Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Повышение эффективности использования топлива в циклонных нагревательных устройствах на основе оптимизации относительной длины и других характеристик

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности использования топлива в циклонных нагревательных устройствах на основе оптимизации относительной длины и других характеристик"



\

. .с.

л На правах рукописи

ОРЕХОВ Алексей Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА В ЦИКЛОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЛИНЫ И ДРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 11.00.}! - Охрана окружающей среди и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 1995

Работа выполнена на кафедре теплотехники Архангельского государственного технического университета

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор, действительный член МИА и МАНЭБ Сабууоа 3. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент АЕН Харитонов 0.Я.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Трофимов Е.А.

Ведущая организация - ДАООТ "Промгаз" , г.Москва

Защита состоится "{3" дб-К 1995 г. в Щ часов на ааседании диссертационного совета Д 064.60.01 при Архангельском государственном техническом университете по адресу: 163007, Архангельск, набережная Северной Дзины, 17, ауд. 1228.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан "А." НО&$. 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор с.-хоз. наук, проф.

Барабин А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Повышение эффективности использования топлива является важнейшей задачей современного производства. Во многих отраслях.промышленности выпуск продукции тесно связан с тепловой обработкой разнообразных деталей и заготовок, проводимой в печах различных конструкций. Печи являются относительно низкоэкоио-мичным видом оборудования и, имея широкое распространение, являются одними из основных потребителей топлива. Для повышения технико-экономических характеристик печей, эффективности использования топлива и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу перспективным следует считать использование в них сильно закрученных туг^улентных потоков теплоносителей. Такие потоки наиболее просто могут быть генерированы в циклонных нагревательных устройствах. Интенсификация процессов термообработки в них достигается, прежде всего, за счет повышения доли" конвективного теплообмена в общем тепловом потоке к иагреваемому изделию и стенкам рабочего об ема. Закрученный поток греющих газов способствует также улучшению равномерности и качества нагрева, снижению тепловой инерционности печи, открывает широкие

возможности для автоматизации управления тепловым режимом - что

<

пояностьв соответствует наиболее перспективным направлениям в развитии нагревательных устройств. В практике термообработки часто нагрев длинномерных заготовок осуществляется в печах с секционированным рабочим объемом, что не всегда экономически.обосновано и целесообразно. Использование нее для этой цели циклонных нагревательных устройств с большой относительной длиной рабочего объема сдерживается из-за отсутствия данных, необходимых для разработки научно обоснованных рекомендаций по их конструированию и расчету.

Работа выполнена в соответствии с программой 0.01.11 ГКНТ СССР, а также с программой ВНПО "Союзпромгаз" по заказ-наряду Мин-газпрома на 1986-1990 гг.(М 2-2-59/В6-90).

. Цель работы -создание инженерной методики ре. .чета и разработка рекомендаций по проектирований циклоида нагревательных устройств с повышенной эффективностью использования топлива на основе исследования их аэродинамики, конвективного теплообмена, оптимизации относительной длины и других геометрических и. режимных характеристик.

Методы исследования. В аэродинамических экспериментах применялись зондовые методы исследования. Поверхностное трение определяли методом "трубка-выступ". Конвективный теплообмен исследован по методике, основанной на изменении агрегатного состояния греющего агента- конденсации водяного пара. Аппроксимация результатов экспериментов выполнена методами парного и множественного корреляционного анализов. При анализе теплоотдачи использована теория подобия и гидродинамическая теория теплообмена. Решение аэродинамической задачи выполнено методом Рунге-Кутта. В инженерной методике расчета циклонных нагревательных устройств на ЭВМ использован итерационный метод численного решения системы нелинейных алгебраических и трансцендентного уравнений.

Научная новизна. Впервые в систематизированном виде выполнено экспериментальное изучение распределений осредненных параметров патока в рабочем объеме и локальных характеристик в пристенном пограничном слое циклонного нагревательного устройства большой относительной длины с одно- и разносторонним вводом и выводом газов. В соответствий с принятой моделью струйного течения решена задача о движении циклонного потока на вогнутой поверхности рабочего объема. Экспериментально исследован конвективный теплообмен на боковой поверхности рабочего объема и поверхности соосно расположенной в нем цилиндрической заготовки при варьировании режимных и геометрических характеристик циклонного нагревательного устройства. Двумя способами на основе метода гидродинамической теории теплообмена решена задача о теплоотдаче на боковой поверхности рабочего объема. С ис-<

пользованием результатов решений и обобщений экспериментальных данных разработаны математическая модель и инженерная методика расчета циклонных нагревательных устройств, реализованные на ЭВМ. Получены рекомендации по проектированию циклонных нагревательных устройств с оптимизированной длиной и другими геометрическими и режимными характеристиками, обеспечивающих значительную экономию топлива и снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального исследования распределений осредненных и локальных параметров почока в рабочем объеме циклонных нагревательных устройств большой относительной длины; установленные закономерности их изменения в зависимости от относительной длины рабочего объема и режимных характеристик циклонного нагревательного устройства;

