Исследование сложного теплообмена в трубах фильда и их использование в энергосберегающей схеме стекловаренной установки Хоанг Хак Хоанг

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи 11

1.1 Анализ энергетической эффективности технологий на объектах по выработке стекла

1.2. Способы повышения энергетической эффективности работы систем по выработке стекла .

1.3. Анализ мероприятий повышения интенсификации теплообмена, применяющихся для глубокой регенерации отходящей теплоты.

1.4 Вывод по главе 25

Глава 2 Выбор инструмента математического моделирования и его использования в задачах сложного теплообмена

2.1 Особенности математической постановки задачи 26

2.2 Расчет двухканального пластинчатого теплообменника 27

2.3 Исследование теплообмена в трубе Фильда в поле излучения высокотемпературного газа

2.4 Вывод по главе 50

Глава 3 Экспериментальное и вычислительное исследования гидродинамических характеристик установки с трубой Фильда

3.1 Постановка задачи 51

3.2 Описание экспериментальной установки 52

3.3 Результаты экспериментов 61

3.4 Обработка и анализ полученных результатов 70

3.5 Вывод по главе 86

Глава 4 Модель охлаждения стекломассы в студочной зоне, оснащенной трубами Фильда

4.1. Объект, математическая модель и её программная реализация

4.2. Представление и анализ результатов . 92

4.3. Вывод по главе 104

Глава 5 Использование труб Фильда в энергосберегающей схеме стекловаренной установки для утилизации теплоты расплава студочной зоны .

5.1 Энергосберегающие схемы для стекловаренной установки 106

5.2 Тепловой баланс стекловаренной печи 109

5.3 Расчет теплового баланса при использовании схемы В1 119

5.4 Расчет теплового баланса при использовании схемы В2 120

5.5 Расчет теплового баланса при использовании схемы ВЗ 121

5.6 Сопоставление энергосберегающих схем и оценка эффек- 122 тивности их использования в стекловаренной установке

Основные результаты и выводы 126

Список литературы

• Способы повышения энергетической эффективности работы систем по выработке стекла
• Расчет двухканального пластинчатого теплообменника
• Результаты экспериментов
• Представление и анализ результатов

Введение к работе

Актуальность темы диссертации:

Согласно экономической стратегии в России на период до 2030 г., внутренний спрос на топливно-энергетические ресурсы к 2030 г. вырастет в 1,6-1,7 раза по отношению к уровню 2005 г., в том числе потребление природного газа увеличится в 1,4-1,5 раза.*¹

По прогнозам в России цена природного газа на внутреннем либерализованном рынке может увеличиться по сравнению с уровнем 2005 г. в 2-2,5 раза в 2020 г. и в 3-3,5 раза в 2030 г. (в сопоставимых ценах).* '

Эффективность использования этого топлива в высокотемпературных установках (ВТУ) низка из-за значительных тепловых потерь во внешнюю среду через наружные ограждения (10-25 %) и с отходящими газами (до 70 %). При этом КПД агрегатов, использующих данный вид топлива, варьируется в интервале 15-30 94. *

Таким образом, актуальность задачи для плавильных процессов и установок в системах производства стекла, потребляющих природный газ, обусловлена значительными масштабами потребления природного газа, его растущей стоимостью и наличием существенного потенциала энергосбережения, т.е. разностью между действительным удельным расходом топлива и его теоретическим минимумом.

В настоящее время повышение эффективности использования топлива в ВТУ идет за счет уменьшения тепловых отходов и использования их теплового потенциала для данного или внешнего теплотехнологического процесса в энергосберегающих целях.

Анализ существующих энергосберегающих схем стекловаренных установок показал, что основным способом повышения энергетической эффективности их работы являются использование теплоты уходящих газов для подогрева воздуха горения.

Дополнительным энергетическим источником, позволяющим уменьшить затраты топлива на производство технологического продукта в стекловаренной установке, может быть теплота расплава стекломассы, рассеиваемая излучением в студочной зоне. Поскольку охлаждение технологического продукта происходит при температуре 1400-1200 С в пространстве с более низкой температурой, имеет смысл использовать эту теплоту (в зависимости от её потенциала) для подогрева шихтовых материалов и/или окислителя. Для этого предлагается использовать трубы Фильда, которые, согласно литературным данным, являются эффективным средством передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Цель работы заключается в исследовании и совершенствовании элементов энергосберегающих схем утилизации тепловых отходов стекловаренной установки, на основе моделирования теплообмена в зоне охлаждения технологического продукта и теплообменном оборудовании, оснащенных трубами Фильда.

*' Проект. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года.

*² Ключников А. Д. Энергетика теплотехнологии и вопросы энергосбережения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Выбрать инструмент моделирования и провести его тарировку на примере решения сопряженной задачи теплообмена для двухканального теплообменника с различными граничными условиями на его наружных поверхностях.

Разработать двухмерную математическую модель сложного теплообмена в трубе Фильда, омываемой высокотемпературным газом. Сопоставить результаты расчета по ней с данными расчета по одномерной инженерной модели с распределенными параметрами и указать допустимую область применения последней, а так же определить влияние условий теплообмена и геометрических характеристик трубы Фильда на выходные параметры нагреваемого (охлаждаемого) теплоносителя.

- Выполнить экспериментальные исследования теплообмена в трубе
Фильда, омываемой горячим теплоносителем в области умеренных темпера
тур, и сопоставить полученные результаты с данными численного моделиро
вания для проверки адекватности разработанных моделей.

- Разработать математическую модель лучистого охлаждения стекломас
сы в студочной камере, оснащенной трубами Фильда, и определить условия,
при которых нагреваемый теплоноситель приобретает наибольшую темпера
туру, при требуемой выходной температуре технологического продукта.

- Исследовать возможность использования труб Фильда в теплообменном
оборудовании и студочной зоне для подогрева окислителя и шихтовых мате
риалов, в сравнении с существующей энергосберегающей схемой утилиза
ции теплоты отходящих газов.

Научная новизна:

l.Ha основании математического моделирования установлено влияние условий теплообмена и геометрических характеристик трубы Фильда на выходные параметры нагреваемого (охлаждаемого) теплоносителя.

