Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
РЕЗАНОВ Евгений Михайлович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ С РАДИАЦИОННЫМИ ТРУБАМИ НА ОСНОВЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ОМСК 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Омский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ОмГУПС).
Научный консультант:
доктор технических наук, доцент ПАРАМОНОВ Александр Михайлович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор ТОРОПОВ Евгений Васильевич;
кандидат технических наук МЫЗНИКОВ Михаил Олегович.
Ведущая организация:
Омский филиал ОАО ТГК-11.
Защита диссертации состоится 25 мая 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.02 при ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 6-340.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет.
Автореферат диссертации разослан апреля 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.178.02. Тел./факс: (3812) 65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор В. Л. Юша.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В машиностроительной, авиационной промышленности для термообработки изделий широко применяют термические печи с радиационными трубами, в которых топливо сжигается внутри радиационных труб, благодаря чему исключается контакт продуктов сгорания с нагреваемой поверхностью металла. Это позволяет значительно уменьшить потери металла от окисления и обезуглероживания, повысить эффективность и качество термообработки изделий.
По сравнению с термическими печами, где для нагрева и тепловой обработки изделий используют электрообогрев, применение печей с радиационными трубами считается менее затратным и более выгодным вследствие прямого использования первичного топлива.
Применение печей указанного типа обусловлено их универсальностью, приемлемой для термической и химико-термической обработки металла.
В термических цехах потребление топлива, которое составляет до 19 % от общего его расхода на предприятии, характеризуется низким коэффициентом теплоиспользования. Проведенные ООО ВНИИПРОМГАЗ, МИСиС, ОАО Теплопроект и Омским государственным университетом путей сообщения, обследования печного хозяйства ряда предприятий машиностроительной промышленности показали, что это объясняется, прежде всего, низким техническим уровнем термических печей. Печи имеют несовершенные тепловые схемы. Потери теплоты с уходящими газами составляют от 40 до 70 % от общего расхода тепла на печь, термический КПД печей - от 8 до 17 %. Это приводит к высоким значениям удельного расхода топлива на нагрев и термообработку металла. Поэтому актуальной является задача значительного снижения расхода топлива.
Большой вклад в теорию и практику повышения эффективности использования топлива внесли Рафалович И. М., Кривандин В. А., Щукин А. А., Тебеньков Б. П., Еринов А. Е., Розенгарт Ю. И., Торопов Е. В. и др. Работы этих ученых создали предпосылки и большие возможности для переустройства в организации и оформлении технологического процесса нагрева и термообработки металла, повышения технико-экономических показателей работы печных агрегатов.
Актуальность разработки вопросов, связанных с повышением эффективности работы термических печей, отвечает Федеральному закону РФ № 261-ФЗ Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективностиЕ от ноября 2009 г.
Цель работы: научное обоснование, разработка методики и алгоритма оптимизации тепловой работы радиационных труб термических печей, обеспечивающих снижение удельного расхода топлива и стоимости тепловой обработки изделий.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) выполнен анализ существующих методов и технических решений по повышению эффективности работы термических печей;
2) разработана математическая модель тепловой работы радиационной трубы термической печи;
3) разработана методика технико-экономической оптимизации рекуперации теплоты уходящих газов термических печей с радиационными трубами;
4) разработаны алгоритм и программное обеспечение для определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей;
5) проведены численные исследования тепловой работы радиационной трубы термической печи, дана оценка целесообразности и эффективности практического использования предложенных разработок.
Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования и численного решения оптимизационных задач, нелинейного программирования, современные методы техникоэкономических расчетов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) предложены методические положения исследования термических печей с радиационными трубами для достижения оптимальных показателей их работы;
2) предложена эффективная математическая модель тепловой работы радиационной трубы термической печи для решения задачи оптимизации ее работы;
3) разработана методика оптимизации тепловой работы радиационных труб термических печей;
4) разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей.