2. Схему расчета аэродинамических характеристик циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, основанную на результатах обобщений опытных данных и решении задачи о движении газа в периферийной зоне их рабочего объема;

3. Результаты экспериментального исследования конвективного теплообмена на поверхности рабочего объема и соосно расположенной в нем заготовки; обоощенные уравнения подобия для расчета коэффициентов теплоотдачи на поверхности заготовки и камеры;

4. Схему расчета теплоотдачи на боковой поверхности рабочего объема циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, основанную на гидродинамической теории теплообмена, обобщениях результатов исследования аэродинамики и конвективного теплообмена;

5. Методику инженерного расчета циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, включающую энергоэ^ологоэкпно-■мическую оптимизацию размеров их рабочего объема и режимных характеристик, рекомендации по проектированию и программу расчета на ЭВМ

5

Практическую ценность работы определяет разработанная в ней методика инженерного расчета циклонных нагревательных устройств большой относительной длины с повышенной эффективностью использования топлива, обеспечивающих минимальное количество выбросов вредных веществ с атмосферу, и рекомендации по их проектированию. •

Реализация. Результаты работы использованы ДАООТ "Промгаз" при разработке с участием автора и внедрении в производство циклонной печи для нагрева штанг перед прессножницами, сушильной установки для подогрева труб (передвижное циклонное нагревательное устройство для осушки внешней поверхности магистральных газопроводов перед нанесением изоляции) и рекуперативных воэдухоохлаждаемых горелок. Но-еизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами. Результаты исследований отражены в двух учебных пособиях и используются в учебном процессе. Методика расчета циклонных нагревательных устройств реализована в nporpaj te для персонального компьютера IBM PC/AT 488. На основе разработанной с участием автора конструкции теплообменного элемента, экспонировавшейся на ВДНХ СССР в качестве научно-технического достижения, спроектирован блок циклонных модульных рекуператоров, переданный ряду промышленных предприятий и Архангельскому ЦНТИ для внедрония.

Апробация работы. Основные разделы работы представлялись и докладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Разработка и исследования новых типов энерготехнологических и теплоутилизационных установок с глубоким использованием вторичных энергоресурсов" (Баку, 1985 г.); I и III Всесоюзных научных конференциях "Проблемы энергетики теплотехнологии" (Москва, МЭИ, 1983 и 1991 гг.); IV и V Всесоюзных научно-технических конференциях по исследованию вихревого эффекта и его применению в технике (Куйбышев, КуАИ, 1983 и 1988 гг.); Зональной конференции "Технологические аспекты охраны окружающей среды" (Пенза, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической 6

¡.инференции "Интенсивное энергосбережение с промышленной теплотех-нологии" (Москва, МЭИ, 199! г.); Международной конференции "Ин,ио-'нерные проблемы экологии" (Вологда, ВПИ, 1993 г.) а также научно-технических конференциях АЛТИ и АГТУ п 1905-1995 гг. В полном объема работа докладывалась с АГТУ, ДАООТ "Промгаз", СГТУ.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 научных статьях, 7 тезисах конференций, двух учебных пособиях; 3 технических решения признаны изобретениями.

Объем работы.. Материал диссертации изложен на 144 страницах, содержит 65 рисунков, 15 таблиц, состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Библиография включает 154 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении освещена степень разработанности вопроса, взятого в качестве темы диссертации, и изложены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе рассмотрены и проанализированы работы по исследованию аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных нагревательных устройствах- составляй^ рабочего процесса, определяющие эффективность использования топлива , рассмотрены имеющиеся расчетные рекомендации. Установлено, что применение циклонных камер в качестве нагревательных устройств позволяет значительно интенсифицировав конвективный теплообмен в их рабочем объеме,- что является одним из основных способов (при заданном температурном уровне процесса) дальнейшей интенсификации общего теплообмена в рабочем объеме печей, а следовательно, и повышения эффективности использования топлива. Особенности и преимущества циклонных нагревательных устройств определяются главным образом аэродинамической структурой и пространственной организацией движения греющего потока. Поэтому аэродинамика, имеющая важное значение для обычных камерных печей,

7

приобретает особую роль для циклонных, Анализ исследований показал, что общие вопросы аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных нагревательных устройствах изучены вполне удовлетворительно. Исключение составляют циклонные нагревательные устройства с большой относительной длиной рабочего объема. В то же время предварительный анализ показал,- что с ростом производительности циклонных нагревательных устройств увеличивается и оптимальная длина их рабочего объема, достигая значений, превышающих границы имеющихся в настоящее время рекомендаций и уравнений для расчета аэродинамических и теплообменных характеристик.

На основании выполненного анализа сформулированы задачи:

1. Экспериментальна изучить распределения осредненных и локальных параметров потока в рабочем объеме циклонных нагревательных устройств большой относительной длины при различных вариантах ввода и вывода газов и варьировании других основных геометрических и ре-шшных характеристик.

2. Разработать схему расчета аэродинамики циклонных нагревательных устройств большой относительной длины.