1. Экспериментально выявлена неравномерность распределения температуры в продольном и поперечном направлениях трубы Фильда. Получено хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами численного моделирования теплообмена, выполненного в программном комплексе PHOENICS, в области умеренных температур.

2. Впервые, на основе современного вычислительного комплекса, проведено численное исследование лучистого охлаждения стекломассы в студочной зоне, оснащенной трубами Фильда, что позволило определить профили скоростей и температур в поперечных сечениях расплава, а также выявить рациональные режимы работы студки.

3. На основе разработанных математических моделей исследованы энергосберегающие схемы утилизации тепловых отходов стекловаренной установки и предложены решения, позволяющие существенно снизить расход топлива по сравнению со схемой использования теплоты отходящих газов для подогрева окислителя.

5. Показано, что наибольшим КПД обладает стекловаренная установка, в энергосберегающей схеме которой используются трубы Фильда для утилизации теплоты отходящих газов и энергии излучения расплава студочнои зоны с целью подогрева шихты и окислителя.

Достоверность. Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на использовании современных программ численных исследований (MathCAD, PHOENICS), методах проведения натурных исследований и их обработки, а так же на соответствии результатам исследований других авторов.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты (модели, эмпирические зависимости и графический материал) позволяют:

расчетным путем установить соотношение проходных сечений KuiiuJiuS 5 трубе Фильда, находящейся в поле излучения высокотемпературного газа, при котором достигается наибольшая температура нагреваемого теплоносителя;

выбрать рациональный режим работы студочнои зоны, оснащенной трубами Фильда для утилизации энергии теплового излучения технологического продукта;

существенно снизить расход топлива для получения единицы технологического продукта;

определять энергетическую эффективность использования предложенных энергосберегающих решений.

Основные положения, выносимые на защиту:

Математические модели и результаты расчетов сложного теплообмена в трубах Фильда, находящихся в поле излучения высокотемпературного теплоносителя;

Результаты натурных и численных экспериментов по моделированию теплообмена в трубе Фильда, омываемой жидким теплоносителем в условиях умеренных температур;

Интерполяционные зависимости и графический материал, полученные по результатам численного моделирования лучистого охлаждения расплава в студочнои зоне (оснащенной трубами Фильда), позволяющие определить рациональные режимы её работы;

Энергосберегающее решение, основанное на использовании труб
Фильда для утилизации тепловой энергии излучения расплава студочнои зо
ны и отходящих газов для подогрева воздуха горения и исходного материала
(шихты).

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 15 и 16-ой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 2009 г. и 2010 г.);

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, в том числе в 1-ой статье в реферируемом журнале из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, список литературы включает 76 наименований.

Во введении показана актуальность темы диссертации. Поставлена цель и сформулированы задачи работы. Показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе дан обзор энерго- эффективных технологических схем производства стекла, определена цель и сформулированы задачи данной ра-

Производство стекла - один из наиболее энергоемких технологических процессов, реализованных в промышленности России. Согласно литературным данным в современных печах только 70% затраченной энергии используется в процессе плавления и переработки стекла. Из этих 70%, только 40 % энергии, полученной при сжигании топлива, поступает на плавление технологического материала, в то время как 60% теряется через наружные ограждения печи и с нагретыми дымовыми газами. Кроме того, по оценкам экспертов стекольная отрасль, являясь значимым потребителем топлива и энергии, вносит заметный вклад в выбросы парниковых газов.

Анализ существующих схем утилизации тепловых отходов стекловаренных установок показал, что к основным способам, повышающим энергетическую эффективность работы систем выработки стекла, относятся схемы использования теплоты уходящих газов для подогрева воздуха горения или шихтовых материалов.

В 1-ом случае в качестве регенеративного устройства в схеме с воздушной регенерации обычно используется стальной кожухотрубный рекуперативный теплообменный аппарат, в котором воздух, поступающий на горение, нагревается за счет теплоты отходящих газов до температуры около 700-750 С.

Что касается второго случая, то в подогревателях шихты и стеклянного боя (применяемые в стеклоплавильной промышленности с середины 80-х годов) исходный материал нагревается до температур порядка 250- 500С, что позволяет регенерировать 12-18 % затраченной энергии.

Другие, отмеченные в обзоре, технологические решения по дальнейшему сбережению энергии (вплоть до теоретического предела) оказываются труднореализуемыми на сегодняшний день из-за отсутствия или высокой стоимости требуемых материалов, либо больших капитальных вложений.

Тем не менее, дополнительным энергетическим источником, позволяющим уменьшить затраты топлива на производство технологического продукта в стекловаренных установках, может служить энергия теплового излучения стекломассы, рассеиваемая в студочной зоне. Для утилизации этой теп-

лоты предлагается использовать в зоне охлаждения расплава трубы с двойной циркуляцией, т.е. трубы Фильда, которые по данным литературного обзора являются эффективным средством передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Обзор литературы, посвященной расчету теплообмена в трубе Фильда, омываемой горячим теплоносителем, показал, что привлекаемые для этой цели модели являются одномерными. В них используется допущение о доминировании конвекции над кондукцией и излучением. Это, с одной стороны, упрощает решение задачи, поскольку позволяет свести все механизмы переноса к конвективному теплообмену, а с другой - ограничивает область их применения, т.к. при изменении условий теплообмена требуется новое определение области допустимых значений используемых величин. Снять эту проблему можно с помощью современных вычислительных комплексов таких как PHOENICS, FLUENT, CFD и т.д.

Во второй главе сделан выбор инструмента для математического моделирования теплообменных процессов и проведена его тарировка на примере решения сопряженной задачи теплообмена для двухканального теплообменника с различными схемами движения теплоносителей и разными граничными условиями на его наружных поверхностях.

Установлено, что одномерная модель с сосредоточенными параметрами может использоваться в инженерной практике для оценочных расчетов, когда погрешность в 15% не считается значительной. Для более точного расчета рекомендуется использовать двухмерную модель с распределенными параметрами, которая может быть реализована в таких вычислительных комплексах как PHOENICS или FLUENT.