Достоверность результатов исследований базируется на строго доказан- ных фундаментальных положениях теплофизики, общей теории печей, математического моделирования.
Практическая ценность диссертации. Созданные методика, алгоритм и программное обеспечение позволяют решить задачу повышения эффективности работы термических печей с радиационными трубами как при проектировании новых, так и реконструкции существующих печей.
Рекомендации по проектированию термических печей с радиационными трубами внедрены в ФГУП ОМО им П. И. Баранова (г. Омск); разработанные методика и алгоритм расчета используются в учебном процессе кафедры Теплоэнергетика ФГБОУ ВПО ОмГУПС.
На защиту выносятся:
1) математическая модель тепловой работы радиационной трубы термической печи;
2) методика технико-экономической оптимизации рекуперации теплоты уходящих газов термических печей;
3) алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей;
4) результаты исследований по оптимизации тепловой работы термической печи с радиационными трубами;
5) результаты оценки технико-экономической эффективности и экологичности разработанных решений при модернизации термической печи с радиационными трубами.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке проекта реконструкции термической печи с радиационными трубами в ФГУП ОМО им П. И. Баранова.
Фактическое использование материалов диссертационной работы подтверждено актом передачи научно-технической продукции.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 конференциях: всероссийских научнотехнических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Проблемы теплоэнергетики (Челябинск, 2007 - 2010), II всероссийской молодежной научно-технической конференции Передовые технологии (Омск, 2009), XI всероссийском научно-техническом семинаре Энергетика:
экология, надежность, безопасность (Томск, 2009), всероссийской научнопрактической конференции Транспорт-2009 (Ростов-на-Дону, 2009), международной научно-практической конференции Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях (Омск, 2010), международной научно-практической конференции Энергоэффективность (Омск, 2010), научно-практической конференции Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге (Омск, 2010), научно-практической конференции Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса (Омск, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, из них четыре публикации - в изданиях, указанных в перечне ВАК, получено свидетельство о государственной регистрации на разработанный программный продукт.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 154 наименований и приложений, содержит 158 страниц основного текста, 17 рисунков и девять таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна, практическая значимость результатов, защищаемые положения, личный вклад автора, дано описание структуры диссертации.
В первой главе проведен анализ развития и совершенствования пламенных термических печей, дана оценка существующим методам и техническим решениям по повышению эффективности и экономичности работы термических печей.
Главными направлениями повышения тепловой эффективности и экономичности работы термических печей с радиационными трубами является повышение производительности, снижение удельного расхода топлива, затрат на сооружение печных агрегатов и их эксплуатацию.
Применение термических печей с радиационными трубами (с муфелированием пламени) позволяет добиться равномерного нагрева металла. Работа указанных агрегатов не отвечает современным требованиям достижения высоких показателей работы. В связи с этим актуальна задача повышения тепловой эффективности и экономичности работы термических печей с радиационными трубами.
Поперечный разрез исследуемой толкательной термической печи с радиационными трубами представлен на рис. 1.
Одним из способов повышения эффективности работы нагревательных печей является оптимизация их тепловой работы. Именно оптимизация тепловой работы печей основной резерв повышения экономичности нагрева и термообработки металла.
В настоящее время имеется большое количество работ, в которых рассматривается эта тема. Предметом известных аналитических и экспериментальных исследований являются оптимальные режимы нагрева металла и возможности реализации этих режимов. Это работы Ключникова А. Д., Торопова Е. В., Бутковского А. Г., Гольдфарба Э. М., Глинкова М. А., Розенгарта Ю. И., Панферова В. И., Парамонова А. М. и др. В них получены важные результаты по математическому моделированию и оптимизации промышленных печей.
Рис. 1. Поперечный разрез толкательной термической печи с радиационными трубами: 1 - трубопровод уходящих газов; 2 - рекуператор; 3 - вентилятор; 4 - футеровка; 5 - садка; 6 - толкательный механизм; 7 - направляющая для садки;
8 - трубопровод подающего холодного воздуха в рекуператор; 9 - подвод защитной атмосферы; 10 - подающий воздухопровод горячего воздуха; 11 - радиационная труба; 12 - горелка; 13 - топливопровод; 14 Цгорелочный блок.