3. Экспериментально исследовать конвективный теплообмен на поверхности заготовки при варьировании р широком диапазоне относи1 тельной длины и других геометрических и режимных характеристик циклонных нагревательных устройств; обобщить опытные данные и получить уравнения подобия, необходимые для определения коэффициентов теплоотдачи в тепловом расчете циклонных нагревательных устройств.

4. Экспериментально исследовать конвективный теплообмен на боковой поверхности рабочего объема циклонных нагревательных устройств при варьировании относительной длины и других основных геометрических и режимных характеристик; разработать методику обобщения опытных данных на основе анализа дифференциальных уравнений конвективного теплообмена в условиях определяющей роли центробежных 8

сил. Получить обобщенные расчетные уравнения подобия.

5. Для оценки достоверности рекомендуемых расчетных уравнений решить задачу конвективного теплообмена на боковой поверхности рабочего объема методом гидродинамической теории теплообмена с использованием полученных' в работе уравнений для распределения скорости в пограничном слое и коэффициента поверхностного трения.

6. Разработать инженерную методику расчета циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, основаннук на полученных в работе обобщенных уравнениях для определения основных аэродинамических характеристик и коэффицк .нтов теплоотдачи, включающую энергоэкологоэкономическую оптимизацию геометрии их рабочего объема и других геометрических и режимных характеристик.

1. Разработать рекомендации для проектирования циклонных нагревательных устройств с оптимизированными геометрическими и режимными характеристиками, обеспечивающими значительную экономию топлива и снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Во второй главе описаны экспериментальные стенды для исследования аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных нагревательных устройствах большой относительной длимы, методика эксперимента, определены погрешности измерений и программа исследований. Экспериментальная часть работы выполнена на стендах, основным элементом которых является циклонная камера, позволявшая в широком диапазоне изменять ее относительную длину /0К (Е„»1,0.. .21,5). Диаметр рабочего объема камеры Бк =21?,, составлял 160 мм. Воздух в камеру подводили с диаметрально противоположных сторон двумя шлицами, имеющими размеры поперечного сечения 24*84 мм2. Относительную площадь входа потока Г"ЕХ =4 Гвх/ггПкг изменяли от 0,01 до 0.21 путем установки в шлицах специально спрофилированных вкладышей. При этом относительная высота входных шлицев йвх=11вх/0к составляла 0,075 или 0,094 (для полностью открытого шлица). Вывод воздуха производили

0

через плоский, сооашй с рабочим объемом пережим, расположенный вблизи сходных шлице» (односторонний ввод и вывод газов) или с про-тивололожного им торца (разносторонний овод и вывод газов). Относительный диаметр выходного отверстия йвых^вых/Дс в опытах изменяли от 0,43 до 1,00. Загрузку циклонной каморы осуществляли цилиндрической заготовкой, соосной ее рабочему объему. Относительный диаметр заготовки й3=й3/0к составлял 0,46. ..0,93. Движение газов в рабочем объеме; изучали с помощью трехканального цилиндрического зонда, а в пристенном пограничном слое и у поверхности заготовки - плоской трехканальной микротрубки по общепринятой методике. Исследование поверхностного трения в турбулентном пограничном слое выполняли по методу "трубка-выступ". Опыты по исследованию теплоотдачи на поверхности заготовки (й3=0,66) и на боковой поверхности рабочего объема проводились по методике, основанной на измерении теплоты фазового перехода водяного пара, подаваемого в тонкостенные калориметры. Калориметры охлаждались закрученным потоком холодного воздуха. Распределения локальных тепловых потоков вдоль рабочей поверхности получали с помощью секционирования калориметров и Их перестановок по длине рабочего объема. Диапазон чисел Рейнольдса Кевх= =увхОк/увх (увх - входная скорость; 7ВХ - кинематическая вязкость) охватывал возможные о практике режимы. Относительные погрешности экспериментально определяемых величин составили: расход воздуха 1,5... 9,6 X, скорость 0,8... 5,5 %, статическое давление 0,3... 3,2%, напряжение трения 1,2...4,1% (для большинства опытов меньшие значения соответствуют высоким скоростям потока, большие - низким у слабопроточных поверхностей и вблизи застойной зоны).

В третьей главе приведены основные результаты исследования аэродинамики циклонных нагревательных устройств большой относительной длины..В работе установлено, что их аэродинамика отличается сложностью и пространственностью и зависит от геометрии рабочего объ-10

ет. С точки зрения увеличения времени пребывания газов в камере и более полного их теплоиспользования наиболее рациональна разносторонняя схема ввода и вывода потйка, однако, в печчх специального назначения (например с накопителем заготовок) может применяться и односторонняя. Для расчета основных аэродинамических характеристик циклонных нагревательных устройств в интервале Гк=1...21,5 предложена обобщающая зависимость

Ч ' к 1кп + С, (1)

где У^У/У!-искомая безразмерная характеристика (табл.1): максимальная тангенциальная составляющая полной скорости потока й^т' ^тАах, скорость на границе ядра потока Щ^'У^/Чвх- радиус, характеризующий положение г^г^Л^. радиус ядра потока гя = г„/Н1(, коэффициент сопротивления - 2Дрц/Рвхчцх2 перепад полного давления о устройстве; р„х- плотность газов); У)- соответствующая характеристика камеры при Ьк=1, определяемая по методике ка{одры теплотехники АГТУ; А, п. С - постоянные.