Здесь же представлена двухмерная математическая модель для описания сложного теплообмена в трубе Фильда, омываемой высокотемпературным газом. Проведено сопоставление результатов расчета по этой модели с расчетом по одномерной инженерной модели с распределенными параметрами и определено влияние условий теплообмена и геометрических характеристик трубы Фильда на выходные параметры нагреваемого (охлаждаемого) теплоносителя.

Рис. 1. Труба Фильда и направления движения теплоносителя: 1 - центральная трубка; 2 - тупиковый конец трубы Фильда; 3 - внешняя трубка; 4 - направление движения теплоносителя; 5 - поток дымовых газов.

На рис. 1 представлена труба Фильда с указанием направления движения теплоносителя

Для исследования теплообмена в радиационном рекуператоре с трубами Фильда разработаны две математические модели. Одна из них реализована в среде MathCad и является одномерной моделью с распределенньши параметрами, другая - двумерная модель и создана в вычислительном комплексе PHOENICS.

Система уравнений, описывающая одномерный процесс теплообмена, имеет вид:

a, (»i -t_a)d_m =a"₂(t_a -»г)<і„г +e„U_cl -l_cl)d_m

»2('c2-'2)^ai+^a2fe-'2)^B!=«l-2('ci-⁽C2)^H2

о)

где tQi, tQ₂, h> ⁽2> ^l2 ~~ температуры наружной и внутренней стен трубы Фильда, дымовых газов и нагреваемого теплоносителя в центральной трубке и в кольцевом канале, соответственно;

^нь ^вь <^Н2> ^В2>' ~~ наружный и внутренний диаметры внешней и центральной трубки, а так же расчетный шаг (/ й 0,5м);

«2', аг, ^а2 -коэффициенты теплоотдачи от наружной и внутренней стен трубы Фильда к теплоносителю в кольцевом канале, а так же от внутренней стенки трубы Фильда к теплоносителю в центральной трубке;

огі_2⁼⁵-^б7'^Ісг8с2 yaf+VcTJ 4^1+]^- коэффициент теплоотдачи излучением между стенками кольцевого канала трубы Фильда, Вт/(м²К);

or, =5.67-10^-8 [(^І+і^сіЛч⁷^+^ - коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов к трубе Фильда, Вт/(м²К);

V], \^т2 - расход дымовых газов и нагреваемого теплоносителя, м³/с;

N— число труб Фильда в составе радиационного рекуператора;

Ф,ц- коэффициент пересчета лучистой поверхности нагрева к полной поверхности и коэффициент рассеивания тепла в окружающую среду;

с2> г- степень черноты стенки внутренней трубы и дымовых газов;

подстрочный индекс п - номер поперечного сечения трубы Фильда;

В отличие от модели Хмельницкого Р.З.*³ модель (1) учитывает возможность не симметричной конвективной теплоотдачи на стенках кольцевого канала, которая рассчитывается по формулам Петухова Б.С.*⁴

Расчетная схема теплообмена в трубе Фильда, находящейся в поле излучения высокотемпературных газов для одномерной модели с распределенными параметрами представлена на рис. 2.

*³ Хмельницкий Р. 3. «Стальные рекуператоры. Расчет и основы проектирования». *⁴ Петухов Б.С. и др. Теплообмен в ядерных энергетических установках.

^Qrajrt

Рис.2. Теплообмен в выделенном элементе трубы Фильда: AQmir тепловой поток излучения от дьмовых газов к стенке внешней трубки;

AQiffiu" результирующий ТЄШЮВ0Й ПОТОК ИЗЛуЧЄНИЯ В КОЛЬЦеВОМ Канале; AQkohbI, AQ_kohb2,

AQtohb3- конвективные тепловые потоки от стен к теплоносителю.

Система уравнения (1) методом последовательного исключения неизвестных была сведена к двум уравнениям с неизвестными t_C\, ta- Их решение было выполнено имеющимися в MathCAD численными и графическими средствами.

Двухмерная математическая модель, разработанная в вычислительном комплексе PHOENICS, включает в себя уравнения неразрывности, движения, энергии, уравнение кинетической энергии турбулентности и уравнение диссипации энергии турбулентности при соответствующих граничных условиях и параметрах к-Е модели турбулентности. Данные уравнения имеют общую форму:

^Ь> + _divip_iVi0. - Г_ф. gradfa ))=,

(2)

где Ф,- - любое удельное свойство і-й фазы, такое как энтальпия, импульс, массовая доля химической компоненты, энергия турбулентности и др.; vj- вектор скорости і-й фазы;

Гф. - диффузионный коэффициент свойства Ф в і-й фазе; S;- источник свойства Ф.

Для описания механизма переноса теплоты излучением использован модуль IMERSOL, входящий в комплект вычислительного пакета PHOENICS.

Результатами, полученными при расчете в программе PHOENICS по двухмерной модели, являются поля скоростей, температур и давлений в каналах, а так же локальные значения чисел Нуссельта и коэффициентов теплоотдачи вдоль каналов трубы Фильда.

На рис. 3 сопоставлены результаты математического моделирования, выполненного по одномерной модели с сосредоточенными параметрами и двухмерной модели, разработанной в PHOENICS.

1.2х10³

1.4х10³

"0 0.15 0.3 0.45 0.6 0,75 0.9 J.05 1.2 1.35 1.5 1.65 1.$

Рис. 3. Распределение температуры дымовых газов (верхняя кривая) и нагреваемого теплоносителя (смыкающиеся кривые) вдоль трубы Фильда: 1- расчет по PHOENICS, 2- расчет по инженерной методике с шагом 0.1 м (белые маркеры) и 0.2 м (черные маркеры)

Видно, что обе модели показывают аналогичную динамику изменения температуры нагреваемого теплоносителя и дымовых газов вдоль трубы Фильда.

Анализ расчета по двухмерной модели показал, что скорость и температура теплоносителя имеют существенную неравномерность в поперечном сечении трубы Фильда. Кроме того, интенсивность нагрева воздуха во внутренней трубке и в кольцевом канале существенно различаются. Поэтому в данной работе было проведено исследование влияния размеров проходных сечений каналов в трубе Фильда на выходную температуру нагреваемого теплоносителя.