Известные исследования по оптимизации работы печей относятся в основном к нагревательным агрегатам прокатного производства (проходным, методическим, секционным, кольцевым, нагревательным колодцам и др.) и плавильным печам металлургической промышленности. Исследования термических печей с радиационными трубами машиностроительной, авиационной промышленности проводилось недостаточно. В имеющихся в настоящее время работах задача оптимизации работы печных агрегатов с радиационными трубами решена не полно. Это в значительной степени является сдерживающим фактором дальнейшего повышения тепловой эффективности и экономичности термического производства.
Во второй главе рассмотрены основные принципы и положения техникоэкономической оптимизации нагревательных печей, основы построения алгоритма расчета оптимальных параметров, взаимосвязь технических и экономических факторов, влияние характера изменения параметров на оптимальное решение.
Требования к выбору критериев, их анализ определяют основные направления повышения технико-экономической эффективности работы печных агрегатов.
В работе в качестве критерия оптимальности принята оценка сравнительной эффективности инновационных инвестиций по минимуму дисконтированных затрат. Данный критерий достаточно полно отвечает решению поставленной задачи технико-экономической оптимизации работы термических печей с радиационными трубами, с учетом капитальных вложений и эксплуатационных расходов, и определяется выражением:
З = С + Рн К, (1) где Рн - норма дисконта инвестиций; К - единовременные капитальные вложения; С - изменяющиеся годовые эксплуатационные расходы.
В данной работе использован один из классических математических методов решения экстремальных задач - метод поиска оптимума путем решения системы нелинейных уравнений, полученных при приравнивании к нулю частных производных минимизируемой функции по оптимизируемым параметрам.
Данный метод позволяет с минимальными затратами на вычисления получить конечный результат, относительно легко выявить влияние отдельных факторов, определить возможность целесообразного упрощения расчетов.
Рассматривается необходимость и достаточность условий определения оптимальных параметров.
В третьей главе разработаны методика оптимизации тепловой работы радиационных труб термических печей, математическая модель их тепловой работы, алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей.
Эффективность использования топлива в термических печах с радиационными трубами повышается при сочетании мероприятий по обеспечению полного его сгорания при минимальном избытке воздуха с возможно более полной утилизацией теплоты уходящих газов. Использование физической теплоты уходящих газов для подогрева воздуха в теплоутилизационном устройстве - основное мероприятие по энергосбережению, позволяющее повысить термический КПД печей, снизить удельный расход топлива на тепловую обработку металла за счет возвращения теплоты уходящих газов с подогретым воздухом в радиационные трубы термических печей. С повышением температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационной трубе термической печи, увеличивается поверхность нагрева рекуператора. Это ведет к увеличению затрат на теплоутилизирующее устройство. Поэтому целесообразно получить оправданную (оптимальную) температуру подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей.
Анализ работы печи показывает, что из всех эксплуатационных расходов переменными величинами, зависящими от температуры воздуха, подаваемого для горения топлива, являются затраты на топливо, на подачу дутьевого воздуха и на отвод дымовых газов за пределы агрегата. Величины отчислений на реновацию, капитальный и текущий ремонт принимаются пропорциональными капиталовложениям.