Таблиц л ]

Характеристики и пс :тоянные, входящие в формулу (1)

У А п С

г„/(гя)1 ^вх/ ^вх ^ 1 2, 953/1, 911 2, 317/2,970 3,286/2,522 2, 485/3, 466 0,735/0,798 -0,095/-0,162 -0,116/-0,079 • *-0,066/-0,102 -0,089/-0, 073 -0,643/-0, 518 -1,965/-0, 897 -1,320/-1,952 -2,270/-1, 527 -1,|66/-2,454 0,262/0, 207

В числителе приведены значения для. разностороннего ввода и вывода газов, в знаменателе - для одностороннего.

Установлены закономерности возникропия и перехода течения с полной проточностью рабочего объема к течении с застойной зоной.

Получены формулы, определяющие границы существования. Коордичаты

начала . гх /0% и скончания Тг»гг/0,. перехода от области активного

И

течения к застойном зоне определены эмпирическими уравнениями

= 1,636 (гвых (2)

гг - 3.931 (Гвнх /Гвх)0-300. ■ (3)

где г,, гг- расстояния от торца камеры, ближайшего к входным шлицам до рассматриваемого сечения; 1ВЫХ- площадь выходного отверстия. Значение Гвых в опытах варьировали от 2,32 до 15,50. Для анализа течения в циклонной камере большой относительной длины использовано представление потока в виде осесимметричной вращающейся турбулентной струи. Координата к направлена вдоль поверхности камеры по траектории потока, а у- нормально к ней. Начало координат совмещено со шлицем. Граница входного и расчетного участков имеет координату х„,у. Толщина пристенного пограничного слоя б в этой точке минимальна и равна 6В, у. Задача ограничена основным участком течения, охватывающим практически весь рабочий объем циклонной каморы. Для анализа течения в пограничном слое на боковой поверхности камеры применена система уравнений плоского турбулентного пограничного слоя несжимаемого газа на вогнутой криволинейной поверхности с постоянным радиусом продольной кривизны

3 У >! 1 ' ЗР г, У ) ЭХ 2Х ■

ру — + ру — И--V. = - - + 1--—---; (4

Эх у Зуи V Эх 1 IV ЗУ ^

рухг/(у - - Зр/Эу; ■ (5)

А + ±[(1-^1-0. (6)

Зх ЭуИ Я«' У->

где х- напряжение трения; р- статическое давление; ух, уу- проекции полной скорости потока V на оси хну; индекс для стенки.

Ввиду относительной малости составляющей скорости уу принято Ух'Ч- Граничные условия задачи записаны в виде

у = 0, « V - О, I - V (7)

у « ¡5, v„ - v = v5, (3v/6y)y.ö = 0, t - 0. (8)

Для определения г использована известная полинс шнальная аппроксимация г в пограничном слое на непроницаемой поверхности при

градиентном течении:

X - 5 - Зп2 + 2п3 + ®П(1 - П)2. (9)

где х = t/tri « y/S- безразмерная координата, Ф - (0/т„)(Эр/Эх).

После преобразования уравнения (4) с помощью (5) и (6), дополнительной оценки членов, а затем интегриоования полученного, результата по у от 0 до á с учетом граничных условий задачи и замени dp/dx на dp¿$/dx (возможность которой подтверждена опытными данными), получено интегральное соотношение вида

— fvzdy - Vsfl- - ]— fvdy + kr fô- — ] fv^ - 0,092^- 1 -Эх ¿ ^ R„ J ' 2R„ M <ix x >

ôvâ2/ a;1/ s чЗа t* , a Ô2 >

--i (i--fi--]_ - - — -0,3-»] +

^w R» ¿^w 3x pl R« r7 >

( 3 ö2 >1

+ 0, 662kr ¡0,167-- 0,067—¡T -

1 RM ■ . (10)

где ]<r - p5/(0,5pvôz) - k0 (x)"0,184 - геометрический параметр; k„ = »340 fBX1,64 tW"0,96 LK"0,5; x-x/tiBir- безразмерная координата.