В расчете, изменение соотношения площадей проходных сечений каналов осуществлялось варьированием размера внутреннего диаметра центральной трубки, при неизменных значениях внутреннего диаметра внешней трубки и других геометрических параметров трубы Фильда.

Результаты расчета показали, что при отношении площади проходного сечения внутренней трубы к проходному сечению кольцевого канала Sj/Sa ~ 0.3 достигается максимальная температура нагреваемого теплоносителя (воздуха) на выходе трубы Фильда (рис.4).

I 560

530 -=- Н

0.6

0.2

0.1

0.3 0.4 0.5 Соотношения S1/S2

Рис. 4. Изменение температуры нагреваемого теплоносителя на выходе трубы Фильда, при его температуре на входе равной О С, в зависимости от величины соотношения Si /S2 (где Si и S2 - площади проходных сечений каналов на входе и выходе трубы Фильда)

В третьей главе представлены результаты экспериментальных и численных исследований теплообмена в условиях умеренных температур между горячим и холодным теплоносителями, протекающими соответственно в цилиндрическом кожухе и, размещенной на его оси, трубе Фильда.

Экспериментальные исследования выполнены на стенде (рис. 5), содержащий рабочий участок, насосы, термостат, два контура для прокачки холодного и горячего потоков, измерительный комплекс «ВИСТ», «ИРТИС-200» и компьютерный измерительный комплекс (КИК), имеющей систему сбора данных серии RealLab! модель RL-32RTD.

Рис.5 - Принципиальная схема установки (а) и рабочий участок (б) с указанием направления движения теплоносителей.

Использование в установке измерительных приборов с разным принципом действия для определения однотипных параметров обусловлено необходимостью иметь достоверные данные о значениях исследуемых величин. Так, определение тепловизионным методом температурных полей необходимо для

верификации данных полученных контактным методом в локальных точках физической модели, а также для оценки искомых величин, полученных входе численного моделирования в программном комплексе PHOEMCS.

Эксперименты были проведены при расходе горячего теплоносителя 0.5 т/ч (0.139 кг/с), и вариации холодного теплоносителя в диапазоне (0.2- 0.5) т/ч (0.056*0.139 кг/с). Значения температур холодного и горячего теплоносителей на входе измерительных участков варьировались в интервалах 3,5-5-5 и 58+59 С, соответственно.

Относительная погрешность измерения расхода, в указанном диапазоне составила не более 0,6 %. Абсолютная погрешность измерения температуры рассчитывалась по выражению At = 0,6 + 0,004.x, где t - измеряемая температура. Относительная погрешность определения температуры и тепловой мощности не превышает 1,5 % и 4 % во всем исследуемом диапазоне разности температур холодного и горячего теплоносителей.

Результаты экспериментальных и числительных исследований представлены на рис.6-7.

Рис.6. Изменение температуры теплоноси- Рис.7. Температура поверхности рабочего
телей по данным одномерной модели и по- участка с тепловой изоляцией и без нее:
казания приборов на входе и выходе рабоче- 1.4- данные тепловизионной съемки; 3,6-
го и измерительных участков расчет по программе PHOENICS; 2,5- ап
проксимация тепловизионных данных.

Видно, что различие в температурах, определяемых разными методами, незначительно. Существующее (12 %) отличие в значениях температур, определенных экспериментально и расчетом по одномерной модели (рис. 6), объясняется тем, что в последнем случае не учитывается реальная геометрия рабочего участка.

В табл. 1 сведены данные температурных измерений, выполненных контактными и тепловизионньш методами, а также результаты расчета тепловых поступлений от нагревающего теплоносителя к нагреваемому теплоносителю и окружающей среде.

Таблица 1 - Средние значения определяемых величин в численном и натурном экспериментах

Видно, что тешюпоступления от нагревающего к нагреваемому теплоносителю, рассчитанные по 1-му и 2-ому балансу, сопоставимы по величине и не превышают 10 % барьера относительной погрешности.

Результаты расчётных и экспериментальных данных, представленные в таблицах 2 и 3 показывают, что математическая модель рабочего участка, выполненная в вычислительном комплексе PHOEHICS, с меньшей погрешностью согласуется с экспериментальными результатами, по сравнению с одномерной инженерной моделью, поскольку учитывает геометрию исследуемого объекта и трехмерный характер течения теплоносителей.

Представленная в таблице 3 относительная погрешность 5t определена по формуле 5г = Ш_э - Мф )/AtJ, 100 %, где А(_э, Аіф - разности температур теплоносителя на входе и выходе исследуемого участка, полученных соответственно в эксперименте и расчетом по программе PHOENICS.

Таким образом, разработанная в PHOENICS модель может быть использована для проведения теплотехнических расчётов при определении различных режимных и конструктивных параметрах теплообменного оборудования.

Таблица 2 - Результаты расчета теплового баланса на рабочем и измерительных участках холодного и горячего трактов

Табл. 3 - Данные по перепаду температур по каждому тракту при разных расходах

теплоносителей

В четвертой главе представлены результаты исследований, являющиеся основой для совершенствования элементов энергосберегающих схем стекловаренной установки.

Необходимой технологической стадией в процессе производства стекла является студка стекломассы до температуры, требуемой для ее последующего формования.

Обычно охлаждение расплава стекломассы осуществляется в студочной зоне стекловаренной установки и далее в технологическом процессе не используется. Поскольку расплав в этой зоне имеет температуру 1400-1200 С, разумно исследовать возможность использовать энергию его теплового излучения (в зависимости от её потенциала) для подогрева шихтовых материалов и/или окислителя. Для этого предлагается применить трубы с двойной циркуляцией теплоносителя, т.е. трубы Фильда, которые являются эффективным средством передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Для реализации данного предложения в программном комплексе PHOENICS была разработана математическая модель, описывающая процесс охлаждения стекломассы в студочной зоне и передачу её тепловой энергии излучения нагреваемому теплоносителю (воздуху), движущемуся в трубах Фильда. Это позволило исследовать влияния шага и высоты расположения труб Фильда на температурный перепад по толщине расплава, вдоль всей студочной зоны, и на длину пути его охлаждения до требуемой температуры.