Получены выражения для определения величины суммарных дисконтированных затрат по рекуператору и топливу термической печи с радиационными трубами:
З = (Sт + Sам + Sв) + Рн К (2); З = Ст В + Ср Н (3); Sт = Ст В (4); Sам = П К (5);
Sв = Сэ h Nт.д. Н (6); К = Рр Н + Ст.д. Z Nт.д. Н (7); Ст = Рт h (8);
Ср = Рр (Рн + П) + Nт.д. [Z Ст.д. (Рн + П) + Сэ h] (9), где Sт, Sам, Sв - годовые затраты на топливо, отчисления на амортизацию, затраты на подачу дутьевого воздуха для горения топлива и отвод дымовых газов за пределы печного агрегата; В, Ст - расход и годовая стоимость топлива;
П - норма амортизационных отчислений; h - время работы печи в течение года;
Nт.д - мощность, затрачиваемая на обслуживание 1 м2 поверхности нагрева рекуператора (на преодоление газового и воздушного сопротивления);
Н - поверхность нагрева рекуператора; Ср, Рр - годовая стоимость и капиталовложения в сооружение 1 м2 поверхности нагрева рекуператора;
Ст.д., Сэ - стоимость тягодутьевых машин и электроэнергии; Z - коэффициент запаса, включающий резерв по расходу и давлению тягодутьевых машин и мощности электродвигателя; Рт - полная расчетная стоимость единицы количества топлива.
Для решения задачи оптимизации утилизации теплоты продуктов сгорания топлива, уходящих из радиационных труб термической печи, разработана математическая модель тепловой работы радиационной трубы.
Модель разработана на основе уравнений теплообмена и баланса теплоты для печи и радиационной трубы при следующих допущениях: процессы горения и теплообмена стационарны; горение гидродинамически стабилизировано по длине радиационной трубы; плотность теплового потока на поверхности стенки радиационной трубы постоянна; производительность печи задана и постоянна; нагрев металла ведется при постоянной температуре.
Условия однозначности: геометрические условия определяются диаметральными и осевыми размерами; физические условия - физические свойства (вязкость, плотность, теплоемкость, теплопроводность); начальные условия - определяется температура стенки радиационной трубы; граничные условия третьего рода для рабочего пространства печи.
Разработанная математическая модель позволяет определять тепловые потоки в рабочем пространстве печи и в радиационной трубе в зависимости от температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива, она имеет вид:
4 Тст Тм р Qтр спрт.мFт Qст Qи Qк (10); (11);
ст ст 100 1Тф Тст р р Qи С0пргFт Qк кFт (Тф Тст ) (12); (13);
ст ст 100 1Со спр (14);
1 (1 ) (1 ) м.т т.м т.м м.т 1 т.м м.т т 1 м т.м м.т Wг 0,75 11,6W0dг СО фН О (15); к 1,72 Wг (16); (17);
0,2 lр dр т т 0,1р 0,33800(lр/dр )1,0,838ВрQн Wг 2 т т dW0 lф 42,32 d (18); (19); (20);
р Qн d0 D (lр/dр )2,т т Тф ТтТг tт tк (22); tк tо x1t* x2tт (23);
(21);
к в ст 1 а4 Qст пр tг Tстa2 Tстa3 a1 (24); (25); (26), ВрСгVг Тф Тм р р а1 С0пргFт а3Тф спрт.мFт где ; (27) 100 1р С0пргFт спрт.мFтр а; (28) 10а3 кFтр ; (29) р а4 Вр(Qн(1 R2) Cтtт VвCвtв VвCвtв VгR1) ; (30) Qтр - тепловой поток, переданный от одного тела к другому при теплообмене излучением в системе радиационная труба - кладка - изделие;
Qст - тепловой поток, воспринятый стенкой радиационной трубы в системе Qи теплообмена продукты сгорания - радиационная труба; - тепловой ст Qк - тепловой поток, поток, переданный газом стенке излучением;
ст спр переданный газом стенке конвекцией; - приведенный коэффициент т.м излучения системы; - общий угловой коэффициент от радиационной р Fт трубы на металл; - излучаемая поверхность радиационной трубы;
Тст - средняя температура стенки радиационной трубы; - средняя Тм Со температура нагреваемого металла; - коэффициент излучения абсолютно т черного тела; - степень черноты поверхности радиационной трубы;
м - степень черноты поверхности нагреваемого металла; - частный т.м угловой коэффициент от радиационной трубы на металл; - частный м.т пр угловой коэффициент от металла на радиационную трубу; - приведенная ст степень черноты стенки; - действительная степень черноты стенки г - степень черноты излучаемого газа;
радиационной трубы;
Тф - эффективная температура продуктов горения в радиационной трубе;
