Введение к работе
Актуальность теми. Новая концепция развития черной металлургам Focchjj до 2005 Г. и на дальнейшую перспективу предусматривает сняяение удельного расхода всех видов топлива и особенно кокса, составляющего около 35 в общем балансе топлива отпасли. Доменное производство - *дно из наиболее .энергоемких в черной металлургии и эффективность доменных печей в значительной степени зависит от температуры нагрева дутья и, следовательно,, от совершенства конструкции и работы доменных воздухонагревателей. Только затраты на дутье на крупных металлургических заводах составляют более половини общих энергетических затрат по переделу чугу-ч.
Интенсификация работа воздухонагревателей, повышение'температуры' и давления дутья привета к бол«зе частому выходу их кз строя, к. уменьшению срока службы. Это обусловило появление б последние года множества конструктивних решенчй.я определило актуальную задачу выбора альтернативных направлений по тем или иным критериям оптимизации.. . для достижения названной уели известные научные положения и существующие метода недостаточны, необходимо их развитие и углубление, что возможно йуеь пря комплексном подходе к решении данной проблемы.
Цель» работа является применение вновь разработанной методологии квалнметряческого системно-инженерного анализа к высокотемпературным регенеративным теплообменникам домєнн&х печей. Тепло- ; .осменникя данной гругаш не икевт "жесткой" связи с основний агрегатам - печья. что создает широкие возможности для совершенствования их' конструкции, работа и. тем самым, определяет условия га-мыкаемости примененного к ним системного анализа.
На зашиту выносятся следующие основные положения дисгерта-
ционноя работы, включающие результаты расчетных ясслэдований. практические рекомендации я технические разработки.
-
Новая методология квалкметрического системно-инженерного (КСИ) анализа конструктивной эволюции высокотемперагурных регенеративных теплообменников применительно к доменным воздухонагревателям.
-
Методики расчета и промышленного исследования основного негативного фактора базовой конструкции воздухонагревателей - те-шюкассоперекоса через трещины в окатах стены камеры горения (эффекта "короткого замикання"), а также способы прогнозирования снижения температуры дутья теплообменннх аппаратов по результатам их спытногпрокышленных испытаний.
-
Расчетно-теоретическое обоснование повышения стойкости существующих' конструкций воздухонагревателя на основе дпскрет-нс-поэлементной сииметризации температурных полей 'основных подсистем теплообкенного аппарата.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по функциональной оптимизации воздухонагревателей на основе лред-.докенных методов повышения тепловой мощности аппаратов и утилизации энергии отходящих дымовых газов.
-
Впервые проведенное исследование нестационарных процессов, влияющих на эффективность функционирования.воздухонагревателей.
Є. Новые технические решения, позволяющие существенно повысить эффективность, и стойкость работы.отдельных элементов огнеупорной кладки (камеры горени?. штуцера горячего дутья, футеровки радиальной.стены) и воздухонагревателя в целом.
Научная новизна основных результатов. . полученных автором в ходе решения поставленной проблемы, проявилась в следующих разра-
- 5 -ботках и научных достижениях:
- Епервыэ '.разработана методология КСИ-анализа применительно
к высокотенпературним регенеративным теплообменникам, которая, на
основе графо-аналитических, расчетных и экспериментальных иссле
дований/ позволила связать в единую систему такие конструктивные
и Функциональные аспекты воздухонагревателей, как устройство ог
неупорной кладки, неравномерность температурного Поля футеровок,
упруго-вязкое деформирование связушлх. режимы работы,. , а такяе
.распределение аппаратов по поколениям конструктивно!} эволюции;
предложена двумерная математическая модель регенеративного теплопереноса в воздухонагревателях различных конструкций- и произведен расчет сравнительной.эффективности функционирования аппаратов, распределенных по поколениям с последующим многокритериальным выбором базовой конструкции для морфологической и функциональней оптимизации;
на основе математического моделирования тепловой эффективности воздухонагревателя с наличием перетока газов и без него произведена морфологическая оптимизация воздухонагревателя базовой конструкции с внутренней боковой камерой горения путем последовательной проработки его подсистем, в соответствии с которой выполнены следующие теоретические и экспериментальные исследования:
а) впервые разработана .математическая-модель теплового рас
чета перетока газов через неплотности в кладке к&меры горения при
условии равномерного'распределения трещин по ее длине и оптимизи
рована высота установки газоплотного кессона для устраденин нега