На рис. 8 представлена модель зоны охлаждения стекломассы с вариантом расположения труб Фильда, при котором наблюдался наименьший перепад температуры, по толщине расплава и средняя его температура, на выходе студочной зоны, соответствует технологическим требованиям (1200 С).

Рис. 8 - Продольный и поперечный разрезы студочной зоны и расположение в ней труб

Фильда: 1 - кладка из динасового глазированного кирпича; 2 - поток стекломассы;

3 - воздух; 4 - трубы Фильда.

При обработке данных математического моделирования в среде MathCad получены эмпирические зависимости (3-4) и диаграмма (рис. 9), которые по-

зволяют по расходу стекломассы (G_gi) и воздуха в трубах Фильда (Gair.i⁼21'Gair) определить длину участка охлаждения технологического продукта до требуемой нормами температуры (1200 С).

1(0,,,0^) = 5.16 + 2.31.10^,,-9660^+0.740^0^+4.77-10^^+1.74.10^^, (3)

КС_г„0_о,_л) = 129 + 115G_?, +8.10⁴G_o(r-57.59G_g;G_m>-1.16-10-³G^,-3.77-10⁶Gi (4)

Здесь G_gi, Gair - расходы стекломассы и воздуха соответственно в студочной зоне и трубе Фильда.

0 12 3 4 Чаг>^м'^с 5

Оаг«10³,КГ/с

Рис. 9 - Влияние расходов нагреваемого (воздуха) и охлаждаемого (расплава)

теплоносителей на конечную температуру 1-го и длину участка охлаждения 2-го

до требуемой температуры в студочной зоне

На этом же рисунке показано как для 5-ти метровой студочной зоны стекловаренной установки, заданной производительности, определить расход нагреваемого теплоносителя и его конечную температуру, чтобы охлаждаемый теплоноситель (расплав) имел на выходе температуру, соответствующую технологическим требованиям.

В пятой главе представлены результаты исследований энергосберегающих схем для утилизации тепловых отходов стекловаренной установки.

В таблице 4 приведены три варианта энергосберегающих схем (рис. 10) для утилизации тепловых отходов стекловаренной установки производительностью 250 т/сут. В первом варианте теплота уходящих газов используется для подогрева окислителя, а во втором - для подогрева окислителя и шихтовых материалов. Третий вариант энергосберегающей схемы отличает-

ся от второго тем, что предварительный подогрев шихты является двухступенчатым процессом. На 1-ой ступени исходный материал нагревается за счет теплоты отходящих газов, а на второй - догревается за счет теплоты воздуха, поступающего из труб Фильда студочной зоны.

Таблица 4 - Теплотехнические параметры энергосберегающих схем стекловаренной установки при производительности 250 т/сут

Примечание: В схеме ВЗ температура воздуха на входе труб Фильда в 5-ти метровой студочной зоне стекловаренной установки равна 0 С, а на выходе, согласно диаграмме, представленной на рис. 9, имеет 500 С при расходе 0.0029 кг/с. В этом случае технологический продукт на выходе из студки буде иметь температуру 1200 С.

Схема В1

Схема В2

УГ

Схема ВЗ Рис. 10 - Исследуемые энергосберегающие схемы стекловаренной установки

Видно, что при использовании в стекловаренной установке энергосберегающих схем В2 и ВЗ наблюдается более глубокая утилизация теплоты отходящих газов по сравнению со схемой В1. Температура уходящих газов в

схеме Bl в 2,5 раз больше чем в схемах В2 и ВЗ, поэтому вклад последних схем в тепловое загрязнение окружающей среды не столь значительный по сравнению с 1-ой схемой.

На рис. 11 представлены данные по расходу топлива и КПД стекловаренной установки для различных схем утилизации тепловых отходов.

Рис. 11 - Расход-экономия топлива (а) и КПД (6) стекловаренной установки при использовании разных схем утилизации тепловых отходов:

В1- схема термической регенерации отходящих газов для подогрева воздуха; В2 - схема термической регенерации отходящих газов для подогрева воздуха и шихты; ВЗ - комплексная схема, реализующая подогрев окислителя и исходного материала за счет утилизации теплоты отходящих газов и расплава студочной зоны

Из приведенных диаграмм видно, что использование комплексной схемы (ВЗ) в место схемы с воздушной регенерацией (В1) может обеспечить снижение расхода топлива на 20 % и повысить КПД на 7 %.

Способы повышения энергетической эффективности работы систем по выработке стекла

В энергозатратных плавильных процессах большое количество тепла теряется с отходящими газами технологического процесса. Эту теплоту можно использовать, направив отходящие газы на подогрев исходных материалов. Основная цель данной технологии - передать тепло от отходящих газов плавильной печи шихте и, тем самым, увеличить производительность печи. Применение системы подогрева позволяет снизить затраты энергии и снизить объемы вредных выбросов [16, 21]. Одним из вариантов реализации данного направления является разработанный в МЭИ (ТУ) теплотехнический принцип организации плавильного процесса на основе перфорированного слоя материала [6]. При этом возможно обеспечить комплексную регенерацию теплового потока с отходящими газами Qor и теплового потока через ограждение печи в окружающую среду. Для интен 13 сификации процессов теплообмена при подогреве исходные технологические материалы агломерируются, образуя перфорированный слой.

В начале 1980-х годов повысился интерес к технологиям по регенерации тепловых отходов топливных плавильных печей. Это произошло вследствие высокой стоимости топлива и его дефицита в результате энергетического кризиса 1970-х годов. Кроме того, поскольку реконструкция печей в целях увеличения их производительности требовала значительных капитальных вложений, предпочтительнее оказалось форсирование существующих печей. Однако использование в промышленности технологий по предварительному подогреву исходного технологического материала было ограничено, так как исследованию и разработке данных решений препятствовало ограниченное финансирование и невозможность окупить вложенные средства. В настоящее время с ростом цен на топливо эта энергосберегающая технология является весьма перспективной [4].