СО - степень черноты двуокиси углерода; - степень черноты водяного Н О 2 ф - поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара;
пара;
dlф - эффективная длина пути продуктов горения топлива; - диаметр газового Wг сопла; - средняя скорость газа в радиационной трубе; - коэффициент кинематической вязкости; D - коэффициент молекулярной диффузии;
р lр Qн - низшая теплота сгорания топлива; - длина радиационной трубы;
т р Wd - внутренний диаметр радиационной трубы; - начальная скорость газа т по оси радиационной трубы; Вр - расход топлива в радиационной трубе;
Тт - теоретическая температура горения топлива; - температура уходящих Тг из радиационной трубы продуктов сгорания; - коэффициент смесеобразования; - поправочный коэффициент, принимается в зависимости от калориметрической температуры горения, учитывая влияние эндотермических процессов, снижающих температуру горения вследствие tк диссоциации продуктов сгорания; - калориметрическая температура tо горения топлива; - калориметрическая температура горения топлива без к подогрева воздуха, определяемая при коэффициенте избытка воздуха 1;
x1 - коэффициент приращения калориметрической температуры горения при xнагреве воздуха на 1 С; - коэффициент приращения калориметрической tв температуры горения при нагреве топлива на 1 С; - температура воздуха, поступающего к горелочным устройствам печи; к - средний коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к поверхности радиационной трубы;
Vв - количество воздуха, необходимое для сжигания единицы количества топлива; Ст/, tт/ - средняя объемная теплоемкость и температура топлива;
Сг - средняя объемная теплоемкость уходящих из радиационных труб печи газов; R1 - теплота несгоревшего СО в уходящих газах; R2 - доля потерь от механической неполноты сгорания; tв - снижение температуры воздуха на пути от рекуператора до горелочных устройств печи вследствие потерь теплоты в окружающую среду; Св//, tв// - средняя объемная теплоемкость и температура воздуха на выходе из рекуператора; Vг - действительный объем продуктов сгорания.
Значение оптимальной температуры подогрева воздуха в рекуператоре tв.опт для конкретной температуры уходящих газов на выходе из радиаtг ционной трубы термической печи можно найти исходя из минимума суммарных дисконтированных затрат на рекуператор и топливо З. Представив расход топлива на нагрев металла обрабатываемых изделий и поверхность нагрева рекуператора из уравнений теплового баланса рабочего пространства термической печи и теплообмена для рекуператора как функции от tв tв температуры воздуха, подаваемого для горения топлива, В = f( ), H = f( ), получено расчетное уравнение для определения оптимальной температуры подогрева воздуха при приравнивании к нулю частных производных функции tв выражения (3) по оптимизируемому параметру :
dЗ dB dH Ст Ср dtв dtв dtв. (31) Проведенные преобразования уравнения (31) позволили получить решение в виде:
аtв2 btв d, (32) b b2 4ad tв.опт, (33) 2a // // а СpвСв Vвc2 KtCв Cтcгде ; (34) / / // b 2(K tCтc1 CрвCвtвVв)Cв c; (35) // / / // // d Cрв(Cв b1c1 Cвtв(Cв Vвc1 c2b1)) KtCв Cтc12;
(36) р // b1 Qн(1 R2) C/ t/ CгtгVг VгR1 VвCв tв ; (37) т т / / Cг VввCв / / с1 (A Б)tг ( 1)Atв;
(38) // // Cг mVггCг (1 ) // AVввCв с2 Б ; (39) // mVггCг (1 ) / / Cгtг Cвtв / tг tг ; (40) / (1 )Cг / // // / / Cг / Vвв (Cв tв Cвtв ) // tг // tг ; (41) // Cг mVггCг (1 ) в - коэффициент, учитывающий потери воздуха в рекуператоре;
Св/, tв/ - средняя объемная теплоемкость и температура воздуха на входе в рекуператор; К - коэффициент теплопередачи рекуператора; t - поправочный коэффициент при сложной схеме теплообмена; tг/, tг// - температура газов на входе и выходе из рекуператора; А и Б - коэффициенты, зависимые от соотношения (tг//-tв/)/(tг/-tв//); tг - снижение температуры газов на пути до рекуператора вследствие потерь тепла в окружающую среду; - коэффициент, учитывающий разбавление уходящих газов воздухом на пути до рекуператора;
Сг/, Сг// - средняя объемная теплоемкость газов на входе и на выходе из рекуператора; m - коэффициент, учитывающий выбивание продуктов сгорания из радиационной трубы; г - коэффициент, учитывающий тепловые потери через ограждающие стенки рекуператора в окружающею среду.
