WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 20 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ А.Н. Макаров ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ТЕПЛООБМЕНА В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ И ФАКЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ, ТОПКАХ, КАМЕРАХ СГОРАНИЯ Монография Часть первая ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ В ПЕЧАХ И ТОПКАХ Тверь 2007 2 УДК 621.365: 536.33: 669.187 ББК 31.31 – 5 Макаров, А.Н.Теория и практика теплообмена в электродуговых и факельных печах, топках, камерах сгорания [Текст]: монография / А.Н. Макаров. Ч. 1. Основы теории теплообмена излучением в печах и топках. Тверь: ТГТУ, 2007. 184 с.

Изложены теоретические основы теплообмена излучением в дуговых и плазменно-дуговых сталеплавильных печах, топках паровых котлов, камерах факельных нагревательных печей. Созданы физическая и математическая модели факела, столба низкотемпературной плазмы как источников теплового излучения и на их основе – методики расчета теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания с целью анализа распределения тепловой энергии по поверхностям нагрева, расчета рационального расположения горелок, плазмотронов в камерах печей, топок, сгорания для снижения расхода топлива, электроэнергии, выбросов оксидов азота, эксплуатационных расходов.

Монография предназначена для научных работников, производственно-технического персонала, аспирантов и студентов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией электрометаллургических, нагревательных печей, котельных и газотурбинных установок тепловых электрических станций.

Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидравлики, теплотехники и гидропривода Тверского государственного технического университета М.А. Скоробогатов; доктор технических наук, профессор кафедры физики электротехнических материалов и компонентов, автоматизации электротехнологических комплексов Московского энергетического института (технического университета) В.П. Рубцов.

Автор будет признателен за все замечания по содержанию книги, которые следует направлять по адресу: 170026, г. Тверь, набережная Афанасия Никитина, д.22, ТГТУ, зав. кафедрой электроснабжения и электротехники, доктору технических наук профессору Макарову А.Н.

Книгу можно заказать по данному адресу, а также по телефону (4822) 31-43-17.

ISBN 5-7995-0387-2 © Тверской государственный технический университет, ПРЕДИСЛОВИЕ Вместимость дуговых сталеплавильных печей увеличилась с 5 т в 1950 г. до 100-150 т в 1979 г., удельная мощность возросла с 220 до 800 кВА/т стали. Увеличение удельной мощности вызвало в конце 1970-х годов интенсивное оплавление огнеупоров, резкое уменьшение срока службы футеровки, увеличение простоев печей, связанное с заменой футеровки стен, сводов. В это время ученые, исследователи, в том числе автор монографии (тогда аспирант Московского энергетического института) и руководитель научной работы, крупный ученый, создатель первой в России кафедры электротермических установок и автор первого учебника по электротермическим установкам, изданного в 1948 г., доктор технических наук профессор А.Д. Свенчанский обратили внимание на неизученность явлений, отсутствие методик расчета теплообмена в дуговых сталеплавильных печах (ДСП).

Проведенный анализ истории развития ДСП показал опережающее развитие электротехнического и отставание теплотехнического обеспечения электродуговых печей как материального, так и теоретического. Исследование и разработка методов расчета электрических режимов ДСП начались в 1910-20-х годах, исследование тепловых режимов – на 30-40 лет позже. Такая диспропорция вызвана тем, что датчики и приборы контроля электрических параметров работают в благоприятных условиях, имеют значительный срок службы, дают непрерывную информацию, что позволило создать многолетнюю базу для совершенствования практического и теоретического обеспечения электротехнической части дуговых печей, а датчики контроля тепловых параметров работают в условиях высоких температур в парах металлов, срок их службы чрезвычайно мал, информацию передают эпизодически, поэтому за многолетний опыт эксплуатации электродуговых печей была собрана весьма скудная, зачастую локальная информация о тепловых параметрах в рабочем пространстве электродуговых печей.

Сложность экспериментального познания процессов электротеплового преобразования и распределения энергии, процессов теплообмена в электродуговых печах приводила к сдерживанию дальнейшего прогресса электропечестроения для плавки стали. В конце 1970-х годов остро стояла проблема получения не только количественных данных по теплообмену в ДСП, но и качественной картины теплообмена.

Не имело научного объяснения, было непонятно происхождение и протекание в электродуговых печах ряда физических явлений: образование «горячих пятен» на футеровке стен; максимальный износ сводов в центральной части, где футеровка экранирована электродами от излучения дуг; неравномерность температур по периметру, неравномерное расплавление шихты на откосах; обвалы шихты в печах с короткими дугами и вызванные ими колебания напряжения сети, сказывающиеся на питании других электроприемников; отсутствие обвалов, стабильный электрический режим в печах с длинными дугами и другие явления. Не зная причин возникновения явления, нельзя на него воздействовать, управлять физическим явлением, устранять его отрицательное влияние.

