CC BY
40
Анализ токов и напряжений в режимах несимметричных..
Панова Е.А., Григорьева М.В., Малафеев А.В. и др.
Bibliography
1. Computer program «Calculation and optimization of the steady and transient operating conditions of parallel and separate operation with an electric power system and modes of earth-fault with an evaluation of influence on an electric equipment in electrosupply systems of industrial works»: A.c. 2007611306 RF. / V.A. Igu-menschev, V.V. Zinovyev, A.V. Malafeev, O.V. Bulanova. - Pub-
lished in the bulletin «Computer programs and databases and integral chip topologies», 2007, No 2.
2. Igumenschev, V.A. Modified method of successive reduction for calculation of electric power supply composite systems modes [Text]/ V.A. Igumenschev, B.I. Zaslavets, A.V. Malafeev, O.V. Bulanova, Y.N. Rotanova // Industrial power engineering. 2008. No 6. P. 16-22.
УДК 669.154 Нешпоренко Е.Г.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРНИССАЖНОГО РЕЖИМА РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ ПЕРФОРИРОВАННОЕ ОГРАЖДЕНИЕ УСТАНОВОК
Учет тепловых потерь в окружающую среду во многом определяет видимый расход топлива на процесс. Особенно это актуально для тех процессов, в которых топливо не может быть полностью использовано, например в восстановительных.
Анализ ограждений реакторов жидкофазного восстановления железа и других реакторов, работающих с расплавными системами, по литературному обзору показал, что надежное их функционирование достигается за счет применения соответствующих огнеупоров. При этом имеет место ограниченный срокихэксплуатации.
При помощи организации защитного слоя гарнис-сажа на внутренней поверхности ограждения создается возможность форсирования процесса и становится неограниченным срок его эксплуатации. Однако в этом случае в тепловом балансе реактора значительно увеличивается статья тепловых потерь в окружающую среду и может достигать 20-75% [1-4], что приводит к большому увеличению расхода первичного энергоресурса на процесс.
Принципиально возможно снизить тепловые потери через ограждения путем активного воздействия на тепловой поток. Очевидно, что необждимо такое решение, при котором тепловой поток через ограждение возвращался бы в реакционное пространство, и было бы возможно образование гарниссажа. Для достижения поставленной цели предлагается использовать перфорированное ограждение, то есть в ограждении с определенным шагом выполняются отверстия, по которым в расплав, содержащийся в реакторе, поступает холодный газообразный энергоноситель. Газообразный энергоноситель нагревается от стенок отверстия и тем самым возвращает обратно в реактор часть энергии, ранее теряющейся в окружающую среду.
Задача исследования работы перфорированного ограждения при контакте с расплавом является новой и не исследованной ранее, что и подтверждает ее научную новизну.
Анализ функционирования перфорированного ограждения в условиях обработки
расплавнои системы приводит к трем принципиально возможным режимам работы: догарниссажный, гарнис-сажный и смешанный.
Догарниссажный режим работы перфорированного ограждения предполагает, что жлодный газообразный энергоноситель, проходя по отверстию, успевает нагреться до температуры, превышающей температуру плавления гарниссажа [5].
Гарниссажный режим работы перфорированного ограждения предполагает, что холодный газообразный энергоноситель, проходя по отверстию, не успевает нагреться до температуры, превышающей температуру плавления гарниссажа. При этом вокруг отверстия на поверхности ограждения, контактирующего с расплавом, возникает гарниссаж, который полностью покрывает поверхность.
Смешанный режим в данной работе не исследуется.
Исследования теплообмена газовой струи и гарниссажа проводились на экспериментальной установке, предназначенной для «холодного» моделирования, в лаборатории металлургии стали МГТУ (рис. 1). Шлаковый расплав моделируется расплавом парафина, кото-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - ванна с расплавом; 2 - отверстие для выхода отходящих газов; 3 - газовый коллектор; 4 - сменная решетка; 5 - трубки; 6 - ротаметр; 7 - газовый лопастной расходомер; 8 - регуляторы расхода газа;
9 - компрессор поршневой; 10 - термический электронагреватель; 11 - ваттметр; 11, 12, 1з - термопара № 1, 2, 3
рыи, охлаждаясь, застывает на поверхности ограждения лабораторной установки, образуя слой гарниссажа.
