Технические науки/ 5. Энергетика

Селихов Ю.А., Коцаренко В.А., Горбунов К.А., Жилин Д.А.

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»,  Харьков

 

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ СИСТЕМЫ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ

Одним из направлений ресурсосбережения и снижения энергоемкости производства стекломассы является повышение стойкости стеклоплавильных агрегатов. Огнеупоры стен, работающие в агрессивной среде в диапазоне температур 1320–1650 0С по сравнению с огнеупорами свода и подины, подвержены наиболее интенсивному разрушению. Причем характерным является интенсивное разрушение огнеупоров на уровне зеркала стекломассы [1]. Это приводит к значительному повышению температуры на наружной поверхности стен варочного бассейна, которая может превышать 300 0С. С ростом температуры значительно возрастает скорость коррозии огнеупоров, которая может составлять от 0,1–0,2 мм/сутки для бакора и до 5–6 мм/сутки для плавленого кварца [2]. В этом случае существенно увеличиваются тепловые потери через ограждения агрегатов, ухудшаются условия работы обслуживающего персонала. С уменьшением толщины огнеупорных блоков стен варочного бассейна возникает реальная опасность прорывов расплава стекломассы. В итоге это приводит к преждевременному останову агрегатов для холодного ремонта, что оказывает отрицательное влияние на технико-экономические показатели работы технологических агрегатов [3-4]. В соответствии с вышесказвнным уменьшение: скорости коррозии огнеупоров; температуры на наружной поверхности стен варочного бассейна; улучшение: условий работы обслуживающего персонала и технико-экономических показателей работы технологических агрегатов являются актуальными задачами.

Цель работы. Улучшить работу технологических агрегатов ванной стекловаренной печи и опубликовать материалы теплотехнических расчетов системы испарительного охлаждения (СИО), которые ранее не публиковались. На внешней поверхности стен стекловаренной печи при производстве алюмоборосиликатного стекла была установлена (СИО) [5]. 

Установка охлаждаемых панелей выполнена по периметру ванны с наружной стороны. Панели представляют собой вертикальные экраны, сваренные из стальных труб диаметром d = 59 х 8 мм с ребрами, соединенными верхним и нижним коллекторами. Экраны смонтированы в стальном корпусе прямоугольной формы, изготовленном из стального листа. Межтрубное пространство заполнено специальным жаростойким бетоном, амежду бетоном и наружной металлической стенкой прокладка из изоляционного материала. На рисунке 1 показан фрагмент СИО ванной стекловаренной печи.

 

Рисунок 1 - Фрагмент системы испарительного охлаждения ванной стекловаренной печи

 

На рисунке 1 показан фрагмент СИО ванной стекловаренной печи, которая состоит из стены 1 варочного бассейна, свода печи 2, подины 3, элементов СИО 4, которые охлаждаются, с подводом 5 и отводом 6 теплоносителя. После выхода ванной стекловаренной печи на рабочий режим включается СИО внешней поверхности стен варочного бассейна. Теплоноситель подается по патрубку 5 снизу в систему трубопроводов и под давлением насоса заполняет все трубопроводы, отбирает тепло от внешней поверхности стен варочного бассейна и через патрубок 6 выходит из коллектора 6. Термопары, которые установлены в патрубке 6, передают сигнал на цифровой вольтметр об уровне температур теплоносителя. СИО работала без автоматики и управления вручную.

Для оценки работоспособности экранов СИО проведена диагностика температурного состояния элементов в интервале температур 1550–1570 0С с учетом динамики разрушения огнеупорной кладки. Результаты промышленной эксплуатации СИО показали надежность работы элементов системы, что позволило повысить надежность стен варочного бассейна, замедлить его разрушение на отдельных участках и снизить уровень температур на внешней поверхности стен варочного бассейна [6–7]. При этом стекловаренная печь и СИО кроме стекломассы вырабатывала и насыщенный водяной пар, что открыло возможность реализовать различные схемы энерготехнологического комбинирования.

Для предложенной схемы выполнены теплотехнические расчеты по использованию элементов СИО системы охлаждения. Расчеты выполнены для системы с постоянной температурой теплоносителя на входе tн =15 оС при условии использования водяного охлаждения по периметру варочного бассейна с заданной величиной поверхности нагрева. 

Фрагмент таблицы результатов расчетов СИО при изменении режимных параметров до 200 оС приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Тепловые режимы системы испарительного охлаждения

tвых, оС

G7, кг/(м2с)

Q7, Вт

20

14

292,81

30

14

876,54

40

14

1460,9

50

14

2045,26

60

14

2632,77

70

14

3223,99

80

14

3817,45

90

14

4418,4

100

14

31595,2

110

14

31220

120

14

30839,2

130

14

30440,2

140

14

30030

150

14

29601,6

160

14

29156,4

170

14

28693

180

14

28212,8

190

14

27703,2

200

14

27169,8

 

Установлено, что в диапазоне температур теплоносителя на выходе из коллектора СИО 20-370 оС и расхода воды от 2 до 50 кг / (м2·с) величина теплового потока изменяется от 4,5 Вт до 120 КВт. Это обеспечивает реальную возможность утилизировать тепловые потери практически для всех возможных режимов работы агрегата со значительным запасом по тепловой мощности.