В 1978-1982 гг. автором были получены аналитические выражения, формулы, связывающие электрические, геометрические и тепловые параметры электрических дуг и поверхностей нагрева, разработана методика расчета теплообмена излучением в дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока, позволившая объяснить ряд физических явлений, происходящих в рабочем пространстве ДСП трехфазного тока. В последующие 1982-1992 гг. автором были получены аналитические выражения, формулы для расчета теплообмена излучением в печах с длинными дугами, дуговых сталеплавильных печах постоянного тока, плазменно-дуговых сталеплавильных печах. Результаты работ были опубликованы в монографиях, учебных пособиях, статьях в центральных журналах и обобщены в докторской диссертации «Теория теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали», направленной на научное объяснение физических явлений, происходящих в рабочем пространстве печей, создание более совершенных дуговых сталеплавильных печей, оптимизацию энергетических режимов работы действующих печей.



Учебные пособия, монографии используются в учебном процессе в МЭИ, МВМИ, СПбГЭТУ, ГМАУ, в университетах Новосибирска, Саратова, Чебоксар, Мариуполя и других университетах России и ближнего зарубежья, а также при проектировании дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов вместимостью от 6 до 150 тонн в ОАО СКБ Сибэлектротерм.

В 1992-2006 гг. автор с учениками, аспирантами продолжил совершенствование теории теплообмена излучением в электродуговых, факельных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок. К 1992г. сложились следующие основные методы расчета теплообмена излучением в факельных печах и топках паровых котлов. В первой математической модели расчета теплообмена в нагревательных печах факел представляется серой изотермической газовой средой. С учетом этого допущения определяют среднюю плотность результирующего потока излучения на нагреваемые поверхности от газа, а кладке отводится роль посредника-переизлучателя теплоты от газов через кладку на металл [1]. Метод расчета теплообмена излучением, при котором определяют среднее, одинаковое для всех поверхностей нагрева, значение плотности теплового потока, получаемого поверхностями от факела, неадекватно отражает процессы теплообмена излучением, происходящие в факельных печах. Для повышения точности расчетов в печах и топках используется зональный метод расчета внешнего теплообмена излучением с учетом конвективной составляющей.

Поверхности и объемы разбиваются на поверхностные и объемные зоны в виде прямоугольных параллелепипедов с определенными, заданными температурами и оптическими константами. Для поверхностных и объемных зон методом дискретной аппроксимации интегральных уравнений радиационного теплообмена рассчитываются на компьютере потоки излучения и температуры зон. В существующем методе расчета приходится использовать целый массив приближенных значений температур поверхностных и объемных зон. Данный метод не получил широкого распространения вследствие его сложности и того, что в расчетах используется модель факела, неадекватная натуре, и результаты расчетов могут значительно отличаться от реального теплообмена, происходящего в печах и топках паровых котлов.

Относительно роли математики в технических задачах В.А. Веников заметил, что «наряду с работами и вычислениями, в которых инженера призывают к переходу ко все более сложным и громоздким вычислениям, учитывающим максимально возможное число влияющих факторов, независимо от их практической роли в изучаемом явлении (это якобы повышает строгость подхода), в научной литературе появляются и работы другого характера. Среди них можно упомянуть статьи, где подчеркивается, что излишняя вера в сложные математические формулировки и описания приводит к тому, что любая нелепость, облаченная в этот математически импозантный мундир, выглядит очень научно. Математическими соотношениями, в частности дифференциальными уравнениями, можно описать все что угодно, если только принять определенные постулаты. Можно при этом получить соответствующие расчетам математически абсолютно строгие результаты, не имеющие в то же время никакого смысла для инженера». В настоящее время создано много программ расчета на ЭВМ теплообмена в печах, топках, камерах сгорания, правильность расчета по которым проверить практически невозможно ввиду их закрытости.

Компьютер, оперируя огромным количеством данных, может создать иллюзию всеохватности изучаемого явления. В действительности, компьютер способствует размножению деталей и частностей рассматриваемого явления, придавая важную роль частным случаям.

Компьютерную часть расчетов невозможно проверить вручную, существующий метод дискретной аппроксимации интегральных уравнений настолько трудоемкий и сложный, что его целиком трудно проверить. Расчеты, не поддающиеся проверке, вызывают сомнение, согласиться с ними означает просто поверить авторам. Один из основоположников синергетики (науки о совместном, согласованном поведении многих элементов как единого целого в составе сложной системы) известный физик Герман Хакен говорит: «Информацию, перегруженную огромным количеством деталей, затемняющих существо дела, необходимо сжать, превратив в небольшое число законов, концепций и идей».