При разработке систем предварительного подогрева был применен ряд инновационных решений. Подогрев сырья позволяет снизить температуру факела в рабочей зоне печи, и как следствие, снизить количество оксидов азота в дымовых газах. В подобных печах подогреваемый с помощью нагретых дымовых газов технологический материал плавает на поверхности расплава. Регенерация Тепловых отходов с помощью подогрева шихты позволяет более экономично эксплуатировать плавильную печь или увеличить выработку технологического материала, форсируя печь, таким образом, снижая затраты на производство единицы продукции. Подогрев шихты в печи по выработке стекла до 540С позволяет регенерировать приблизительно 0.5 ГДж на тонну продукции [6].

Начиная с середины 80-х годов, в стеклоплавильной промышленности был использован ряд подогревателей шихты и стеклянного боя. В данных аппаратах температуры подогрева шихты и стеклобоя составлял порядка 250- 500С, и это позволило регенерировать 12-18 % затраченной энергии. В настоящее время во всем мире используются подогреватели шихты различной конструкции [16].

Схема производства стекла с помощью системы предварительного подогрева шихты представлена на рис. 1.1. V іor k им В 1Г УГ J п 1 т 1 тп Рис. 1.1. Схема стекловаренной установки с предварительным подогревом шихты. П — печь; В - холодный воздух; ИМ - исходный материал; ТП - технологический продукт (стекломассы); ОГ - отходящие газы; УГ - уходящие газы; Т - топливо (природный газ);

В настоящее время в стекловаренной промышленности широко используются установки с воздушной регенерацией тепловых отходов. Печи данной конструкции применяются в стекловарении в виде сравнительно небольших капитальных затрат на их сооружение и эксплуатацию. В качестве регенеративного устройства в схеме с воздушной регенерацией используется стальной кожухотрубный рекуперативный теплообменный аппарат. Он применяется для подогрева воздуха, поступающего на горение, за счет теплоты газовых отходов, имеющих высокую температуру (до 1400 С). Типичная конструкция стекловаренной установки с воздушной регенерацией схематически показана нарис. 1.2. [6, 8, 21] пм1С J гв хв1 п ог вп2 ВПт F J УГ т 1 111 f V Рис. 1.2. Схема стекловаренной установки с воздушной регенерацией: П - печь; ВПЬ ВГІ2 - воздухоподогреватели первой и второй ступени; ХВ - холодный воздух; ГВ - горячий воздух; ИМ - исходный материал; ТП - технологический продукт; ОГ - отходящие газы; УГ - уходящие газы; Т - топливо (природный газ); Холодный воздух (ХВ), имеющий температуру окружающей среды, проходя последовательно через воздухоподогреватели первой и второй ступени ВПі и ВП2 , нагревается до температуры около 700-750 С и поступает на горение в качестве окислителя. Дымовые газы, покидающие стекловаренную установку, направляются в воздухоподогреватели, где охлаждаются, сообщая теплоту воздуху, и покидают технологический цикл [6,21].

Расчет двухканального пластинчатого теплообменника

На рис.2.6 сопоставлены изменения числа Нуссельта Nu вдоль каналов, полученного по различным методикам. Видно, что погрешность числа Nu уменьшится с удалением от входного сечения. Это связано с тем, что при итерационном расчете по инженерной методике теплофизические свойства и параметры теплоносителей предполагаются неизменными вдоль канала. Такое предположение приводит к неточности в определении параметров, которая накапливается по ходу расчета и становится максимальной в последнем сечении.

Величина числа Nu, рассчитанная по инженерному методу, составила (60 - 70), а с помощью двумерной модели находиться в диапазоне (55-61). Расхождение результатов, полученных с помощью данных моделей, невелико, и максимальная погрешность температуры составила менее 10%.

В таблице 2.4 показано сопоставление результатов расчета теплообмена в двухканальном теплообменнике, выполненных по различным методикам при различных граничных условиях.

Из таблицы видно, что: расхождение между результатами расчета по рассматриваемым моделям не превышает 15%. Наибольшая суммарная погрешность в определении температуры теплоносителей на выходе теплообменника наблюдается при адиабатных условиях на внешних поверхностях аппарата. Наименьшая суммарная погрешность в определении коэффициентов гидравлического сопротивления и теплопередачи наблюдается при адиабатных условиях на внешних поверхностях аппарата.

Наибольшая погрешность в определении коэффициента теплопередачи приходится на граничные условия 3-его рода на внешних поверхностях аппарата. Таблица 2.4. Сопоставление результатов расчета теплообмена в двухканальном теплообменнике, выполненных по различным методикам Наименование объектов и величин По формулам 4,5 и 6 По PHOENICS при граничных условиях на наружных поверхностях теплообменника По модели с сосредо ГУ 1-го рода, f#.cm = 80C ГУ 2-го рода (адиабата) ГУ 3-го рода ос = 8Вт/(м2К), = 25С точенными параметрами Величина Погрешн.,% Величина Погрешн.,% Величина Погрешн.,% Величина Погрешн.,% Температура сухого воздуха на выходе, С холодный канал 71,432 67,742 67,855 71,09 горячий канал 175,838 192,262 186,601 187,09 Коэффициент гидравлического сопротивления холодный канал 0,022 0,022 0,0 0,023 4,5 0,022 0,0 0,0228 4 горячий канал 0,025 0,025 0,0 0,025 0,0 0,025 0,0 0,0244 2 Расчет числа Nu по КО холодный канал 99,722 90,346 9,40% 99,621 0,10% 87,536 12,22% 88,25 12 горячий канал 60,735 60,207 0,87% 60,833 0,16% 54,977 9,48% 70,23 16 Расчет козі іфициснта теплоотдачи а по КО холодный канал 36,149 32,75 9,40% 36,113 0,10% 31,732 12,22% 35,07 3 горячий канал 29,836 29,577 0,87% 29,884 0,16% 27,017 9,45% 31,96 7 Коэффициенттеплопередачик 16,343 15,539 4,92% 16,35 0,04% 14,591 10,72% 16,72 2 2.2.5. Выводы Из полученных результатов видно, что одномерная модель с сосредоточенными параметрами может использоваться в инженерной практике для оценочных расчетов, когда погрешность в 15% не считается значительной. Для более точного расчета рекомендуется использовать двухмерную модель с распределенными параметрами, которая может быть реализована в таких вычислительных комплексах как PHOENICS или FLUENT.