Увеличение температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационной трубе термической печи, приводит к повышению температуры продуктов горения и температуры стенки трубы. Для жаростойких радиационных труб, выполненных из легированных сталей, допустимая o o температура стенки 1050 - 1150 С, для карбидокремниевых 1250 - 1350 С.
Поэтому при определении оптимальной температуры подогрева воздуха, для обеспечения надежной работы радиационной трубы, введено ограничение:
max доп tст tст, (42) доп max tст tст где, - допустимая и максимальная температура стенки радиационной трубы.
Получено уравнение для определения максимальной температуры стенки радиационной трубы в зоне ядра факела горения топлива:
max4 max Tст a2 Tст а3 d1 0, (43) Тк 4 Тм р р d1 С0пргFт а3Тк спрт.мFт.
где (44) 100 1На основании полученных выражений (32) - (44) разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха в рекуператоре.
Методика и алгоритм, предложенные для оптимизации тепловой работы радиационных труб термических печей, реализованные на ЭВМ, дали положительные результаты. Они относительно просты в реализации, не требуют значительной подготовки и позволяют провести широкий круг исследований.
Проведенные исследования показали, что одновременно выполняются необходимые и достаточные условия существования экстремума функции.
tв.опт Полученные значения отвечают минимуму целевой функции (рис. 2).
Выполненное графическое решение уравнения (31) показало, что оно имеет не более одного корня на отрезке возможного изменения значения искомого параметра.
Рис. 2. Зависимость дисконтированных затрат по рекуператору и топливу от температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационную трубу термической печи В четвертой главе приведены результаты численного исследования тепловой работы радиационной трубы термической печи, сравнительного аннализа эффективности работы печи с оптимальными параметрами и дана оценка целесообразности разработанной методики, алгоритма оптимизации тепловой работы радиационных труб термической печи. Обоснована технико-экономическая и экологическая эффективность предложенных технических решений.
Проведенные исследования влияния основных факторов на величину оптимальной температуры подогрева воздуха в рекуператоре, показали tг следующее: с повышением температуры уходящих газов из радиационной трубы, tв.опт tст max tг tст Ст увеличиваются,,, (рис. 3, а); увеличение стоимости топлива, tв.опт tст max tст времени работы печи h приводит к повышению,, и к снижению tг Ср (рис. 3, б, в); повышение стоимости рекуператора и теплоты сгорания топлива tв.опт tст max tст tг Qнр вызывает снижение,, и повышение (рис. 3, г, д).
а б в г д tст max tв.опт tг tст tг Ст Ср Рис. 3. Зависимости,,, от,, h,, Qнр tв Исследование влияния температуры подогрева воздуха на тепловой tв режим и технико-экономическую работу печи показали, что с повышением снижаются расход топлива на нагрев металла Вр (рис. 4, а) и время нагрева металла в печи (рис. 4, б); увеличиваются поверхность нагрева рекуператора Нр (рис. 4, а), термический коэффициент полезного действия печи (рис. 4, б), max Qтр Qи Qк tф tст tст тепловые потоки,, (рис. 4, в), температура,, (рис. 4, г).