В задачу экспериментального исследования входила проверка возможности практической реализации процесса образования гарниссажа с одновременной регенерацией теплоты, распространяющейся теплопроводностью в образованном слое гарниссажа. Также замерялись температуры расплава, поверхности сплошного и перфорированного ограждения с целью определить долю тепла, теряющегося через ограждение при регенерации Qoc, относительно тепловых потерь через сплошное ограждение Q00C.
Исследовано влияние на отношение Qoc/Q0oc таких факторов, как шаг перфорации S, диаметр отверстия С и расход газа О в следующих пределах: 0,005-0,02 м, 0,001-0,003 м, (1,875-6,25)-10- кг/с соответственно. Приведены условия проведения опытов и условная кодировка факторов (табл. 1).
Тепловые потери через ограждения, а именно через сменную решетку, замерялись следующим образом: ввиду того, что расстояния между отверстиями измерялось миллиметрами, среднеинтегральный поток теплоты оценивался по температуре «горячей» точки 1;2, расположенной на пересечении диагоналей между центрами отверстий.
Ввиду того, что цели, поставленные при изучении данной системы, исследуется впервые, и не известно точное распределение температурного поля из-за технических ограничений эксперимента, для первого приближения следует принять во внимание результаты подобного процесса регенерации теплоты в догарнис-сажном режиме, исследованного с помощью вычисли-
Таблица 1
Условия проведения опытов
Изучаемые факторы Ь, м ё, м О, кг/с QJQ0o^
Основной уровень (0) 0,0125 0,002 4,062 10-5 -
Интервалы варьирования I 0,0075 0,001 2,18710-5 -
Верхний уровень (+1) 0,0200 0,003 6,250 10-5 -
Нижний уровень (-1) 0,0050 0,001 1,875 10-5 -
Код Хі Х2 Х3 у
тельного эксперимента [5]. Таким образом, можно предположить, что среднеинтегральная температура поверхности составляет 95°% от температуры «горячей» точки, полученной в эксперименте. Это позволяет рассчитать тепловые потери через ограждение реакционного пространства.
Составлена план-матрица факторного эксперимента 23 (табл. 2) и произведена статистическая обработка результатов [6].
В результате взаимного воздействия факторов на исследуемую величину получаем линейное уравнение следующего вида:
у = Ь0 + ь • X! + Ь2
х2 + Ъ3 • х3 + Ъ4 • х4 +
+ Ь5 • Х5 + Ъ6
Х6 + Ъ7 • Х7 =
= Ъ0 + Ъ1 • х1 + Ъ2 • х2 + Ь3 ■ х3 + Ъ12 • х1 •
+ Ъ1 з • х! • Х3 + Ъ23 • Х2 • Х3 + Ъ!23 ' Х1 ' Х2
Х2 +
(!)
После расчета коэффициентов регрессии Ь, и преобразований получаем уравнение
^ = 0,1196 + 35,7512 • £ - 93,4196 • С -Q0
-^ос
-98,2357 • О + 2103,33 • ^• ё-- 225060,0 • ^ • О + 237461,8 • ё • О.
(2)
Таблица 2
Матрица планирования факторного эксперимента и результаты опытов
№ п/п Хо План Взаимодействия у
Хі *2 Х3 х4= ХГХ2 Х5 = х1-х3 Хб = Х2'Х3 Х7 = Хі-Х2'Х3
1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 0,436
2 +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 0,609
3 +1 +1 +1 -1 +1 0,512
4 +1 +1 -1 +1 +1 0,700
5 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 0,019
6 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 0,039
7 +1 +1 +1 +1 0,153
8 +1 +1 +1 +1 0,198
Ъг 0,3333 0,2311 -0,0575 -0,0533 0,0158 -0,0369 0,0052 -0,0013 -
Уравнение (2) представляет собой функциональную связь варьируемых параметров с отношением теплоты, проходящей через перфорированное и сплошное ограждение экспериментальной установки.
Современные компьютерные средства графической визуализации позволяют представить двухпараметрическое влияние отдельных факторов на функцию отклика по уравнению (2).
На рис. 2 представлено отношение потерь теплоты через ограждение в зависимости от факторов £ и С при О=сотг. Видно, что увеличение расхода газа через отверстия в 3 раза (нижний и верхний предел варьирования) при фиксированных геометрических параметрах перфорации ограждения (£ =0,015 м, С=0,002 м), обозначенных точками на графиках, приводит к сниже-нию отношения тепловых потерь через ограждение Qoc/Q0oc от значения 0,47 (47%) до 0,34 (34%), то есть в 1,38 раза.
На рис. 3 представлено отношение потерь теплоты через ограждение как функция, за -висящая от факторов £ и О, при С=сотг. Видно, что увеличение диаметра отверстия, через которое поступает газ, в 3 раза (нижний и верхний предел варьирования) при фикси -рованном шаге перфорации
Экспериментальное исследование гарниссажного режима регенерации теплоты через.
Нешпоренко Е.Г.
ограждения и расходе газа через отверстия (£=0,015 м, 0=4,0-10-5 кг/с), обозначенных точками на графиках, приводит к снижению отношения тепловых потерь через ограждение Qoc/Q0oc от значения 0,46 (46%) до 0,36 (36%), то есть в 1,28 раза.
На рис. 4 представлено отношение потерь теплоты через ограждение как функция, зависящая от факторов Си О, при Б=сож1. Видно, что уменьшение шага перфорации ограждения в 4 раза (нижний и верхний предел варьирования) при фиксированном диаметре отверстия и расходе газа через отверстия (С=0,002 м, О=4,0-10-5 кг/с), обозначенных точками на графиках, приводит к снижению отношения тепловых потерь через ограждение Qoc/Q0oc от значения 0,57 (57%) до
0,11 (11 %), то есть более чем в 5 раз.
В результате проведения физических экспериментов были получены образцы парафинового гарниссажа, вид которого представлен на рис. 5. Данный образец получен при значении шага перфорации, равного
0,020 м, диаметр отверстия 0,001 м, расжд воздуха 1,87 5-10-5 кг/с.
Лучшим вариантом использования энергосберегающих возможностей перфорированного ограждения является создание на его основе нового оборудования [7, 8]. Однако радикальных изменений действующего оборудования промышленного предприятия обходят стороной, стараясь усовершенствовать существующее оборудование. Поэтому предложен ряд вариантов приложения перфорированного ограждения в действующих производствах.
В первую очередь перфорированное ограждение может быть применено в металлургическом производстве, а именно в сталеплавильных процессах, где необждимо иметь ограждение, которое работает в нижней части конвертера или дуговой сталеплавильной печи в условиях соприкосновения со сталью при температуре около 1650°С, посередине в условиях соприкосновения с окисленным шлаком при 1700°С, вверху в условиях соприкосновения с отходящим запыленным газом при 1850°С [9].
Проблемное место - граница раздела фаз. Одним из решений может быть создание слоя гарниссажа на конкретном участке агрегата с использованием кессонов. Однако в таком случае при образовании гарниссажа одновременно вырастут тепловые потери через ограждения, что и наблюдается при работе установок ковш-печь (УКП).
Применение перфорированного ограждения, работающего в гарниссажном режиме на конкретном участке конвертера, может решить эту задачу. Например, продувая через него нейтральный газ (аргон, азот), можно получить требуемый слой гарниссажа и одновременно сохранить возможность утилизации энергии, воспринятой газом в охладителях конвертерных газов или котлах-утилизаторах.
С помощью перфорированного ограждения происждит преобразование тепло -вой энергии низкого потенциала в энергию
отждящих газов с высоким потенциалом, которые, в свою очередь, могут служить источником энергии для лом о плавильных агрегатов. Таким образом, можно
Рис. 2. Отношение потерь теплоты через ограждение при постоянном расходе газа:
а - при G = min; б - при G = max
Рис. 3. Отношение потерь теплоты через ограждение при постоянном диаметре отверстия:
а - при d = min; б - при d = max
Рис. 4. Отношение потерь теплоты через ограждение при постоянном шаге перфорации:
а - при S = min; б - при S = max
Рис. 5. Образец парафинового гарниссажа, полученный в ходе экспериментов: а - общий вид; б - вид сбоку
снизить электропотребление лом о плавильных агрегатов до минимальных значений.
В цветной металлургии многие процессы получения тугоплавких металлов идут при температурах свыше 1300°С. При этом возникают проблемы, связанные с растворением огнеупоров футеровки при взаимодействии со шлаком. При применении водяного охлаждения тепловые потери через ограждения возросли до 35% [1]. Применение перфорированного ограждения может решить проблему возврата теплоты и организацию защитного слоя гарниссажа на внутренней поверхности ограждения.
Также перфорированное ограждение можно применить для таких процессов, как цинковая плавка, свинцовая плавка, для выплавки синтетических шлаков, температурный уровень которых 1800°С, при получении расплавов, предназначенных для производства плавленых бадделито-корундовых (2000°С), магнезитовых огнеупоров (2400°С) и др.
Список литературы
1. Рафалович И.М. Теплопередача в расплавах, растворах и футеровке печей и аппаратов. М.: Энергия, 1977. 304 с.
2. Плавка в жидкой ванне / А.В. Ванюков, В.П. Быстров, А.Д. Васкевич и др. М.: Металлургия, 1998. 208 с.
3. Андоньев С.М. Испарительное охлаждение металлургических печей. М.: Металлургия, 1970. 424 с.
4. Руссо В.Л. Теплофизика металлургических гарниссажных аппаратов. М.: Металлургия, 1978. 248 с.
5. Нешпоренко Е.Г. Регенерация тепловых потерь через перфорированное ограждение высокотемпературных технологических установок // ВестникМЭИ. 2008. № 1. С. 74-78.
6. Гречко А.В., Нестеренко Р.Д., КудиновЮ.А. Практика физического моделирования на металлургическом заводе. М.: Металлургия, 1976. 224 с.
7. Нешпоренко Е.Г., Картавцев С.В., Пегин С.Н. Ресурсосбережение в металлургическом комплексе с применением природ -ногогаза // Энергосбережение - теорияи практика: тр. Третьей Всерос. школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. С. 222-226.
8. Нешпоренко Е.Г., КартавцевС.В. Вопросы энергоресурсосбережения при извлечении железа из руд: монография. Магни-тогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. 153 с.
9. Бигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали. 3-е изд., пере-раб. и доп. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 544 с.
Bibliography
1. Raphalovich I.M. Heat transfer in fused, solutions and protection furnaces and devices. M: Energy, 1977. 304 p.
2. Fusion in a liquid bath / A.V. Vanjukov, V.P. Bystrov, A.D. Vaske-vich, etc. M: Metallurgy, 1998. 208 p.
3. Andoniev S.M. Isparitelnoe cooling metallurgical pewhose. M: Metallurgy, 1970. 424 p.
4. Russo V.L. Thermophysics metallurgical of garnissage apparatus. M: Metallurgy, 1978. 248 p.
5. Neshporenko E.G. Regeneration of thermal losses through a perforiro-bathing protection of high-temperature technological installations // Bulletin MEI. 2008. №1. P. 74-78.
6. Grechko A.V., Nesterenko R.D, Kudinov U.A. Practice of physical modeling at metal works. M: Metallurgy, 1976. 224 p.
7. Neshporenko E.G., Kartavtsev S.V., Petin S.N. Savings of resources in a metallurgical complex with application of natural gas // Energy savings - the theory and practice: Works of the Third All-Russia school-seminar of young scientists and experts. M: Publishing house MEI, 2006. P. 222-226.
8. Neshporenko E.G., Kartavtsev S.V. Question savings of resources and energy at extraction of iron from ores: monography. Magnitogorsk: MGTU, 2007. 153 p.
9. Bigeev A.M., Bigeev VA. Steel metallurgy. 3 ed., the reslave. and add. Magnitogorsk: MGTU, 2000. 544 p.