Условия теплообмена в различных нагревательных печах значительно отличаются друг от друга, что объясняется различием в конструкциях и способах отопления. Авторы публикаций по факельным печам отмечают, что обстоятельных исследований внешнего теплообмена в ряде печей до сих пор не проведено. Поэтому в расчетах приходится пользоваться общими приближенными значениями теплофизических величин, что сказывается на точности расчетов. Недостаточная изученность процессов тепловыделения в факеле и теплоотдачи от него затрудняет решение задачи о тепловых потоках и температурах в зонах печей и топок и делает решение этой задачи весьма приближенным [12]. Пока нельзя сказать, что существует совершенная полноценная теория топок и печей. Некоторые вопросы до сих пор не могут быть решены строго математически, имеющиеся эмпирические формулы не всегда могут дать однозначный ответ. Существующую теорию печей правильнее назвать полуэмпирической [200]. В настоящее время продолжается процесс накопления экспериментального и теоретического материала.





Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование – все это создает предпосылки для дальнейшего развития теории печей [200].

На Четвертом Минском Международном форуме по теплообмену ММФ-2000 существующая методика расчета теплообмена излучением в печах и топках с газовым, мазутным, пылеугольным факелами, в которой факел моделируется изотермическим объемом или объемными зонами с заданными параметрами, подвергалась критике в ряде докладов [60]. На Первом Международном симпозиуме по радиационному теплообмену в 1995г. отмечалось, что нет достаточно надежного и эффективного метода расчета теплообмена излучением, каждый из существующих методов имеет свои недостатки и ограниченную область применения [57]. В 19922000 гг. автор с учениками, аспирантами исследовал излучение коаксиальных цилиндров и открыл свойство инвариантности их излучений, заключающееся в следующем: от двух коаксиальных цилиндров одинаковой высоты и мощности на любую расчетную площадку, расположенную в пространстве, падает одинаковый поток излучения. Открытие данного уникального явления значительно расширило возможности существующих методов расчета теплообмена излучением в печах и топках с объемными источниками излучения. На основании свойства инвариантности излучения коаксиальных цилиндров разработаны физическая и математическая модели факела как объемного тела, состоящего из цилиндрических газовых объемов, которые используются при расчете теплообмена в топках паровых котлов и камерах нагревательных печей, сгорания. Свойство инвариантности излучающих коаксиальных цилиндров позволяет моделировать факел излучающими цилиндрами малого диаметра – линейными источниками излучения. В работах [63-65] выведены аналитические выражения для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения линейных источников на расчетные площадки поверхностей нагрева. Разработан метод аналитического моделирования теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания взамен численного моделирования, требующего огромных расчетных ресурсов. Преимущества аналитических методов моделирования над численным моделированием признаны всей передовой мировой наукой.

Длительное время считалась нерешенной задача расчета распределения мощности по длине факела. Автором предложено решение данной задачи. Для расчета распределения мощности по длине факела предложено использовать пропорцию, составленную для излучающих объемных зон, в которую входят температуры в четвертой степени и объемы зон. Представление факела топок паровых котлов и печей цилиндрическими объемными зонами, излучающими и поглощающими излучение в диапазоне длин волн излучения газа, составляющего факел, с распределением мощности в объемных зонах в соответствии с расположением изотерм по объему факела позволяет рассчитывать распределение интегральных потоков излучений, падающих на поверхности нагрева, и получать результат, адекватно отражающий реальное распределение интегральных излучений в камерах печей, топок, сгорания.

Разработанная методика расчета в топках паровых котлов позволяет рассчитывать распределение мощности по высоте факелов топок, определять не только плотности интегральных потоков по оси симметрии экранов, но и их распределение по периметру фронтальных, задних, боковых экранов топок, что не позволяли сделать существующие методы расчета, а также ранжировать экранные поверхности топок по количеству полученного тепла и выявить наиболее радиационно-напряженные участки для определения первоочередности регламентных и ремонтных работ.

Разработанная методика расчета теплообмена в факельных нагревательных печах позволяет объяснить причины неравномерного нагрева изделий по длине и высоте нагревательных печей, определять рациональное положение факела в печах, а также рациональную конструкцию горелок, рациональный угол раскрытия факела, который зависит от размеров камер печей и расположения нагреваемых изделий в них.

К настоящему времени автором с привлечением учеников, аспирантов разработана концепция расчета теплообмена излучением в электродуговых, факельных печах и топках паровых котлов, основанная на моделях электрической дуги, факела в виде излучающих цилиндрических газовых объемов. Объединяет факельные и дуговые печи, топки паровых котлов способ передачи тепла от источников энергии к поверхностям нагрева: теплообмен излучением и его зависимость от мощности и размеров источников излучения. На этом явлении построена единая методология расчета теплообмена излучением в факельных и дуговых печах, топках паровых котлов, позволяющая объединить два различных физических явления: выделение тепловой энергии при сгорании топлива и протекании электрического разряда в газе – на основе общего для этих двух явлений результата преобразования энергии топлива и электрической дуги в энергию потока излучения. Эта методика позволяет повысить точность расчетов и получить достоверный результат, уменьшить время расчетов, расширить число пользователей от опытных исследователей, научных сотрудников до студентов вузов.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 20 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.