ст ст а б в г Qтр Qи Qк Рис. 4. Зависимости Вр, Нр,,,,,, ст ст max tст tст tв tф,, от температуры подогрева воздуха Для установления приемлемости разработанных методики, алгоритма и достоверности полученных зависимостей выполнен сравнительный анализ работы термической печи с радиационными трубами, установленной в термическом цехе ФГУП ОМО им. П. И. Баранова (г. Омск), с оптимальными параметрами и параметрами, отличающимися от оптимальных. Результаты анализа: КПД термической печи с оптимальными параметрами = 28,3 %, о tв.опт температура подогрева воздуха = 428 C, а в печи с существующими tв параметрами = 16,8 %, = 100 оC.
Оценка технико-экономической эффективности от внедрения предложенных разработок при модернизации указанной термической печи показала, что годовой чистый доход должен составить 162704,78 р.; срок окупаемости проекта один год.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен анализ состояния конструкции и эксплуатации термических печей с радиационными трубами. Дана оценка методам и техническим решениям по повышению эффективности работы термических печей.
Обоснована целесообразность постановки и решения задачи техникоэкономической оптимизации работы термических печей с радиационными трубами, как одного из наиболее эффективных путей повышения энергосбережения и улучшения показателей работы указанных печей.
2. Разработана эффективная математическая модель тепловой работы радиационной трубы термической печи для решения задачи оптимизации ее работы.
3. Разработана методика технико-экономической оптимизации рекуперации теплоты уходящих газов термических печей с радиационными трубами, учитывающая взаимосвязь теплотехнических, конструктивных, режимных параметров и экономических показателей их работы.
4. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для определения tв.опт оптимальной температуры подогрева воздуха, подаваемого для горения топлива в радиационных трубах термических печей. Они позволяют определять оптимальную температуру подогрева воздуха с учетом реального изменения условий эксплуатации термических печей в зависимости от конструкции печи, конструкции и стоимости рекуператора, времени их использования, стоимости и вида топлива.
5. На основе полученных разработок проведены исследования и определен характер влияния определяющих факторов на величину оптимальной температуры подогрева воздуха.
6. Результаты исследований подтверждают целесообразность применения предложенных разработок: повышается термический КПД печей и снижается удельный расход топлива на тепловую обработку изделий на 30 - 40 %, улучшаются показатели воздействия рассматриваемых печей на окружающую среду по сравнению с печами, работающими в настоящее время (количество оксидов азота, уменьшается в 1,2 раза, оксидов и диоксидов углерода - в 1,раза). Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения предложенных разработок в Западной Сибири должен составить 6,5 млн. р.
Результаты работы приняты в ФГУП ОМО им. П. И. Баранова (г. Омск) при разработке проекта реконструкции термической печи с радиационными трубами.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Повышение эффективности работы печных агрегатов / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Кузнечно-штамповочное производство.
Обработка металла давлением. 2009. № 5. С. 35 - 39.
2. Комплексная оптимизация работы и конструкции нагревательных печей / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Промышленная энергетика. 2010. № 1. С.42 - 47.
3. Р е з а н о в Е. М. Повышение эффективности работы термических печей / Е. М. Р е з а н о в // Омский научный вестник. 2010. № 3(93). С. 144 - 148.
4. Определение оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения топлива в печах с радиационными трубами / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Промышленная энергетика. 2011.
№ 2. С. 35 - 38.
5. Р е з а н о в Е. М. Определение оптимальной степени рекуперации тепла дымовых газов нагревательных устройств / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о нов, И. Л. Б ы с т р у ш к и н // Сб. матер. всерос. науч.-техн. конф. / ЮжноУральский гос. ун-т. Челябинск, 2007. С. 110 - 112.
