дизтоплива природный газ

82. Стоимость топлива ЕГ тч кг/ч м/ч РУб/т РУб/м 764 2987 3910 130 2000 7820 3910 250 дизтоплива природного газа

83. Установленная мощность электро двигателей на печи на прессе

84. Стоимость электроэнергии, включая плату за установленную мощность

86. Амортизационные отчисления 75 0,022 КВТ 2.5 47,5 22,0 68,0 руб/квтч 0,019 РУб руб 8700 ЗбООО 0,019 7510 66000 18.8 6,4 I по печи по прессу

87. Обслуживающий персонал в I смену 18.8 6.4 I чел

88. Текущий ремонт печи а/количество ремонотов в год малых ед. средних т"б/категория сложности 1-го ремонта малого среднего 13в/стоимость единицы ремонтной сложности малого руб среднего

89. Текущий ремонт пресса а/количество ремонотов в год малых ед. средних -"б/категория сложности 1-го ремонта малого и среднего/ в/стоимость одной единицы ремонтной сложности малого руб среднего -"

91. Расход электроэнергии а) по печи 1.5JL1.7 X 0,019 о 04 руб/т 0,764 б) по прессу 47.5 X 0.8 X 0,25 х 0,019 о,24 руб/т 0,764 IlToro: 0,28 руб/т 12,76 руб/т 1де 0,7 коэффищент использования мощности JT/crrrpopSuP-aj/f печи:

94. Аглортнзацяонные отчисления а) по печн 0,96 X 0,188 0,18 руб/т б) по прессу 8,44 X 0,064 0,54 руб/т Итого: 0,72 руб/т