Распределение скорости в пограничном слое, коэффициент сопротивления трения Cf-át^/pvj2 и скорость потока на границе пограничного слоя v3=vä/vlx обобщены зависимостями

v/ve * (у/5)ии; (И)

сг - 0(019Res*z/13LK0,174; (12)

ve - 6V°'18ax °'57. (33)

G учетом формул (îl)-(13), уравнение (10) преобразовано к виду

43

г Ъ ifl^-o.slhdB I 1 ,

i°-066-°'93V ^^n/0'662^- -

Cff i Ъг ч ( Ъ t Л

-41+ -o, 3—p- -0.662b 0,16?-- -0.067-T -

2 1 Ъ 1 V'* . (H)

где R«-Rw/hexбезразмерный радиус кривизны поверхности камеры. * Решение, уравнения (Н) и обобщение его результатов на ЭВМ позволило получить расчетную формулу для определения относительной толщину пограничного слоя i-6/hB1(t:

5 - 0,02 k0"0'544 БД155 Ke8x-°'ue i°'986. (15)

Расхождение значений 5, определенных по уравнениям (И) и (15) при коэффициенте корреляции 0,99, не превышает * 3,8 % и хорошо совпадает с опытными данными, Априори принятые положения о возможности использования при реаении условий Rw»const и dp/<Jx«dpa/dx подтверждены полученными расчетными соотношениями.

В четвертой глазе выполнен анализ результатов исследования конвективного теплообмена на боковой поверхности рабочего объема и «на поверхности круглой цилиндрической заготовки большой относительной длины. В обоих вариантах схем ввода и вывода газов-интенсивность теплоотдачи на боковой поверхности снижается с ростом координаты г. В камере с разносторонним вводом и выводом газов при всех рассмотренных Ск и 2 показатель степени в стандартной зависимости Nu~Reaxn имеет одно и то-же значение n=0,8 (tju- aDK/X; а- локальный коэффициент теплоотдачи; х-теплопроводность газов). В камере с односторонним вводом и выводом газов показатель п является сложной Функцией координаты z и Связано это с переходом течения с про-точностью всего рабочего объема к течению с застойной зоной.

Загрузка циклонной камеры больной относительной длины осесим-метричной заготовкой оказывает сравнительно слабое влияние на уро-. 11

вснь теплоотдачи к стенкам рабочего объема. В диапазоне 3ЯЧ). ..0,93 его можно учесть поправочным множителем к^, являющимся отношением чисел Нуссельта для циклонной камеры с загрузкой и без загрузки

- 1+0, 53э-0(62б3эг. (16)

Расчет местных коэффициентов теплоотдачи на поверхности заго-готовки а для камер исследованных длин при О, Н<2<(Ц-1) с погрешностью, не превышающей НО %, может быть осуществлен по уравнениям:

при 0,14 <. 1 < 3, 5 п к

Ми = 0,057ЯеЙХ ' е-,, (17)

где а, - 5/(1-0,075); при 3, 5 < г < 11, 5

М » 0,(ХЛ8Кей% ' сгЛ. (18)

где Тъ.1 " (5,38ЬК0,53-2)/Ек0'65;

при 11.5 < 2 < 17,25 . я

Ми » 0,003Ше,х , (19)

где з = 2/Эк- безразмерная координата; Пи = йс13/Х-число Нуссельта.

Средний коэффициент теплоотдачи по длине заготовки с^р с увеличением длины циклонной камеры уменьшается, причем особенно интенсивно при Гд < 10,5. Для расчетов с^ при Ц - 1...18,25 получено уравнение

МЧср/Ми, - 0,36+0,64/1^. (20)

где М^-р^рСЗз /х~ число Нуссельта; Ми, - число Нуссельта для камеры с Гк = 1, определяемое по рекомендациям кафедры теплотехники АГТУ. Уравнения (17)-(20) получены при Ре^-О,37... 4.12) • :05. Для анализа теплоотдачи у боковой поверхности камеры в работе использована гидродинамическая теория теплообмена. Физические характеристики среды приняты постоянными, скорость движения потока -умеренной. Про^мль избыточной температуры среды \1=Т-Т„ (Тч- температура поверхности теплообмена), как и скорости, аппроксимирован степенной зависимостью с показателем 1/12. В пределах тонкого, по

15

сравнению с радиусом кривизны, пограничного слоя , т^ (ц'^ -плотность теплового потока на исследуемой поверхности камеры). Расчет теплоотдачи выполнен по видоизмененной аналогии Рейнольдса, согласно которой для рассматриваемого случая

= 0,5сс Ргт6~1 (бт/б)"1/1г, (21)

где йЬ- число Стантона, Чм/(рср|}6Уа); Ргт6- турбулентное число Прандтля: бт - толщина теплового пограничного слоя.

Соотношение толщин пограничных слоев 6т/б, входящих в формулу (21), определено с использованием интегрального уравнения энергии

А ?%(ТИ - Шу = — .

йх о рСр (22)

Его.решение с-использованием полученных при рассмотрении динамической задачи формул (12), (13) и (15) имеет вид

бт/6 « 2, 04к(10• Г'!'7ЬК0, )83Ни0,огоНевх°'0017Ргтб"0'857х~о'оэ*

к[1-(хн.у/)<)0-4]0-857 . (23)

После представления местного числа Стантона в виде

Бг - №л/(РгЯе8ХУ5), (24)

(Ни= аОк/1; а - локальный коэффициент теплоотдачи на поверхности), использования формул (21), (23) и ряда преобразований получим уравнение для расчета местных коэффициентов теплоотдачи по траектории движения струйного потока:

Ки=О,О9В^0-13ХЛ867РгРгг6-°-93?О'БЗЧ.у. (25)

гдэ к„ у = [5-(ЗЕ„,у>х)0,407} _ коэффициент, учитывающий влияние начального необогреваемого участка хя.у=хн.у/йвх.

