Термическое состояние газоплотных поверхностей нагрева котлов-утилизаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Степин, Сергей Максимович

• Степин, Сергей Максимович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степин, Сергей Максимович

ВВЕДЕНИЕ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ.

1.1 Температурное поле газоплотной (цельносварной) панели. Постоянный тепловой поток.

1.2 Термические напряжения газоплотной цельносварной) панели.

1.3 Темпера турное поле огневого листа. Постоянный тепловой поток. Балансовый метод.

1.4 Температурное поле огневого листа. Постоянный коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности.

1.5 Выводы и постановка зада чисследования.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента.

2.2 Расчет погрешностей и результа ты эксперимента.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ ГАЗОПЛОТНОЙ ПАНЕЛИ.

3.1 Упрощенная методика расчета температурного поля газоплотной панели.

3.2 Сравнение результа тов расчетов по предлагаемой упрощенной методике с рез у ль та тами, имеющимися в литера туре и полученными экспериментальными данными.

3.3 Выводы.

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ ОГНЕВОГО ЛИСТА.

4.1 Основная методика расчета темпера тур ною поля огневого листа.

4.2 Условие тепловой асимметрии.

4.3 Сравнение результатов расчета температурного поля по различным методикам.

4.4 Сравнение результатов расчета температурного поля с полученными экспериментальными данными.

4.5 Влияние основных параметров на темпера турное поле.

4.6 Выводы.

5 НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОГНЕВОГО ЛИСТА.

5.1 Напряжения и деформации огневого листа.

5.2 Расчет напряжений в сварном шве по средним температурам участков.

5.3 Влияние основных параметров на напряжения в сварном шве. Сравнение результатов расчета с использованием предложенного и численного методов.

5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термическое состояние газоплотных поверхностей нагрева котлов-утилизаторов»

На сегодняшний день в металлургической промышленности имеется существенный потенциал для проведения энергосберегающих мероприятий. Различные энергоемкие производства осуществляют выброс тепловой энергии, которую необходимо использовать.

ОАО «Уралэнергоцветмет» разработана конструкция котла-утилизатора для утилизации теплоты отходящих газов печей с плавкой в жидкой ванне [1]. Одним из основных элементов данной конструкции является огневой лист (Рис. 1а), представляющий собой стальную пластину с приваренными к ней охлаждающими испарительными трубами. Отходящие газы имеют температуру 1200 - 1450°С и высокую запыленность, кроме того, в них содержится значительное количество оксидов серы. Газы имеют примерно следующий состав: N2=81%, S02=11%, Н20=5%, СО/=2%, 02=0,5%. Данная конструкция облегчает очистку теплообменных поверхностей от загрязнений, надёжно защищает поверхности теплообмена от сернокислотной коррозии в период пуска и останова котла.

Первым шагом в проектировании стенки топки котла-утилизатора является расчет ее оптимального профиля по критерию металлоемкости, который диктуется температурой окалинообразования, температурными напряжениями и в некоторых случаях температурой конденсации водяных паров. При неправильном расчете температурного поля срок службы газоплотной поверхности из-за влияния сернокислотной коррозии снижается более чем в два раза по сравнению с расчетным. При неправильном расчете поля напряжений поверхность нагрева в местах концентрации напряжений выходит из строя практически мгновенно.

На сегодняшний день не существует методики расчета температурного поля и поля напряжений огневого листа. Вследствие этого толщина листа и стенки труб, шаг между трубами и другие конструктивные характеристики определяются на основе опыта эксплуатации, что приводит, как правило, к перерасходу металла на изготовление конструкции, реже - к авариям из-за перегрева и коробления огневого листа.

Наравне с использованием огневого листа, для обеспечения герметичности топки котла-утилизатора при условии отсутствия в составе дымовых газов SO;, используют газоплотную панель (Рис. 16).

Температурное поле и поле напряжений газоплотной панели достаточно подробно исследованы. Но ввиду того, что исследования проводились в середине 70-х годов прошлого столетия, полученные результаты были представлены в виде номограмм. На сегодняшний день использование номограмм существенно затрудняет выбор оптимального профиля, а использование полученного ранее аналитического решения неудобно ввиду представления его в виде ряда с большим количеством членов. В результате возникает необходимость разработки инженерной методики расчета температурного поля газоплотной панели адаптированной под использование в пакете Excel. б. а.