Результаты расчетов показали, что в данном случае представляется возможность использовать на технологические нужды дополнительное количество тепловой энергии, которое ранее не использовалось.

    В случае использования на предприятии горячей воды и пара, производимого системой испарительного охлаждения, может быть получена экономия условного топлива, величина которой составит в котельной

,

            где –энтальпия воды на входе и выходе из коллектора;

                 – теплота сгорания условного топлива;

                –КПД котла.

Общая экономия тепловой энергии

,

 - экономия тепловой энергии от полученного пара в СИО;

 - экономия тепловой энергии от полученной горячей воды в системе охлаждения внешней поверхности СИО;  - экономия тепловой энергии от уходящих газов.

Экономия условного топлива при использовании пара СИО и горячей воды

,

где  - массовый расход пара;

- массовый расход питательной воды;

 -энтальпия пара;

 - энтальпия питательной воды;

 - экономия топлива, м3/ч.

Годовая экономия топлива при заданной продолжительности потребления горячей воды  составит величину

.

Расчеты показали, что даже при частичном использовании пара СИО может быть получена значительная экономия условного топлива на предприятии, см. рис. 2.

Рисунок 2 –зависимость экономии условного топлива от массового расхода воды на предприятии

График построен при =100 °С.

При анализе расчетов с целью представления в аналитическом виде функциональ­ной зависимости, т. е. в подборе формулы, описывающей результат, были использованы возможности надстройки среды Excel (пакет анализа), а именно регрессионный анализ [8]. Зависимость апроксимирована обобщенным уравнением и определен коэффициент корреляции [9].

Ниже приведено обобщенное уравнение, описывающее .

, где  – коэффициент корреляции для уравнения. Как видно при анализе коэффициента корреляции погрешность расчетов не превышает 1 %.

         Выводы

1. СИО позволяет значительно снизить температуру внешней поверхности стен.

2. Обеспечить реальную возможность использовать теплоту, отводимую от поверхности ограждения бассейна на технологические нужды предприятия.

3. Обеспечить реальную возможность утилизировать тепловые потери практически для всех возможных режимов работы агрегата со значительным запасом по тепловой мощности.

4. Обеспечить реальную экономию топлива.

5. Обеспечить снижение теплового загрязнения окружающей среды и уменьшение выбросов оксидов азота за счет снижения расхода топлива, сжигаемого в промышленных котельных.

Литература

1.     Энергосбережение при варке стекла / Г.М.Матвеев, В.В.Миронов, Э.М.Раскина, К.Е.Тарасевич // Стекло и керамика. - 1998.- №11.- С. 10 - 11.

2.     Кошельник В.М., Долженко Е.Ю., Кошельник А.В., Киуила И.Г. Перспективные направления энерготехнологического комбинирования на основе стекловаренных печей // Інтегровані технології та енергозбереження. - 1999. - №2. - С. 31-39.

3.     Кошельник В.М., Селіхов Ю.А., Кошельнік О.В., Долженко О.Ю. Ванна скловарна піч. Патент України.  Бюл. №12, 2004.

4.     Интегрированные энергосберегающие теплотехнологии в стекольном производстве: Монография  / Л.Л. Товажнянский, В.М. Кошельник, В.В. Соловей, А.В. Кошельник; Под ред. В.М. Кошельника. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2008 – 628 с.

5.     Ключников А. Д. Энергетика, теплотехнология и вопросы энергосбережения. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 128 с.

6.     Тепловые процессы в технологии силикатных материалов: Учебник для вузов / И.А. Булавин, И.А. Марков, А.Я. Рапопорт, В.К. Хохлов. – М.: Стройиздат, 1982 – 248 с.

7.     Кошельник В.М., Селихов Ю.А., Кошельник А.В., Долженко Е.Ю. Совершенствование конструктивных элементов системы охлаждения высокотемпературных агрегатов ванного типа // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2004. - №2. - С. 22-27.

8.     Додж М., Стинсон К. Эффективная работа с Microsoft Excel 2000. – СПб.: Питер, 2001. – 1056 с.

9.     Коцаренко В.О., Селіхов Ю.А., Горбунов К.О. Розрахунки в середовищі  Excel: навч. посіб. – Харків: Вид-во «Підручник НТУ «ХПІ», 2011. –  272 с.