тивного влияния перетокев;
б) впервые решен комплекс задач теплокєсеоперекоса.в возду
хонагревателе с внутренней смешенной камерой горения, а также ч
- Є - -
его элементах, что позволило определить оптимальную величину зазора между стенами "шахты камеры горения и собственно воздухонагревателя,, найти условия повышения эффективности и стойкости основных подсистем аппарата - штуцера горячего дутья, футеровок радиальной степы и купола; расчетные данные подтверждены результатами опьтно-проншленных исследований на доменных воздухонагревателях АО "КЛИК" и АО "Свободный Сокол";
- осуществлена функциональная оптимизация воздухонагревателя Сазовсй конструкций с внутренней боковой камерой горения путем лрораоотки элементов.технологического процесса, в соответствии с Которой выполнены следующие теоретические. и экспериментальные исследования:
а) разработан и внедрен на АО *'НЛ!Ж" метод нагрева насадки
доменного воздухонагревателя.-с регулированием расхода топлива в
зависимости'от'изменения температуры уходящих дымовых газов, а
также предложен 'способ регулирования температуры купола воздухо
нагревателя путец рециркуляции продуктов горения и на основе ма
тематического моделирования регенеративного теплопереноса в аппа
рате показано, что данный способ регулирования температуры купола
обеспечивает'экономив'топлива и повышение КПД воздухонагревателя;
б) разработана конструкция компактного и надежного в эксплу
атации двухсекционного регенеративного теплообменника для утили
зации тепла уходящих дымовых газов и теоретически обоснован новый
способ нагрева насадки воздухонагревател- на основе ступенчатого
изменения температуры купола, обеспечивающий повышение температу
ры подогрева дутья без снижения стойкости футеровок аппарата;
.- произведены-исследования нестационарных тепловых -процес--сов. оказывающих существенное влияние на эффективность Функциони-ровзнкя воздухонагревателей, в соответствии с чем достигнуты еле-
'- 7 -дующіе теоретические и экспериментальные результаты:
а) экспериментально выявлены закономерности влияния на тер
мостойкость динасовоЯ клада скорости подъема температуры, а так
же величины внешеП нагрузки, обусловленной неравномерным обогре
вом клаггси'стен и невозможностью свободного термического расшире
ния отдельных элементов и участков;
б) разработаны матем-1 шческие модели теплопэреноса в футе
ровка радиальной стены воздухонагревателя с наличием связующего в
вертикальных ивах рабочего слоя-и без него, а также впервые раз
работана математическая модель напряженно-деформированного состо
яния футеровки стены теплообмешюго аппарата периодического дейс
твия с учетом реологических свойств связующего иежду злемента»и
кладки; . -
в) впервые-.разработана сопряженная по тепломаосопереносу ма
тематическая модель естественного охлаждения воздухонагревателей
с учетом тепловой аккумуляции огнеупоров футеровок. используя ко
торую можно определять расчетным путем температурное состояние
огнеупоров в зависимости от продолжительности отсечения аппаратов
от газовых коммуникаций.' а также разрабатывать оптимальные режимы
разогрева воздухонагревателя до рабочего состояния:
г) на основе морфологического и функционального синтеза тех-,
нических решений предложен'всесторонне оптимизированный техничее-
кш1 объект кауперного типа и построено. "древо альтернатив" технического развития регенеративных теплообменников для подогрева до-И6ННОГ0 дутья.
Совокупность сформулированных к обоснованных автором научных х/жж'КиЯ. разработанная методология КСИ-анализэ в приложении к Еысокотемпературиын теплообменникам периодического действия МОЖНО квалифицировать как перспективное научное; направление. позволяю-
-.8-. ... шее повысить 9Ффєкікв;<ость к экономичность получения горячего дутья и одновременно решить важные'экологическую и ресурсосберегающие задачи. .
Достоверность и обоснованность полученных результатов бззи-иуэтея на фундаментальных полоненнях теории тепло- и маессобмена. физически обоснованной постановке и корректности решения задач, сопоставлении их результатов с экспериментальными'исследованиями,' внедрением их в промышленности, а также подтверждается достаточно-хорошім согласованием численного моделирования с данными других авторе?.
Практическая ценность работу связана с разработкой методологии КСИ-аиализа технических объектов применительно к високотемпературним регенеративным теплообменникам, включающей в себя графо--англитичеекпз исследования избранного экспертами базового объекта, его функционально-морфологическую оптимизацию на'основе комплекса математических моделей,,а также формирование "древа альтернатив'1 к определение boeci'opofflte оптимизированного синтетического решения. . Под руководством и при, непосредственном участии автора достигнуты следующие основные.результаты: . .