Рис. 1. Конструкции исследуемых в работе газоплотных поверхностей нагрева, а - огневой лист, б - газоплотная панель

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ а - трапецеидальность ребра, равная отношению толщины вершины ребра к толщине основания

Ъ -толщина ребра для газоплотной панели и огневого листа, м св - теплоемкость воды, Дж/кг °С

Е — модуль упругости, Па h - высота ребра, м

Ка - коэффициент трапецеидальное™ (1.10) L - ширина сварного шва, м т = г -— - параметр, учитывающий условия теплоотдачи от

V а-8 охлаждающей среды q - тепловой поток со стороны газов топочной камеры, Вт/м г - радиус, м гв - внутренний радиус трубы, м гн - наружный радиус трубы, м 5 - шаг экрана, м t - температура, °С t - среднеинтегральная температура оребренной трубы или огневого листа, С tc - средняя температура охлаждающей среды в трубах, °С а - коэффициент теплоотдачи к воде,

Вт/м2К аг - коэффициент теплоотдачи к дымовым газам, Вт/м К ат — коэффициент линейного расширения, Р - отношение наружного радиуса (диаметра) к внутреннему д - толщина трубы, м

3 - величина зазора между листом и трубой, м Знепр - ширина непроваренного участка, м

I - коэффициент теплопроводности металла трубы и листа, Вт/м К /л- коэффициент Пуассона s«> - коэффициент растечки рЕ - плотность воды, м3/кг ozz - осевые напряжения, МПа арр- радиальные напряжения, МПа (Tpip - касательные напряжения, МПа ап - окружные напряжения, МПа (р -коэффициент освещенности у/ - расчетный угол, рад

Индексы: к - корень; в - вершина; р - ребро; ср - среднее; ' - вход; " -выход; л - лист; т - труба; г - дымовые газы

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Степин, Сергей Максимович

5.4 Выводы

• Расчет поля напряжений огневого листа численным методом показал, что максимальные напряжения возникают в области сварного шва. Напряжения в любой другой части огневого листа на порядок меньше, чем в области сварного шва.

• Предложена методика расчета по средним температурам участков, позволяющая с достаточной для инженерной практики точностью оценить температурные напряжения огневого листа в области сварного шва для существующих конструкций огневых листов и провести анализ влияния различных параметров на величину напряжений.

• Температурное напряжение огневого листа в первую очередь зависит от величины теплового потока, с его ростом линейно растут разности температур листа и трубы и, соответственно, напряжения.

• Влияние геометрических параметров трубы (8, dH) в пределах их возможных значений на напряжения в сварном шве несущественно. При проектировании оптимальной конструкции огневого листа, взяв за критерий надежности напряжения в сварном шве, существенными будут как размеры составляющих конструкции bus, так и технология производства (сварки), непосредственно влияющая на параметры L и

Зцепр

120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана и предложена инженерная методика расчета температурного поля для газоплотной панели взамен используемой точной методики. Расхождение методик не превышает 1%. Результаты расчета по предлагаемой методике имеют удовлетворительную сходимость с данными эксперимента.

2. Разработана и предложена аналитическая методика расчета температурного поля огневого листа. Результаты расчета по предлагаемой методике имеют удовлетворительную сходимость с результатами расчетов с использованием численного метода и с данными эксперимента.

3. Изучено влияние геометрических параметров огневого листа на его температурный режим. Определено, что наибольшее влияние на температуру поверхности листа оказывают толщина листа (Ь), шаг экрана (s), ширины сварного шва (L) и непроваренного участка (SHenp).

4. Проведен расчет поля напряжений огневого листа численным методом. Определено, что наибольшие напряжения возникают в области сварного шва.

5. Разработана и предложена методика расчета напряжений в сварном шве огневого листа по средним температурам участков, необходимая для анализа влияния геометрии огневого листа на величину температурных напряжений в сварном шве. Определено, что наибольшее влияние на напряжение в сварном шве оказывают толщина листа (Ъ), шаг экрана (s), ширины сварного шва (L) и непроваренного участка (д„епр).

121

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степин, Сергей Максимович, 2007 год

1. Добрынин, В. В., Григорьева, М. И. Котел-утилизатор для охлаждения и утилизации тепла отходящих газов в печи Ванюкова при производстве меди // Промышленная энергетика. - 2001. - №6. - С. 4-5.

2. Куцаев А.В. Аварии котлов в связи с разрывом экранных ребристых труб // Известия ВТИ. 1940. - №9.

3. Pich. R. Betrachtungen iiber die in strahlungabeheizten Rohrflossen auftretenden Warmespannungen // Energie (BRD). 1963. - №3.

4. Жолудов Я.С., Конаплев Е.И. Расчет температурного режима плавниковых экранных труб // Теплоэнергетика. 1965. - №5. - С. 71-74.

5. Жолудов Я.С., Коноплев Е.И. Влияние геометрических параметров плавниковой трубы на ее температурный режим // Энергомашиностроение. -1966.-№1.-С.10-12.

6. Корягин B.C. Расчет температурных полей и напряжений в трубах с наружными ребрами // Энергомашиностроение. 1966. - № 1. - С. 17-21.

7. Корягин B.C. Расчет оптимальных профилей труб с наружными ребрами // Энергомашиностроение. 1966. -№1. - С. 39-40.