Полученные результаты математического моделирования образуют основу для совершенствования методик расчета процессов и конструктивных элементов теплообменных аппаратов.

Рассматриваемая труба Фильда состоит из двух коаксиальных металлических трубок, одна из которых установлена внутри другой. Принципиальная схема элемента изображена на рис. 2.7 [43-45] . Поток воздуха вначале движется по центральной трубе 1, разворачивается в тупиковом конце 2 и протекает далее по межтрубному кольцевому пространству. Нагретые дымовые газы обтекают внешнюю поверхность теплообменного элемента. При этом теплообмен между наружной трубой, внутренней трубой и потоком теплоносителя происходит следующим образом (рис. 2.7).

Рис. 2.7 - Труба Фильда с указанием направления движения теплоносителя. 1- центральная трубка; 2- тупиковый конец трубы Фильда; 3- внешняя труба; 4- направление потока теплоносителя; 5- поток дымовых газов. Наружная стенка обогревается извне радиационным тепловым потоком Ораді Часть этого потока тепла передается далее на внутреннюю трубу излучением Qpaa2- Воздух, двигаясь вначале внутри трубы, нагревается путем конвекции от внутренней стенки, тепловой поток при этом QKOHBI- Далее, двигаясь в кольцевом канале, воздух продолжает нагреваться конвективным тепловым потоком от наружной QKOHB2H внутренней трубы QKOHB3- (на рис.2.8).

Результаты экспериментов

Правая часть уравнений (3.3)-(3.4) представлена таким образом, что бы отделить величины, определяемые с помощью измерительной системы «ВИСТ» от тех величин, значения которых устанавливаются благодаря другим приборам. Это сделано потому, что последние, в отличие от первых, замеряют температуры поверхностей, а не теплоносителей. При хорошей изоляции рассматриваемых участков величинами второй группы можно пренебречь. В этом случае разность теплопоступлений от горячего теплоносителя к холодному, вычисляемых по уравнениям (3.3) и (3.4), позволяет определить величину невязки по формулам N=(Q:-Q X)-(Q;-Q;), =J -IOQ% (З.5) Полученная величина невязки позволяет судить о верности используемого допущения и качестве выполненных экспериментов. В среднем, величина теплопоступлений от горячего теплоносителя к холодному, рассчитывается по формуле Єгх=0.5-[(й-Єх)-(а-Єг1±5Єгх, SGrx=l-( 2x-2x)/rx (3-6)

Основы 2-го варианта обработки данных эксперимента. Если тепловая изоляция не достаточно хороша и тепловыми потерями (поступлениями) на рассматриваемых участках пренебречь нельзя, то можно положить, что температура теплоносителей на границе участков незначительно отличается от температуры патрубков, стенки которых термически тонкие. Это позволяет использовать указанные температуры в уравнениях теплового баланса по холодному и горячему трактам.

Выражения (3.7) и (3.9) отражают теплопоступления на 1-ом и 2-ом измерительных участках, а выражение (3.8) - на рабочем участке. Суммарные тепло-поступления к нагреваемому теплоносителю по холодному тракту определятся из равенства:

Тепловые потери нагревающего теплоносителя на рассматриваемых участках горячего тракта могут быть рассчитаны по следующим формулам:

Выражения (3.11) и (3.13) отражают теплопоступления на 1-ом и 2-ом измерительных участках, а выражение (3.12) - на рабочем участке. Заметим, что тепловой поток с наружной поверхности рабочего участка во внешнюю среду может быть вычислен по одной из двух формул бгТ = «н W( .py " в) (ЗЛ4) Суммарные тепловые потери нагреваемым теплоносителем определятся из выражения: QrZ =2гЛщ+2г!ру+2т$ау = GT Fpx41vry) tlviy-cp.r\2viyyt2isy\ (ЗЛ6) Результаты расчетов, выполненные в среде Mathcad в соответствии с 1-ым вариантом обработки экспериментальных данных, приведены в прил. В. Результаты расчетов, полученные в соответствии со 2-ым вариантом обработки экспериментальных данных, приведены в табл. 3.11-3.14.

Примечание: Здесь Q - количество теплоты теряемой горячим теплоносителем в единицу времени на рабочем участке; 0 р.ыл - количество теплоты получаемой холодным теплоносителем в единицу времени на рабочем участке; QlX-воз= Q-llr — Тепловые потери рабочего участка, т.е. количество теплоты отдаваемой горячим теплоносителем окружающей среде (воздуху) на рабочем участке в единицу времени. Таблица 3.15 - Результаты расчета по данным табл. 3.8- 3. Время, мин. Q Qpy гор-хол Qpy гор-воз

Одномерная модель и результаты расчета по исходным экспериментальным данным Основные допущения, используемые в одномерной модели с распределенными параметрами: потоки теплоносителя имеют преимущественное направление движения; теплообмен протекает при доминирующем влиянии конвекции; стенки труб имеют незначительное термическое сопротивление; теплообмен в тупиковом конце трубы Фильда обеспечивает равенство температуры теплоносителя на выходе из центральной трубки и на входе кольцевого канала. С учетом этих допущений процесс теплообмена в выделенном элементе трубы Фильда (рис.3.10) описывается следующей системой уравнений:

Расчетная схема теплообмена между теплоносителями, протекающими через трубу Фильда и цилиндрический теплоизолированный кожух:

Qi -тепловой поток от горячего (1) теплоносителя к трубе Фильда; Ch, Q3 и Q4 - тепловые потоки от стен кольцевого канала к холодному (2) теплоносителю, проходящего через этот канал и центральную трубку где Gi, G2, G3 - расходы теплоносителей во внешнем и внутреннем кольцевых каналах, а так же в центральной трубе рабочего участка, соответственно; сь to, t\ h- $—температуры наружной и внутренней стенок трубы Фильда; h, h, h - температуры теплоносителей рабочего участка в наружном и внутреннем кольцевых каналах, а так же в центральной трубке; во dm,dm, аЕ2, аи2, а , А/ _ внутренний диаметр цилиндрического кожуха, наружный и внутренний диаметры трубок трубы Фильда и расчетный шаг; подстрочные индексы п, п-1 — номера поперечного сечения трубы Фильда; верхняя черта над переменными в уравнении (1-5) указывает на то, что их величины является усредненными на участках между сечениями п-1 и п. 0.1,012, 0,3,004- коэффициенты теплоотдачи у внешних и внутренних поверхностей стен трубы Фильда, соответственно. Подстрочный индекс (нумерация) возрастает в направлении к оси трубы Фильда. Коэффициенты теплоотдачи определяются из следующих уравнений: где А-1, А2, Аз - коэффициенты теплопроводности теплоносителей в каналах; dn, dn, dn - гадравличесіше диаметры каналов. Nub Nu2, Nu3, Nu4 - числа Нуссельта у внешних и внутренних поверхностей стен трубы Фильда.