6. Р е з а н о в Е. М. Улучшение экологического состояния окружающей среды при работе высокотемпературных теплотехнологических установок / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о н о в, И. Л. Ж у р а в л е в // Сб. матер. всерос.
науч.-техн. конф. / Южно-Уральский гос. ун-т. Челябинск, 2007. С. 112 - 114.
7. Р е з а н о в Е. М. Повышение тепловой эффективности и экономичности работы кузнечных нагревательных печей / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о н о в, И. Л. Ж у р а в л е в // Сб. матер. всерос. науч.-техн. конф. / ЮжноУральский гос. ун-т. Челябинск, 2007. С. 114 - 116.
8. Оптимизация использования низкопотенциальных тепловых отходов высокотемпературных теплотехнологических установок / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о н о в и др. // Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. С. 60 - 65.
9. Р е з а н о в Е. М. К вопросу повышения эффективности топливоиспользования при работе нагревательных печей кузнечных и термических цехов / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о н о в, Е. Н. Р ы ж к о в а // Сб. матер. всерос.
науч.-техн. конф. / Южно-Уральский гос. ун-т. Челябинск, 2008. С. 68 - 70.
10. Повышение эффективности работы термических агрегатов / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о н о в и др. // Сб. матер. всерос. науч.-техн.
конф. / Южно-Уральский гос. ун-т. Челябинск, 2009. С. 120 - 123.
11. Повышение энергосбережения при работе высокотемпературных теплотехнологических установок / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Сб. матер. II всерос. молодежной науч.-техн. конф. / Омский гос. техн. ун-т.
Омск, 2009. Кн. 3. С. 71 - 75.
12. Оптимизация параметров и конструкции тепловых ограждений высокотемпературных теплотехнологических установок / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Сб. матер. II всерос. молодежной науч.-техн. конф. / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2009. Кн. 3. С. 75 - 78.
13. Повышение эффективности топливоиспользования при работе нагревательных печей термических цехов / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о н о в и др. // Сб. тр. XI всерос. студенческого науч.-техн. семинара / Томский политехн. ун-т. Томск, 2009. Т. 2. С.182 - 186.
14. Повышение эффективности работы теплотехнологических установок и систем на предприятиях железнодорожного транспорта / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Сб. тр. всерос. науч.-практ. конф. / Ростовский гос. ун-т.
путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2009. Ч. 3. С. 324 - 326.
15. П а р а м о н о в А. М. Повышение эффективности энергосбережения при работе нагревательных печей / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в, А. В. К у ш н а р е н к о // Известия Транссиба. 2010. № 4. С. 68 - 75.
16. К вопросу повышения энерготехнологической эффективности кузнечного производства / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Матер.
науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010.
С. 129 - 134.
17. П а р а м о н о в А. М. Повышение эффективности сжигания топлива в печных агрегатах с радиационными трубами / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в // Матер. междунар. науч.-практ. конф. / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2010. С. 139 - 142.
18. Повышение эффективности топливоиспользования при эксплуатации теплотехнологических установок предприятий железнодорожного транспорта / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Матер. междунар. науч.-практ.
конф. / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2010. С. 55 - 63.
19. К вопросу повышения эффективности работы печных агрегатов с радиационными трубами / Е. М. Р е з а н о в, А. М. П а р а м о н о в и др. // Матер.
всерос. науч.-техн. конф. / Южно-Уральский гос. ун-т. Челябинск, 2010.
С. 62 - 65.
20. К вопросу оптимизации параметров теплового режима и конструкции нагревательных печей / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Сб. науч.
статей с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010.
Часть 3. С. 48 - 53.
21. Комплексный подход к решению проблемы энергосбережения при проектировании и реконструкции действующих нагревательных установок / А. М. П а р а м о н о в, Е. М. Р е з а н о в и др. // Матер. науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. С. 44 - 48.
___________________________________________________________ Типография ОмГУПСа. 2012. Тираж 100 экз.
644046, г. Омск, пр. Маркса,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям