Технические науки / 5. Энергеника

К.т.н., доц. Ометова, М.Ю., к.т.н. Рыбкина, Г.В.

Ивановский государственный архитектурно-строительный университет, Иваново

Численные исследования в регенеративных

воздухоподогревателях

Существующие инженерные методики, которые описывают процессы теплообмена, не позволяют получить необходимой информации о изменении температурных полей в насадке регенеративных воздухоподогревателей Разработанная математическая модель [1] и её компьютерная реализация позволяют исследовать теплотехнические параметры воздухонагревателей.

При конструировании регенеративного воздухоподогревателя важно установить некоторые допустимые колебания температур теплоносителей [2] на выходе из теплообменного аппарата. По величине этих колебаний оценивают эффективность использования насадки.

В работах [2], [3] принимается, что колебания температуры насадки в два раза меньше, чем колебания температур теплоносителей, при одинаковых периодах нагрева и охлаждения. При этом принимается, что колебания температуры насадки и теплоносителя в период нагрева и в период охлаждения одинаковые и определяются по формуле:

, (1)

где G, c – соответственно масса и теплоемкость насадки, кг; Дж/кг⁰С,

а колебания конечных температур теплоносителей соответственно:

(1)

На рис. 1 представлено продольное распределение температур в насадке и в теплоносителях во времени для квазистационарного режима работы регенеративного аппарата, полученное с использованием математической модели.

а) б)

Рис. 1. Распределение температур теплоносителей и насадки во времени вдоль продольной оси

а) – для режима нагрева; б) – для режима охлаждения.

Из представленных графиков, видно, что колебания конечных температур теплоносителей и насадки не соответствуют принятым авторам допущениям в [3]. Равенство колебания температур греющего и нагреваемого теплоносителя сделано в предположении о равенстве тепловых емкостей потоков, что справедливо только для «идеального регенератора». При принятых допущениях, т.е. при CT = C¢ T¢ , продольное распределение температур насадки и теплоносителей должно быть линейным. Однако вычислительный эксперимент показал, что графики распределения температур вдоль теплообменного аппарата искривлены и по мере приближения к концам регенератора все больше удаляются друг от друга. По результатам эксперимента колебания температур соответственно составят в насадке 85⁰ С; в теплоносителях соответственно – Dt_m = 101⁰C; Dt_x = 115⁰С.

Очевидно, что представленные кривые не могут пересекаться, в противном случае необходимо увеличивать количество насадки.

Кроме того, что по колебаниям температур теплоносителей определится максимальная температура дутьевого периода и минимальная температура дымового периода. Максимальная температура дутья – основной показатель работы регенератора, который определит длительность подачи дутья.

Как было отмечено, существующие инженерные методики расчета дают заниженные значения температур теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата (минимальной – для дымового периода; максимальной – для дутьевого). В конечном итоге это приводит к необоснованному уменьшению продолжительности дымового и дутьевого цикла. Например, максимальная температура дутья, определенная по методике [4] составляет 480⁰С, при продолжительности дутьевого цикла 0,062 часа. По результатам расчета эти величины соответственно равны 650 ⁰С, 0,0815 часа. Кроме увеличения продолжительности дутьевого периода конструкция насадки должна обеспечивать стабильную температуру дутья подаваемого в печь. Как известно, из практики, нагрев доменного дутья характеризуется значительными колебаниями температуры (порядка 200⁰ С) на выходе из теплообменного аппарата. На равномерность нагрева дутья влияет распределение теплопроизводительности насадки по ее высоте. Таким образом, полученные в конце периода нагрева и в конце периода охлаждения кривые позволяют оценить теплопроизводительность насадки по ее длине, рис. 2. Эти температуры определяют относительную теплопроизводительность на любой отметке по всей высоте насадки.

Расположение кривых t_н2, t_н4 характеризуют не монотонное изменение теплопроизводительности насадки вдоль потока: теплопроизводительность насадки вверху не является максимальной; она вначале увеличивается по направлению к низу, достигает максимума в средней зоне и далее снижается до минимальной величины в нижнем сечении насадки. Такое распределение теплопроизводительности насадки благоприятнее для уменьшения неравномерности нагрева дутья, чем монотонное изменение теплопроизводительности насадки [3].

Кривые t_н5 и t_н6, построенные по уравнениям Гольдфраба [3] не доучитывают теплопроизводительность средней части насадки. Согласно этим кривым теплопроизводительность насадки меняется монотонно, понижаясь с верха насадки, где она имеет наибольшее значение, к низу, где она принимает наименьшее значение. Такой характер является следствием принятого допущения об одномерности температурного поля в насадке и приближенном расчете коэффициента теплопередачи.

Рис. 2. распределение температуры по длине насадки

t_н2; t_н5 – температуры насадки в конце периода нагрева;

t_н4; t_н6 – температуры насадки в конце периода охлаждения.

Таким образом, максимум теплопроизводительности в средних зонах уменьшает темп падения температуры дутья (стабилизирует температуру дутья на выходе из теплообменного аппарата), облегчая при этом условия работы верхней зоны насадочного кирпича.

В работах [2], [4] утверждается, что температура концов насадки за цикл изменяется в виде петель гистерезиса, причем петли, относящиеся к противоположным концам насадки, дублируют друг друга, а в середине температура насадки меняется линейно. Результаты численного эксперимента показали, что изменение температуры вдоль потока приводит к расслоению петель гистерезиса. При этом температура насадки в середине шахты меняется не линейно, а виде петли гистерезиса, рис. 3. При этом площадь петли гистерезиса в середине шахты значительно больше, чем на торцах.

а) б) в)

Рис.3. Изменение температуры насадочного кирпича за цикл:

а) – в середине секции; б) – в начале секции; в) – в конце секции

Такое расхождение является следствием принятого допущения ободномерном распределение температурных полей в насадке.

Литература

1. Елин, Н.Н., Моделирование циклически сопряжённого теплообмена в регенеративном воздухоподогревателе / Елин Н.Н., Рыбкина Г.В., Ометова М.Ю. // Вестник ИГЭУ, 2010. – Вып. 2. – С. 22–25.

2. Лемлех, И.М. Высокотемпературный нагрев воздуха в черной металлургии / И.М Лемлех, В.А. Гордин. – М.: Металлургиздат, 1983. – 357 с.

3. Кривандин, В.А. Металлургическая теплотехника / В.А. Кривандин, И.Н. Неведомская М.: Металлургия, 1986 – 586 с.

4. Тепловой расчет котельных установок (Нормативный метод)/ Под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Дубковского, Э.С. Карасиной. М.: Энергия, 1973.