3. Анализ влияния различных параметров на время нагрева заготовок и расход топлива
Известно, что удельный расход тепла на нагрев металла связан с тепловым кпд печи hт следующим образом [3]:
где kп – количество обрабатываемого металла, приходящегося на единицу тепловой энергии, кг/Дж.
Таким образом, чтобы решить задачу энергосбережения при термообработке необходимо более подробно остановиться на выводе уравнения теплового кпд печи. Для упрощения выкладок рассмотрим уравнение теплового баланса печи без учета потерь, возникающих из-за химического недожога топлива. Потери тепла теплопроводностью через изоляционное ограждение печи и аккумуляция тепла футеровкой также исключаются из внимания по причине высоких теплотехнических характеристик современных теплоизоляционных материалов (низкая плотность и низкая теплопроводность).
С учетом сказанного уравнение теплового баланса печи принимает следующий вид:
где BQнр – тепловой поток от сжигания топлива, Вт;
Qфт, Qфв – тепловой поток физического тепла топлива и воздуха, Вт;
Qпол – тепловой поток полезно усвоенного тепла, переданного материалу, Вт;
Qух – тепловой поток физического тепла, уходящих продуктов сгорания, ВТ.
Введя понятие коэффициента рециркуляции
и
удельных потерь тепла с уходящими
продуктами сгорания
,
а также применяя простейшие преобразования
получим:
.
На рисунке 1 представлена диаграмма нагрева заготовки, поясняющая необходимость интенсификации процесса нагрева металла, так как это позволит существенным образом уменьшить удельный расход тепла на единицу материала за счет сокращения времени нагрева.
Qух2
Как видно из рис. 1 полезное тепло усвоенное металлом заготовки при ее нагреве от Тнач до Ткон всегда определяется постоянной Qз и может быть определено при помощи следующего уравнения:
,
где См – удельная теплоемкость металла заготовки, Дж/(кг×°С);
mз – масса нагреваемого металла, кг;
DТ=Ткон-Тнач – изменение среднемассовой температуры металла в процессе нагрева, °С.
На рисунке 1 показано два режима нагрева одной и той же заготовки, но с разным временем нагрева t1 и t2, где t1<t2, что можно реализовать на практике только интенсификацией режима нагрева, т.е. увеличивая aS.
Площади над кривыми нагрева и под ними (рис.1) показывают, что скоростной режим нагрева позволил существенно сократить удельный расход тепла на единицу нагреваемого материала. Это соображение можно проиллюстрировать следующим неравенством:
или что тоже самое:
Лекция №16
4. Отработка оптимального режима нагрева заготовок при помощи математической модели
Для решения проблемы скоростного нагрева термически массивных тел, обладающих достаточно низкой теплопроводностью, проведен ряд численных экспериментов для нагрева стальных квадратных заготовок сечением 0,9х0,9 при помощи разработанной математической модели. При этом необходимо учитывать, что максимальная допустимая скорость нагрева лимитируется свойствами нагреваемого металла, ни при каких условиях не должно происходить образование термических трещин или накопление опасных термических напряжений. В результате удалось найти оптимальный режим нагрева, соответствующий минимальному времени нагрева с выходом на изотермическую выдержку при температуре 300°С.
На рис. 2 представлены результаты моделирования нагрева вышеуказанных заготовок. Приведены температурные кривые, соответствующие точкам лежащим в центре заготовки, на средине поверхности боковой грани, посредине отрезка, соединяющего первые две названные точки и в углу заготовки. Поскольку задача решалась на разностной сетке размером 99х99, то координаты названных точек на этой сетке определяются как [0,0], [0,49], [0,25] и [48,49] соответственно.
Время выхода точки [0,25] на изотермическую температуру 300°С составило 2,16 часа. При численном моделировании были приняты следующие исходные данные:
суммарный коэффициент теплоотдачи изменялся в пределах от 30 до 230 Вт/(м2×С);
температура кладки изменялась от 25 до 1100°;С
теплофизические свойства металла заготовки lм =25 Вт/(м×°С), теплоемкость См=750 Дж/(кг×°С), rм=7800 кг/м3;
средняя скорость дымовых газов в печи при н.ф.у. была принята 2м/с;
эквивалентный диаметр печи и заготовки в расчетах был принят Dп=2м и Dз=1м.
После выхода определяемой температуры заготовки на уровень 300°С нагрев переходит в режим импульсного отопления печи. При этом в АСУ ТП реализуется дополнительно режим импульсного включения клапана сброса дымовых газов.
Причем время включения клапана сброса пропорционально расходу дымовых газов, образовавшихся при включении импульсных горелок. Этот прием позволяет обеспечить уровень давления в печи требуемый для устойчивой работы импульсных горелок и в то же время гарантирует минимальные потери тепла с уходящими газами при изотермической выдержке и, следовательно, позволяет получить дополнительную экономию газа.
Выводы:
Скоростной режим нагрева заготовок может дать высокую экономию газа только при использовании адаптированной численной модели для предварительного расчета температурного поля заготовки в зависимости от условий нагрева.
При достижении среднемассовой температуры металла заготовки и температуры кладки печи заданного значения температуры изотермической выдержки металла горелки, с помощью АСУ ТП, переводятся в импульсный режим отопления с параллельным импульсным включением клапана сброса дымовых газов, что обеспечивает необходимый газодинамический режим работы печи, устойчивую работу горелок и дополнительную экономию природного газа.
Лекция №17
Изучение особенностей методики расчета нагрева металла в проходных нагревательных печах с применением программных продуктов в среде Mathcad (см. список литературы №9 )
Cписок литературы
1.Ginkul S.I., Kravtsov V.V., SheludchenkoV.I., Birukov A.B. Heat and mass transfer. Workbook.– Donetsk: Nord-Press, 2006.– 291 p.
2.Young R.W. Dynamic mathematical model of sintering process // J. Iron making and steel making.– 1977.–V.4,№6.–p. 321-328
3.Лисиенко В.Г., Щелоков Я.Н., Ладыгичев М.Г. Плавильные агрегаты: теплотехника управления и экология: Справочное издание в 4-х книгах. Книга 1 / Под редакцией Лисиенко В.Г.– М.: Теплотехник, 2005.-768с.
4.Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи .– М.: Высшая школа, 1975.– 303с.
5.Курбатов Ю.Л., Шелудченко В.И., Кравцов В.В. Механика жидкости и газа: Учебное пособие.– Севастополь: Вебер, 2003.– 226 с.
6.Гинкул С.И., Шелудченко В.И., Кравцов В.В. Вопросы тепло- и массобмена в материалах, нагрева и охлаждения металла: Учебн. пособие. – Донецк: РИА ДонГТУ, 2000. –162 с.
7.Казанцев Е.И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчета и проектирования, 2-е издание дополненное и переработанное.– М.: Металлургия, 1975.– 368 с.
8.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.– М.: Энергия, 1977.– 344с.
9. Методичні вказівки до виконання практичних занять та виконання індивідуальних домашніх завдань з дисциплін “Оптимізація енерговитрат у металургії”,„Сучасні проблеми металургійної теплотехніки ” для студентів спеціальності Промислова теплотехніка/ Кравцов В.В., Бірюков О.Б. – Донецьк: ДонНТУ, 2011. – 67с.
Авторами номерів 1, 5, 6, 7, 9 є викладачі кафедри “Технічна теплофізика”. Навчальні посібники видані з гріфом Мінвузу.