Расчет теплоотдачи на боковой поверхности камеры выполнен так-

во с ¡и. „новацией опытных универсальных распределений скорости в пр:«' генном пограничном слое и трехслойной схеме его деления. В этом случае уравнение теплоотдачи имеет вид

Ии

0,119 Вев>°- "2х~0,6

2, 634+5, 6-10"6хи 8 " (26)

При решении приняты: для воздуха Рг=0,72, из условия наилучшего совпадения опытных и расчетных данных Ргтб =0,9.' Напученные экспериментальные данные для циклонной камеры с разносторонним вводом и выводом газов и для активной части рабочего объема с односторонним - вполне удовлетворительно обобщаются аналитическими зависимостями (25) и (26). При прочих равных условиях уровень теплоотдачи в циклонных нагревательных устройствах большой относительной длины даже при максимальном значении х=450 оказывается в 3,7 раза выше, чем при осевом течении в трубе. Вблизи же сечений входных шлицев эта разница достигает 10 и более раз.

Среднеинтегральное знг юние числа N0^,р0К/х на полной расчетной длине траектории движения потока X в интервале от 0 до Х=Х/ЛВх при отсутствии начального,необогреваемого участка (х„ у= 0)

Шдр » 0,265КМ0,135йевх0,8б7РгРг?б~°' 93Х~11'634 . (27)

В пятой главе приведены предложенная в работе инженерная методика расчета, и математическая модель циклонного"нагревательного устройства большой относительной длины, в которой учтены все основные факторы, характерные для реального процесса нагрева заготовок. Расчетная система уравнений имеет вид

с£в+ УсвЦВ+ стЦВ+ (р^/^окЧок = (Р Ум/-сШм+ Vгcv- г Ц г В+ + с0 С(Тг/100)4-(Ту. ,./100)41ГВЬ1Х Кд+ (0,1. . .0, 15)с£в : (28)

- -К." %.к^(Тг-Тм);(29)

17

тг = /г,х Ту.г ; • (31)

1 и-ы/г . / 1 2 п 1 ., ,

где -низшая теплота сгорания рабочей массы топлива; В-расход топлива в единицу времени; V, V,- - действительные объемы воздуха, продуктов сгорания на единицу сжигаемого топлива; д, - платность металла; У¥ -объем заготовки; с„, ст, суг-теплоемкости воздуха, топлива, уходящих газов; Д1„ -приращение удельной энтальпии заготовки; ^, Ц -температуры подогретого воздуха и топлива; ПоК- доля окислившегося металла; чок -удельная теплота окисления металла; -плотность теплового патока, проходящего через кладку за счет теплопроводности; Рк-плоцадь поверхности кладки; с0-коэфф„циент излучения абсолютно черного тела; к,- коэффициент диафрагмирования выходного канала; Ту1._ Тг.Т»«Л.Л,- температуры газов: на выходе, в объеме, на входе, поверхности заготовки и кладки; -приведенные степени черноте системы газ-кладка и кладка-металл; ^.ы-угловые коэффициенте излучения о поверхности металла на кладку и с кладки на металл; й^, {^-коэффициенты теплоотдачи к заготовке, кладке; йу = (Тг-\)/(Тг-Т^) Л;- начальная среднемассовая температура заготовки; В1 = критерий Био; а/ - суммарный коэффициент теплоотдачи к заготовке; Ро^х/Гз2- критерий Фурье; %- время нагрева; га -радиус заготовки; а„-коэффициент температуропроводности металла; б'- симплекс относительного начального распределения температуры по сечению заготовки; ^, 1 -корни характеристического уравнения #, 11 (^,}) °»В 110 (^, 1) ;

Ь функции Бесселя первого рода нулевого и первой

порядков; А„ ] - параметр.'Аи>,-2В1/[(йвЛ+В12)10

Система уравнений (28)-(32) решена численным способом на ЭВМ .При решении предполагалось, что нагревательное устройство оснащен -жоростными горелками конструкции ВНИИЛромгаз и использована соот ветствующая методика их расчета. В работе" приведен численный при мер, иллюстрирующий работоспособность математической модели и необ ходиыую точность инженерной методики расчета циклонного нагрева 18

тельного устройства большой относительной длины.

Для разработки рекомендаций по повышению эффективности использования топлива в циклонных нагревательных устройствах большой относительной длины использована методика энерго- экономической оптимизации топливных печей, дополненная введением в нее экологического фактора. Сопоставляемые варианты сравнивались по величине обобщен-. ной разности приведенных затрат. Величину ущерба от загрязнения окружающей среды оценивали согласно типовой методике.