8. Жолудов Я.С., Локшин В.А. Температурный режим плавниковых экранных труб // Электрические станции. 1966. - №3. - с. 7-12

9. Линейные уравнения математической физики / В.М.Бабич, М.Б.Капилевич, С.Г.Михлин и др.- М.: Наука, 1964 368 с.

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

11. И. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). Издание 3-е, переработанное и дополненное. СПб.: Издательство НПО ЦКТИ, 1998. -256 с.

12. Исаченко В.П., Остова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для теплоэнерг. спец. втузов. 4-е изд., перераб. и доп. М. Энергоиздат 1981. -417с.

13. Исследование температурных полей плавниковых труб сварных газоплотных топочных экранов / А.П.Орнатский, В.К.Щербаков, В.Г.Прокопов // Теплоэнергетика. 1967. - №1 - с. 65-69.

14. Исследование работы сварных мембранных панелей / А.В.Зманчинский, А.М.Копелович, В.Б.Надлер, Г.В.Антропов // Научные сообщения. 1969. - выпуск 1. - С. 34-35.

15. Расчет и проектирование цельносварных экранов котельных агрегатов /

16. A.И.Гольберг, В.С.Корякин, С.И.Мочан, Э.М.Тынарев. Ленинград: Энергия, 1975.-272 с.

17. Мелан Э., Паркус Г. Термоупругие напряжения, вызываемые стационарными температурными полями. -М.: Физматгиз., 1958. 167 с.

18. Расчеты на прочность , устойчивость и колебания в условиях высоких температур / Н.И.Безухов, В.Л.Бажанов, И.И.Гольденблат и др. М.: Изд-во Машиностроение, 1965. - 567 с.

19. Температурные напряжения в цельносварных газоплотных экранах котельных агрегатов / В.С.Корякин, Б.В.Зверьков, А.Л.Лубны-Герцык,

20. B.И.Федоров // Цельносварные газоплотные стенки паровых котлов. Труды ЦКТИ. Ленинград, 1971. - С. 54-97.

21. Баскаков А.П., Ильина Е.В. Распределение температур по ширине огневого листа (экрана) с приваренными снаружи трубами // Промышленная энергетика. 2002. - №3. - С. 41-45.

22. Баскаков А.П., Ильина Е.В. Максимальная температура огневого листа (экрана) с приваренными снаружи трубами // Инженерно-физический журнал. 2002. - Том 75; №6. - С. 185-190.

23. Расчет температурных полей в мембранных экранных поверхностях нагрева котлов-утилизаторов / В.А.Мунц, Л.Г.Гальперин, О.В. Асписова и др.//Научные труды I отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2001. - с. 115-15 6

24. Залкинд Е.М. Материалы обмуровок и расчет ограждений паровых котлов. М.: Энергия, 1972. - 184 с.

25. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. -М.: Государственное энергетическое издательство, 1959. -415 с.

26. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.- корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. — 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Издательство МЭИ, 2001. — 564 с.

27. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.-704 с.

28. Суринов Ю.А. О методах расчёта интегральных и локальных угловых коэффициентов излучения (исследование геометрической структуры поля излучения ) / Ю.А. Суринов // Сборник ЭНИН АН СССР. Теплопередача и тепловое моделирование. М.,1959. - С.319-348.

29. ANSYS для инженеров. / А.В.Чигарев, А.С.Кравчук, А.Ф.Смалюк М: Машиностроение, 2004. - 512 с.

30. Горшков А.Г., Трошин В.Н., Шалашилин В.И. Сопротивление материалов: Учеб. пос. 2-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 544 с.

31. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. 2-е изд. М: Металлургия, 1983. - 352 с.34 . РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды.

32. Марочник сталей и сплавов. / под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989.-641 с.

33. Расчет температурных полей в мембранных поверхностях нагрева котлов-утилизаторов/ JL Г.Гальперин, В.А.Мунц, С.М.Стёпин и др.// Вестник УГТУ-УПИ. Теплоэнергетика. 2004. - №3 (33). - С. 40-46.

34. Стёпин С.М. Температурный режим огневого листа./ С.М.Стёпин, В.А.Мунц // Научные труды XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ: сборник статей. В 3 ч. Екатеринбург, 2007. - Т. 3. - С. 9093.

35. Стёпин С.М., Мунц В.А. Проектирование поверхностей нагрева оптимального профиля котлов-утилизаторов// Энергосбережение и водоподготовка. 2007. - №4 (48). - С. 47-48.

36. В специализированный совет Д 212.285.07 при ГОУ ВПО «Уральский, государственный технический университет»1. СПРАВКА

37. В результате проведенных расчетов получено, что предлагаемое снижение толщины листа с 8 мм до б мм и трубы с 5 до 4 мм позволит сэкономить 25 кг на 1 м2 поверхности огневого листа, что в денежном эквиваленте для всего наиыльника составит 23 тыс.руб.

38. Главный конструктор ОАО «Уралэнергоцветмет»1. В.В. Добрынин