МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

„ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

Кафедра «Технічна теплофізика»

Конспект лекцій

з дисципліни:

«Оптимізація енерговитрат у металургійних технологіях»

для студентів спеціальності «Промислова теплотехніка»

за напрямом підготовки „Металургія”

Розглянуто

на засіданні кафедри

«Технічна теплофізика»

Протокол № ___

від «___»_______2012 р

Затверджено

на засіданні учбово- методичної ради ДонНТУ

Протокол № ___

від «___»_______2012 р.

2012

УДК 669.041

Конспект лекцій з дисципліни «Оптимізація енерговитрат у металургійних технологіях» / Кравцов В.В., Бірюков О.Б., Сапронова О.В., Касютіна Т.Г. - Донецьк: ДонНТУ, 2011. - 50с.

Укладачі: проф. Кравцов В.В.

доц. Бірюков О.Б.

ст.викл. Сапронова О.В.

асист. Касютіна Т.Г.

Рецензент: доц. Пархоменко д.І.

Лекция №1

1. Совершенствование технологии нагрева заготовок в роликовых проходных печах

1. Технология нагрева металла в роликовых проходных печах

В рамках совершенствования конструкций нагревательных печей для нагрева заготовок из алюминиевых сплавов под штамповку была предложена следующая конструкция нагревательной проходной печи с роликовым подом(рис).

В этом агрегате нагрев заготовок осуществляется посредством конвективного теплообмена на границе контакта многоструйных потоков теплонесущей среды (теплоносителя) с верхней и нижней, по отношению транспортного положения нагреваемых заготовок, поверхностями. При этом, в промежутках между загрузкой и выгрузкой печи, конвективный нагрев заготовок осуществляется в режиме их покачивания, что обеспечивает наиболее высокую температурную равномерность нагрева заготовок и эффективность теплообмена, за счет воздействия многоструйных потоков теплоносителя также и на смежные боковые поверхности нагреваемых заготовок.

Схема конвективного нагрева заготовок - рециркуляционная с автоматическим поддержанием расходного баланса печи в процессе воспроизводства теплоносителя и обеспечения постоянства его рециркулирующего объема.

На рис. 1 показаны элементы промышленной газовой печи низкотемпературного нагрева материала. Греющий теплоноситель для каждой зоны агрегата формируется в камерах смешения при разбавлении продуктов сгорания природного газа рециркулятом. Рециркулят представляет собой смесь продуктов сгорания, отсасываемых дымососами из верхней части каждой из зон печи, и воздуха идущего на разбавление продуктов сгорания для защиты лопаток дымососов.

Печь содержит термокамеру, состоящую из металлического каркаса панельного типа, усиленного колоннами и стяжками, футерованного изнутри керамоволокнистым теплоизоляционным материалом.

По обеим боковым сторонам каркаса, противоположно друг другу расположены, соответственно, раздаточные коллекторы с газовоздуховодами, содержащими трубопроводную арматуру, связанными с горелочными устройствами и приводы механизмов перемещения подвижных органов печи. Подвижными органами печи являются приводные транспортные ролики и подъемные заслонки загрузочного и разгрузочного окон термокамеры.

Внутри термокамеры по всей ее длине на соответствующем технологическом уровне по высоте, расположены приводные транспортные ролики с подшипниковыми узлами, смонтированными на опорных планках, связанных с колоннами каркаса. На выступающей из подшипникового узла цапфе каждого ролика жестко закреплена цепная звездочка. Все звездочки связаны между собой роликовой цепью с прижимными узлами, расположенными между ними. Два крайних ролика связаны с приводами, в виде гидромоторов, которые обеспечивают реверсный режим вращения роликов и автоматическое натяжение приводной цепи.

Оба торца термокамеры закрыты, смонтированными на торцовых колоннах каркаса, подъемными заслонками с механизмами их вертикального перемещения с приводом, выполненным на базе плунжерных гидроцилиндров. Указанные подъемные заслонки предназначены для обеспечения возможности загрузки и выгрузки соответственно нагреваемых и нагретых заготовок в печь и из печи.

С внешнего торца печи со стороны загрузочной заслонки расположен роликовый стол, предназначенный для укладки заготовок, загружаемых в ее рабочее пространство.

С внешнего торца печи со стороны разгрузочной заслонки смонтирован приводной ролик, обеспечивающий подачу заготовки на транспортное устройство для ее передачи на штамповку.

По всей длине термокамеры сверху и снизу, относительно роликового пода, смонтированы струйные коллекторы, предназначенные для струйной обдувки поверхностей заготовок нагретым в горелочных устройствах теплоносителем.

Горелочные устройства представляют собой теплонагруженный узел, включающий в себя двухпроводную горелку, вмонтированную в щелевой корпус из жаропрочного материала, в который вводится подстуженный атмосферным воздухом теплоноситель для его нагрева до рабочей температуры на контакте с факелом горелки.

Подстуживание теплоносителя в системе рециркуляции производится непосредственно перед всасом каждого дымососа для его тепловой защиты.

Упомянутые горелочные устройства вмонтированы в смесительные горловины каждого струйного коллектора, расположенные с одной стороны каркаса термокамеры и закрепленные на его боковой стенке.

Вдоль термокамеры со стороны установки горелочных устройств смонтирована площадка с лестницей для обслуживания их верхнего яруса и под ней выполнена траншея для обслуживания нижнего яруса горелочных устройств.

На стяжных элементах крыши каркаса термокамеры смонтированы позонные дымососы в количестве 3-х штук системы рециркуляции и вентилятор подачи воздуха на горение в горелочные устройства.

Позонный забор отработанного теплоносителя из термокамеры в систему рециркуляции каждой тепловой зоны производится через всасное окно в крыше каркаса термокамеры, в которое врезан воздуховод, связанный со всасом дымососа. Непосредственно перед всасом дымососа в этот воздуховод врезан патрубок с дросельной регулирующей заслонкой, исполнительный механизм которой заведен в систему АСУ ТП и отрабатывает по сигналу термопары, контролирующей температуру теплоносителя на входе в дымосос. Через данный патрубок производится регулируемый подсос атмосферного воздуха, который, смешиваясь с потоком всасываемого теплоносителя, остужает его до заданной температуры, обеспечивая тепловую защиту дымососа.

Далее, пройдя через дымосос, подстуженный теплоноситель по воздуховодам, подается в щелевые корпуса горелочных устройств данной тепловой зоны. Смешиваясь с факелом каждой, работающей на соответствущем режиме горелки, он нагревается до заданной температуры, входит в струйный коллектор и через сопла, выполненные в нем, отдельными потоками истекает на контактные нагреваемые поверхности заготовок.

Подсасываемый объем атмосферного воздуха и вводимый объем продуктов сгорания работающих горелок образуют излишек теплоносителя по каждой тепловой зоне термокамеры.

Для отвода излишков теплоносителя при его воспроизводстве в процессе работы печи в крыше каркаса термокамеры выполнены отводные позонные окна, в которые вмонтированы всасные патрубки сбросных коллекторов-дымоотводов с регулирующими дроссельными заслонками. Упомянутые дымоотводы введенные в общий боров, связанный с вытяжной системой дымоудаления, предпочтительно, дымовой трубой.

Лекция №2

Основные технические характеристики нагревательной конвективной печи с роликовым подом

Работа печи заключается в обеспечении заданного теплообменного процесса в рабочем пространстве термокамеры при заданном темпе загрузки-выгрузки заготовок в полном автоматическом режиме.

Основные технические характеристики печи, заложенные на стадии ее проектирования, представлены в Таблице 1.1.

Таблица 1.1. Основные технические характеристики нагревательной конвективной печи с роликовым подом

Наименование параметра	Единица измерения	Значение
1. Тип печи – нагревательная проходная с роликовым подом	-	-
2. Тип системы теплоснабжения - низкотемпературная рециркуляционная	-	-
3. Вид топлива	-	Природный газ
3.1. Теплотворная способность, ккал/м3		8107
4.Наибольшая температура в рабочем пространстве термокамеры	0С	580
5. Наибольшая температура нагрева металла	0С	482
6. Неравномерность температурного поля рабочего пространства печи, не более	0С	± 10
7. Наибольшая производительность	кг/ч	6000
8. Наибольшие размеры нагреваемых заготовок (SxHxL)	мм	360х920х3500
9. Материал заготовок	-	алюминеевые сплавы
10. Тип горелки	-	двухпроводная
10.1. Наибольшая тепловая мощность	кВт	200
10.2. Количество горелок	шт.	14
11. Наибольшее потребление газа	м3/ч	254
12. Наибольшее потребление воздуха на горение	м3/ч	2509
13. Наибольшее потребление воздуха на воспроизводство теплоносителя	м3/ч	8934
14. Наибольшее количество удаляемого отработанного теплоносителя	м3/ч	35337
15. Наибольшая температура удаляемого отработанного теплоносителя	0С	480
16. Привод перемещения заслонок	-	гидроцилиндр
17. Привод вращения роликов	-	гидромотор

Для наладки печи, конструкция которой была рассмотрена выше, и ее эффективной эксплуатации на практике необходимо теоретически определить взаимосвязь между основными технологическими параметрами (расход конечного теплоносителя, расход газа, расход воздуха, идущего на его сжигание, расход теплоносителя, возвращаемого для рециркуляции) и показателями нагрева металла (изменение температуры характерных точек заготовки во времени). На основе анализа этих зависимостей необходимо определить наиболее рациональные режимы эксплуатации печи: выбрать скорость истечения конечного теплоносителя, диаметр раздающих патрубков, режим нагрева и т.д. Основными критериями для выбора наилучшего режима нагрева в каждом конкретном случае является удельный расход газа на нагрев металла и показатели качества нагрева (например, температурный перепад между центром заготовки и ее поверхностью).

В следующих подразделах данных лекций последовательно решены задачи разработки газодинамической схемы рассматриваемой печи, определения влияния параметров работы печи на температурное поле нагреваемых заготовок и анализа возможных вариантов работы печи с точки зрения их эффективности.

Лекция №3

1.2. Разработка газодинамической схемы печи и определение параметров истечения при различных режимах работы печи

1.2.1. Определение взаимосвязи между расходами различных теплоносителей

В основе определения расхода теплоносителя, идущего на разбавление продуктов сгорания природного газа, лежит рассмотрение теплового баланса.

, (1.1)

где V_ПГ, V_ВП, V_Т – объемы продуктов сгорания природного газа, теплоносителя, идущего на смешение с продуктами сгорания, и конечного теплоносителя соответственно, м³

C_ПГ, C_ВП, C_Т – теплоемкости продуктов сгорания природного газа, теплоносителя, идущего на смешение с продуктами сгорания, и конечного теплоносителя соответственно, кДж/(м³К);

T_ПГ, T_ВП, T_Т – температуры продуктов сгорания природного газа, теплоносителя, идущего на смешение с продуктами сгорания, и конечного теплоносителя соответственно, С.

Зависимость (1.1) отражает следующий физический смысл – суммарное количество тепла, содержащееся в продуктах сгорания природного газа и в теплоносителе, идущем на его разбавление, равно количеству тепла, содержащемуся в конечном теплоносителе. Для удобства интерпретации результатов в дальнейшем расчеты проводятся относительно 1м³ природного газа.

Для решения этой задачи произведен расчет горения топлива, который в конечном итоге позволил определить количество и состав продуктов сгорания природного газа. Принято, что теплоноситель, идущий на разбавление с продуктами сгорания природного газа эквивалентен по составу воздуху. Это допущение не вносит значительной погрешности в результаты расчета, так как основную долю в составе этого теплоносителя составляет именно воздух, кроме того, определение истинного состава данного теплоносителя при переменных режимах работы печи является довольно проблематичным. Температура продуктов сгорания Т_ПГ определяется на основании калориметрической температуры продуктов сгорания, определенной при помощи следующего выражения:

,

где Q_nr – низшая теплота сгорания природного газа, кДж/м³;

V_aird – действительный расход воздуха на сжигание 1м³ природного газа, определенный из расчета горения топлива, м³/м³;

С_а – теплоемкость воздуха, идущего на сжигание газа, взятая при его температуре, кДж/(м³К);

Т_а – температура воздуха, идущего на сжигание природного газа, С;

V_wg – выход дыма от сгорания 1м³ природного газа, м³/м³;

С_wg – теплоемкость продуктов сгорания, взятая при их калориметрической температуре, кДж/(м³К).

Как видно из представленной зависимости процедура поиска конечного решения носит итерационный характер.

Тогда действительная температура продуктов сгорания определяется как , где  =0,9 – коэффициент учитывающие тепловые потери в горелке и смешивающем узле.

В конечном итоге количество теплоносителя, идущего на смешение с продуктами сгорания природного газа определено при помощи следующей расчетной зависимости:

,

где Ст(V_ВП) –теплоемкость конечного теплоносителя при его заданной температуре, в зависимости от количества воздуха, взятого для смешения с продуктами сгорания природного газа (теплоемкость газовой смеси при заданной температуре зависит от ее состава).

Как видно из характера представленной зависимости вычисления с ее помощью носят итерационный характер.

Если результаты расчетов отнести не к 1м³ природного газа, а к 1м³ конечного теплоносителя, то можно определить долю продуктов сгорания и долю воздуха, идущего на их разбавление в конечном теплоносителе, а также удельный расход природного газа на производство 1м³ конечного теплоносителя заданных параметров. Так условно предполагая использование газа, состоящего на 100% из СН₄ при коэффициенте расхода воздуха 1,1, температуре воздуха, идущего на сжигание природного газа 20С, температуре теплоносителя, идущего на смешение с продуктами сгорания 170С и заданной температуре конечного теплоносителя 580С установлено, что доля продуктов сгорания в конечном теплоносителе составляет 0,23, доля теплоносителя, идущего на смешение 0,77, а удельная норма расхода природного газа на производство 1м³ конечного теплоносителя составляет 0,02 м³/м³.

Используя данные о максимальном расходе газа на верхнюю и нижнюю горелки, определены соответствующие максимальные требуемые расходы теплоносителя, идущего на разбавление продуктов сгорания, и полученные расходы конечного теплоносителя.

Все необходимые вычисления по определению необходимых расходов теплоносителей при максимальном режиме работы горелок были произведены при помощи расчетной программы, написанной на языке MAthCAD 2001. Ее текст приведен в Приложении А. В этом же приложении приводится методика и результаты расчета расходов теплоносителей при пониженном режиме работы горелок.

Основные результаты расчетов систематизированы на рис.1.1

Лекция №4