разработан комплекс математических" модзлгй. позволяющий. приводить всесторонние исследования теплового и термокапряженного' состояния элементов . высокотемпературных регенеративных' теплообменников, а такке'выявить резервы их эффективности за счет Быбора рациональных режимных и конструктивных параметров;
предложена расчетно-эипирическая кетодика оценки величина тепювом , эффективности воздухонагревателя, - а также диагностики состояния футеровки камеры горения при наличии в процессе.эксплуатации аппарата эффекта "короткого замыкания";
разработана усовершенствованная конструкция доменного воз-
духонагреватгля с внутренней смещенной камерой горения, которая позволит на порядок снизить разность температур по периметру. камери горения и собственно воздухонагревателя;
- рекомендован способ установки специального кессона между
окатами камери горения, который позволяет, исключить "короткое за
мыкание" и повисить эффективность воздухонагревателей с внутрен
ней камерой горения;
. - предложен способ продувки воздухонагревателя в конце газового периода уходящими продуктами горения, сопряженный-с Ретоди--кой регулирования температуры купола аппарата рециркуляцией дыма;
рекомендован для промышленного испытания спрсоб экранирования клапана горячего дутья. коториП позволит улучпить условия службы клапана и футеровки штуцера горячего дутья, а также снизить потери температури по тракту горячего дутья;
предложен способ ступенчатого нагрева воздухонагревателя, который обеспечит повышенна температури нагрева дутья без снижения стойкости футеровки купола; \
-. предложена конструкция компактного двухсекционного регенератора для утилизация тепла уходящих дымовых газов;
- разработаны для' ЭВМ программы, реализующие математические
модели регенеративного теплообмена в, насадках, а такжо терькнап
рлкешюго состояния огнеупоров а Футеровках воздуконатргьатсл-'-й
для квазистациомаршк и переходных процессов.
Реализация результатов работы. Результаты ' теоретических " экспериментальных исследований явиЛ'.сь основой -дли нирфбломічес-кой и Функциональной оптимизации доменн'ыл роздухснаї-реьап'л&и.. на базе чего были внедрены соответствующий'технологические решения в услоьиях работы демс-чных цехов ли WAY", ' АО' "Свободный Сокол' с окономичрскл: з^ектсм 3S5.1 rucpjO. і ;г> -І95і г.J; 'предполагай-
- 10 -ный акономический эффект от внедрений разработок в 1995 г. на АО' "НЛМК" составит 680 млн: руб./год. Эти результаты включают:
внедрение оптимальных реяммов работы воздухонагревателей со ступенчатым регулированием расхода отопительного газа;
реализация доменных воздухонагревателей с внутренней смещенной камерой горения на АО "НЛМК" и АО "Свободный Сокол", позволившая повысить эффективность, .стойкость и продолжительность службы аппаратов;
внедрение на АО "НЛМК'" ячеистого стабилизатора газового потока, который способствовал значительному снижению пульсаций горения;
разработаны по заданию Научно-информационного центра интеллектуальной собственности внешен школы программные продукты для. персональных IBM-совместимых компьютеров, реализующие математические моделі Vasco- и теплообмена в регенеративных теплообменниках.
Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс ЛГТУ при чтении курсов лекций, а также в курсовом и- дипломном проектировании для специальностей "Теплотехника, автоматизация и экология промышленных печей" и "Промышленная теплоэнергетика".
Апробация' работа. Основные результаты и материалы диссертации были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах:
' Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях -"Энергосберегающие технологии" и теплоэнергетические проблемы оптимизации печного хозяйства металлургических предприятий" (г. Ми-агс. 1997 г.); "Обобщение опыта работы молодых ученых, инженеров и рабочих отрасли по экономии-материальных и энергетических ре-'.
. - и - . . сурсов" (г.Донецк. 1989 г.); "Теплотехническое обеспечение технологических процессов в металлургии" (г, Свердловск. 1990 г.); 3-П Всесоюзной научной конференции по проблемам энергетики и тепло-технологии "Интенсивное энергосбережение в промышленной,теплотех-нолопш" (г.Москва. 1991 г.): 1-й Российской национальной конференции по теплообмену, секции "Радиационный и сложный теплообмен" и "Теплопроводность, теплоизоляция" (г.Москва. 1994 г.).
Республиканских и . региональных научно-технических конференциях - "Повышение* эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии" (г.Днепропетровск,1989 г.), "Практика, проблеми разработки и внедрение ресурсосберегающих технологий (г.Липецк, 1987 г.); "Проблеми энерго- и ресурсосберегающих технологий в черной металлургии (г.Новокузнецк, 1989 г.): "Молодежь и научно-технический прогресс" (г.Липецк, 1989 г.); т Всесоюзных координационных совещаниях МЧМ СССР (г.Кривой Рог. 1937 г.. г.Днепропетровск. 19В9 г.).
Кроме того, материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях технических советов АО "НЛМК", АК "Тулач^р-м&г". АО "ЛипецкГИПРОМЕЗ", научных семинарах б ЛГТУ-н МЭИ.
Публикации. Результата исследований по- теме диссертации
опубликованы в 83 научных трудах (15 из них переведены a германии, Англии,США), 'в том числе получено и аьторских о'вид'.'Т-.-лі.-ств и патентов.
Структура и объем работы,. Диссертация состоит на вьі-д-ни.і,
семи глав, общих выводов, списка литературы из Зіо нлг.м..-нсі:ин;ш п.
приложений. Работа изложена - на SB0 стр. мажнописноги текста,
включая 105 рисунков и 9 таблиц. .