Согласно [53, 54] в условиях турбулентного режима течения при стабилизированном теплообмене в кольцевом канале число Нуссельта для капельных жидкостей может быть рассчитано по формуле:

Представление и анализ результатов

Процесс стекловарение - сложный комплекс химических, физико-химических и физических явлений, протекающих сначала в порошкообразной шихте, затем в неоднородном сплаве силикатов и, наконец, в стекломассе.

На стадии силикатообразования в основном заканчиваются химические реакции разложения карбонатов и сульфатов, выделяются газообразные соединения (СОг, Н20), содержащиеся в компонентах сырья. К концу силикатообразования шихта представляет собой спекшуюся массу расплава силикатов, пронизанную не успевшими выделиться газами.

По завершении реакций силикатообразования наступает физический процесс растворения избыточных зерен песка и силикатов в силикатном расплаве. Этот процесс представляет собой собственно стеклообразование. Продолжается он гораздо дольше, чем предшествующая стадия. К концу этого этапа шихта полностью проваривается в стекломассу, содержащую большое количество видимых газовых включений.

Освобождение расплава от этих включений и одновременное перемешивание его до состояния возможно большей однородности является следующим этапом варки. Это - этап дегазации и гомогенизации стекломассы. Проводится он при самых высоких температурах в печи и самой низкой вязкости стекломассы, чтобы облегчить выделение летучих и установление однородности. Дегазация и гомогенизация - наиболее длительная стадия процесса стекловарения.

Последний этап - студка стекла, проваренная, осветленная, однородная (гомогенная) стекломасса охлаждается до температур, соответствую 106 щих вязкости, требуемой условиями формования и выработки изделий. [28] Для оценки энергетической эффективности применения труб Фильда в студочной зоне стекловаренной установки проведен сравнительный анализ трех различных энергосберегающих схем:

В1 - Схема утилизации теплоты отходящих газов для подогрева воздуха горения. В ней в качестве регенеративного устройства используется стальной рекуперативный воздухоподогреватель. Данная схема в настоящее время широко распространена в стекловаренной промышленности [25].

В2 - Схема утилизации теплоты отходящих газов для предварительного подогрева шихты и окислителя [25, 26].

ВЗ - Схема комплексной регенерацией тепловых отходов стекловаренной установки, включающая утилизацию теплоты отходящих газов и расплава студочной зоны, оснащенной трубами Фильда, для подогрева окислителя и шихтовых материалов.

В настоящее время в стекловаренной промышленности широко используются установки с воздушной регенерацией тепловых отходов. Печи данной конструкции применяются в стекловарении ввиду сравнительно небольших капитальных затрат на их сооружение и эксплуатацию. В качестве регенеративного устройства в схеме с воздушной регенерацией используется стальной кожухотрубный рекуперативный теплообменный аппарат. Он применяется для подогрева воздуха, поступающего на горение, за счет теплоты отходящих газов, имеющих высокую температуру (до 1400С) [26]. Типичная конструкция стекловаренной установки с воздушной регенерацией (В1) схематически показана на рис. 5.1. Холодный воздух (ХВ), имеющий температуру окружающей среды, проходя последовательно через воздухоподогреватели первой и второй ступени ВПі и ВП2 , нагревается до температуры около 700-750С и поступает на горение в качестве окислителя. Дымовые газы, покидающие стекловаренную установку, направляются в воздухоподогреватели, где охлаждаются, сообщая теплоту воздуху, и покидают технологический цикл [27]. т ТП - Рис. 5.1. Схема стекловаренной установки с воздушной регенерацией: П - печь; ВПЬ ВП-2 - воздухоподогреватели первой и второй ступени; ХВ - холодный воздух; ГВ — горячий воздух; ИМ - исходный материал; ТП - технологический продукт; ОГ - отходящие газы; УГ - уходящие газы; Т - топливо (природный газ); п ОГ вп2 вп, КГШІ! У1

Схема регенерации тепловых отходов посредством предварительного подогрева шихты и рекуперативного подогрева окислителя: П - печь; ВПЬ ВП2 — воздухоподогреватели первой и второй ступени; КПШ] -камера предварительного подогрева шихты; ХШ- холодная шихта; ХВ - холодный воздух; ГВ - горячий воздух; ИМ - исходный материал; ТП - технологический продукт; ОГ - отходящие газы; УГ - уходящие газы; Т - топливо (природный газ), КОС - камера охлаждения стекломассы.

Более совершенной энергосберегающей схемой для стекловаренной установки, значительно сокращающая затраты топлива, является схема (В2) с регенерацией теплоты газовых отходов для предварительного подогрева окислителя и исходной шихты. Данная схема показана на рис. 5.2 [25].

Комплектная схема стекловаренной установки с использованием системы предварительного подогрева за счет теплоты расплава, отходящих газов исходного материала и рекуперативного подогрева окислителя: П - печь; ВПь ВП2 - воздухоподогреватели первой и второй ступени; КПШь КПШ2 -камера предварительного и заключительного подогрева шихты; ХШ- холодная шихта; ХВ - холодный воздух; ГВ - горячий воздух; ИМ - исходный материал; ТП - технологический продукт; ОГ - отходящие газы; УГ - уходящие газы; Т - топливо (природный газ), КОС камера охлаждения стекломассы.