В результате обобщения расчетных данных получено уравнение для определений оптимальной относительной длины циклонного нагревательного устройства, обеспечивающего минимальное потребление топлива и минимальный ущерб от загрязнения атмосферного воздуха,

LK - lOCd/1 + 0,375) G kt kIUx h kr . (33)

где d3 »d3 /dmax; (>G/Gmtl][; dmax=0,15 м, G„,ax* 1 т/час -максимальные диаметр заготовки и Производительность нагревательного устройства в обобщающих зависимостях; kt, квы,, kE, кг - поправочные множители, учитывающие конечную среднемассовую температуру нагрева заготовки tä, диаметр выходного отверстия dBUX, коэффициент Е (в расчетах варьировали от 0,15 до 2,00) и годовой фонд рабочего времени tp0i.

Для вычисления поправочных множителей предложены соответствующие зависимости:

kt - 31,3-10"5eO1,5UV (34)

W » l,05(dBllx)°',£7: (35)

kE » 1,05 - 0, OSE; (36)

kr =0,94 + 10"5trofl. (37)

Рекомендации (33)... (37) получены при варьировании D,t от 0,15 до 0,60 м, Зэ =0,25...О, 40. Звых«0,5.. .0,8, fBX =0,005... 0,080, производительности нагревательного устройства от 0,1 до 1,0 т/ч при нагреве заготовки от 20 до 250.'. .850 °С. Диапазон варьирования ха-

19

рактеристик : па предложенной методике оптимизации легко может быть расширен.

Расчеты циклонных нагревательных устройств большой относительной длины с оптимизированной по уравнению (33) Ек показали, что их технико-экономические характеристики могут значительно превышать современные нормативные требования и достигнутые в промышленности значения. При этом выбросы вредных веществ в атмосферу снижаются пропорционально уменьшению расхода топлива.

В приложении на 20 страницах приведена программа для ЭВМ расчета циклонных нагревательных устройств большой относительной длины и оптимизации их геометрических и режимных характеристик, составленная на алгоритмическом языке Паскаль 5. 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ •

Основные результаты выполненной работы сводятся к следующему: Установлено, что аэродинамика циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, определяющая интенсивность конвективного теплообмена и эффективность использования топлива, отличается сложностью и зависит от их геометрических и режимных характеристик. Основной, наиболее активной зоной потока является периферийная область течения у боковой поверхности рабочего объема. В результате обобщения экспериментального материала получены расчетные соотношения и рекомендации для определения основных аэродинамических характеристик потока в циклонных камерах большой относительной длины.

2. С использованием интегральных соотношений, аппроксимаций опытных распределений скорости и коэффициента сопротивления трения получены расчетные соотношения для определения толщины пристенного пограничного слоя на боковой поверхности рабочего объема циклонной камеры большой относительной длины, учитывающие влияние числа Рей-20

нольдса и радиуса кривизны рабочего объема, Установленные зависимости вполне удовлетворительно соответствуют опытным данным,

3. С учетом полученных в работе рекомендаций и расчетных соотношений методика аэродинамического расчета циклонных нагревательных устройств небольшой относительной длины, разработанная на кафедре теплотехники АГТУ, усовершенствована и распространена на относительно длинные циклонные нагревательные устройства.

4. Установлено, что в циклонных нагревательных устройствах большой относительной длины конвективный теплообмен как на боковой поверхности рабочего объема, так и на цилиндрической соосной с ним заготовке отличается высокой интенсивностью. В результате обобщения опытных данных, полученных при варьировании всех основных геометрических и режимных характеристик, получены уравнения подобия для расчета локальных и средних коэффициентов теплоотдачи на поверхности заготовки и На боковой поверхности рабочего объема.

5. На основе гидродинамической теории теплообмена, полученных в работе расчетных соотношений для определения толщины пристеночного пограничного слоя, рекомендаций по определению скорости потока, коэффициентов поверхностного трения, а также с использованием опытных универсальных распределений скорости в пристенном пограничном слое решена задача теплоотдачи на боковой поверхности рабочего объема. Результаты решения хорошо совпадают с опытными данными.

6. На основе результатов выполненных исследований разработаны математическая модель циклонных нагревательных устройств большой относительной длины, в которой учтены все основные факторы реального процесса нагрева заготовок, и инженерная методика их расчета, реализованная на персональной компьютере IBM PC/AT 486. Выполнены примеры расчетов, подтверждающие работоспособность математической модели и необходимую точность вычислений.

7. С применением разработанной инженерной методики расчета и

¿1

метола энерго-экономической оптимизации, учитывающего экологическую составляющую о обобщенной разности приведенных затрат, выполнен анализ влияния геометрических и режимных характеристик циклонных нагревательных устройств на эффективность использования топлива. На основе обобщения результатов расчетов получены формулы для определения оптимальных конструктивных и режимных характеристик циклонных нагревательных устройств, обеспечивающие значительную экономию топлива и снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.

В. Результаты исследования внедрены на ряде предприятий и используются в учебном процессе. Разработаны три конструкции циклонных нагревательных и тарелочных рекуперативных устройств, признанных изобретениями.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

. 1. К вопросу о тепловом и аэродинамическом расчете циклонных камер //Актуальные проблемы развития лесопромышленного комплекса и организации строительства: Тез. докл. науч. -техн. конф. молод, ученых и спец. -Архангельск, 1982. -С, 146.

2. О методах интенсификации и оптимизации процесса . нагрева в циклонных нагревательных устройствах //Проблемы энергетики тепло-технологии: Тез, докл. Всесоюэ. науч. конф, Т. 2. -М,; МЭИ, 1983. -С.71 (в соавторстве).

3. А. с. N 3093871 СССР. МНИ Р16Ь 53/00. Сушильная установка для подогрева труб/-М 3529040/29-08; Заявлено 12.11.82; Опубликовано 23.05.84, Бюл. N 19, -3 с. (в соавторстве).

4. А.с.Н 1281821 СССР МНИ Р23с1 14/00. Рекуперативная горелка/ -Ы 3900572/24-08; Заявлено 27.05.В5; Опубл. 07.01.87, Бюл-Ы 1.-3 с. (в соавторстве).

5. А. с. N 1366804 СССР, МКИ Р231 15/04. Теплообменный элемент рекуператора/ -М 4133125/24-06; Заявлено 14.10.86; Опубл. 07,04.88, Бюл. N 13. -3 с. (в соавторстве).

6. Методы интенсификации теплоотдачи в рекуператорах газогоре-лочных устройств // Разработка новых типов энерготехнологических и теплоутилизационных установок с глубоким использованием вторичных энергоресурсов.-М.: Информэнерго, 19В5. -С.107-108 {в соавторс-ве).

7. Рекуперативные устройства с повышенной телдовой эффективностью //1'чебное пособие. -Л.: ЛТА, 1987. .-83 с. (в соавторстве).

8. Тепловой расчет циклонных нагревательных устройств //Учебное пособие. -Л.: ЛТА, 1988. -76 с, (в соавторстве)

♦ 9. Исследования конвективного теплообмена в кольцевом выходной канале вихревой камеры // Вихревой эффект и его применение в

технике: Материалы 5-й Всесоюз. науч. -техн. конф. -Куйбышев, 1988. -С. 171-175 (в соавторстве).

10. Математическая модель циклонного нагревательного устройства // Актуальные проблемы рационального использования природных ресурсов Европейского Севера: Тез. докл. науч.-техн. конф. молод, ученых и спец. -Архангельск, 1989. -С. 54-55 (в соавторстве).

11. Теплообиенный элемент рекуператора //Информационный листок о науч. -техн. достижении/ Ц1Ш. -Архангельск, 1989. -N 89-27 (о соавторстве).

12. Высокоэффективные циклонные рекуперативные устройства // Технологические аспекты охраны окружающей среды: Тез. докл. зональной конф. -Пенза, 1989. -С.62-64 (в соавторстве).

13. Повышение эффективности использования топлива в нагревательных устройствах // Актуальные проблемы комплексного использования лесных ресурсов: Сб. науч. тр. -Архангельск, 1989. -С. 183-186 (в соавторстве).

14. Движение газов в кольцевом канале с циклонным генератором закрутки // Изв. вузов. Энергетика. -1990. -N 7. -С. 62-67 (в соавторстве).

15. Конвективный теплообмен в кольцевом канале с циклонным генератором закрутки //Изв. вузов. Энергетика. -1990. -N 9. -С. 86-90 (в соавторстве).

16. Разработка и исследование рекуперативных устройств с закрученным движением теплоносителя // Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии: Тез. докл. III Всесоюз. науч.-техн. кокф. -U.: МЭИ, 1991. -С. 118 (в соавторстве).

17. Знергозкономичес :ая оптимизация циклонной печи скоростного нагрева методом обобщенной разности приведенных затрат // Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии: Тез. докл. III Всесовз. науч.-техн. конф. -М.: МЭИ, 1991. -С. 139 (в соавторстве).

18. Экспериментальное исследование аэродинамики циклонной камеры большой относительной длины // Изв. вузов. Лесной журнал. -1992. -N 2. -С. 123-132 (в соавторстве).

19.' Аэродинамика относительно длинных циклонных камер с глубоко встроенным выходным каналом //.Изв. вузов. Лесной журнал. -1992. -N 3. -С. 119-125 (в соавторстве).

20. Разработка и исследование рекуперативных устройств с закрученным движением теплоносителя //Проблемы экологии на Европейском Севере: Сб. науч. тр.-Архангельск, 1992.-С. 125-127 (в соавторстве).

21. Циклонный модульный рекуператор У/Инженерные проблемы экологии. Материалы мездунар. конф: -Вологда,' 1993. -С. 73-78 (в'соавторстве) . •

22. Расчет аэродинамических характеристик циклонных камер большой относительной длины // Изв. , вузов. Лесной журнал. 1994. -N 1. -С. 115-124 (в соавторстве).

23. Исследование теплоотдачи в циклонных камерах большой относительной длины //Изв. вузов. Лесной журнал. -1994. -N 2. -С. 124-135 (в соавторстве).: