Теплофизические основы разработки энергоэффективных стекловаренных печей

• Автор: Дзюзер, Владимир Яковлевич
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 352 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧАХ.

1.1. Технологические аспекты промышленного стекловарения

1.2. Теплофизические процессы в стекловарении

1.2.1. Процессы в зоне варки

1.2.2. Процессы в зоне осветления.

1.3. Организация факела и теплообмена в рабочем пространстве печей.

1.4. Способы интенсификации тепловой работы стекловаренных печей.

1.5. Методы расчетнотеоретического анализа тепломассопереноса

в пламенных плавильных печах

1.5.1. Классификация методов расчета

1.5.2. Зональные методы расчта.
1.5.3. Зональноузловой метод расчта.
1.5.4. Метод дискретизации интенсивности
1.6. Математическое моделирование теплообмена в стекловаренных печах
1.7. Выводы
1.8. Цель и задачи работы
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ
2.1. Концепция построения и требования, предъявляемые к математической модели.
2.2. Математическая формализация тепловой работы печи
2.2.1. Уравнения баланса массы, импульса и энергии
2.2.2. Уравнение баланса энтропии и феноменологические законы.
2.2.3. Обобщенные уравнения теплообмена и гидродинамики.
2.3. Численная модель внешней задачи тепломассопереноса
2.4. Инженерная модель процесса горения топлива
2.5. Модель турбулентности.
2.6. Выводы.
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ.
3.1. Математическая формализация внутреннего тепломассопереноса
3.2. Численная модель внутреннего тепломассопереноса
3.3. Г раничные условия задачи гидродинамики
3.3.1 Геометрия области движения стекломассы.
3.3.2 Формализация поступления первичного расплава в ванну.
3.4. Аппроксимация температурной зависимости свойств стекла.
3.5. Выводы.
4. МЕТОДОЛОГИЯ АДАПТАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ.
4.1. Требования, предъявляемые к адаптации математической модели
4.2. Алгоритм расчета и информационная база модели
4.3. Аппроксимация зональных данных непрерывными функциями
4.4. Методика обработки и визуализации результатов моделирования
4.5. Характеристика промышленного прототипа и параметры оценки адекватности модели
4.6. Адаптация сопряженной модели и оценка ее адекватности
4.7. Выводы.
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ В ПЕЧИ
С ПОДКОВООБРАЗНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ПЛАМЕНИ.
5.1. Влияние длины факела на внешний теплообмен.
5.2. Закономерности свободной и вынужденной конвекции стекломассы в варочном бассейне печи
5.3. Влияние граничных условий свободной и вынужденной конвекции
на закономерности внутреннего тепломассопереноса.
5.4 Формирование рациональной структуры конвекционных потоков
5.5. Выводы.
6. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВАРОЧНОГО БАССЕЙНА ПЕЧИ НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА
6.1. Параметры оценки эффективности внутреннего тепломассопереноса.
6.2. Влияние переливного порога на закономерности гидродинамики и внутреннего теплообмена.
6.3. Влияние профиля варочного бассейна на закономерности гидродинамики и внутреннего теплообмена.
6.4. Выводы.
7. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СТЕКЛОВАРЕННЫХ ГШЧЕЙ.
7.1. Методология проектирования стекловаренных печей
7.2. Совершенствование методики расчета теплового баланса стекловаренных печей
7.3. Методика конструирование варочного бассейна печи
7.4. Методика конструирования энергосберегающих печных ограждений
7.4.1. Рабочее пространство печи
7.4.2. Варочный бассейн печи
7.5. Применение теплофизических основ энергоэффективной варки
в проекте реконструкции стекловаренной печи.
7.6. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Акт внедрения результатов работы на ЗАО ОреховоЗуевская
стекольная компания
Приложение 2. Акт внедрения результатов работы на ГП I
I I II Республика Молдова
Приложение 3. Заключение Национального Объединенного Совета предприятий стекольной промышленности СтсклоСоюз
ВВЕДЕНИЕ


Условиям работы высокотемпературных печей в наибольшей степени соответствует режим прямого направленного радиационного теплообмена, достигаемый при настильном движении продуктов сгорания относительно поверхности ванны. Причем, чем меньше степень черноты пламени и выше температура поверхности па1рева, тем больше влияние положения факела на теплоотдачу к расплаву 8, . Анализ указанных работ позволяет предположить, что влияние конструкции горелки на аэродинамику рабочего пространства проявляется через угол атаки факела угол наклона оси свободной топливовоздушной струи к поверхности ванны. Особый интерес для проектирования печей представляет определение оптимального угла атаки факела, при котором достигается наибольшая настильность продуктов сгорания, характеризуемая максимальной скоростью движения газов вблизи поверхности ванны. Экспериментальные исследования изотермической сгруи , показали, что увеличение угла атаки приводит к деформации поля скоростей в ее поперечных сечениях. Максимальная скорость воздуха после места контакта с ограничивающей плоскостью наблюдается вблизи поверхности ванны, а дальнобойность струи уменьшается с увеличением угла атаки. По данным работы , отмеченные выше закономерности справедливы и для факела мартеновской печи. Для изотермических условий максимальное значение среднего скоростного напора вблизи поверхности ванны соответствует углу атаки , а для горящей струи топлива . Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что изменение угла атаки от 6,5 до приводит к монотонному возрастанию средней теплоотдачи от факела. Изучение процесса варки стекла в опытной печи, выполненное Д. Б. Гинзбургом , показало, что направление факела под углом к ванне в 2 3 раза ускоряет плавление шихты, по сравнению с параллельным истечением. В этой связи представляется неправомерным утверждение о целесообразности параллельного или с небольшим углом атаки не более 4 истечения факела . Также вызывает сомнение способ отопления с перпендикулярной направленностью факела к ванне . Из работы следует, что на закономерности движения полуограниченных струй влияет стесненная обстановка рабочего пространства печи. Этот вывод косвенно подтверждается данными работы , из которых следует, что для струи, развитие которой не ограничено боковыми стенками, оптимальный угол атаки факела может находиться в пределах . Развитие пламени в мартеновской печи ограничено боковыми стенками ее рабочего пространства, поэтому угол атаки факела не должен превышать , . Схожие условия движения продуктов сгорания наблюдаются и в стекловаренных печах с подковообразным пламенем. Установление оптимальной направленности факела и разработка метода ее расчета представляет несомненный интерес не только для задания граничных условий моделирования, но и для проектирования печей. Длина факела. В прикладных расчетах под длиной факела понимается протяженность конту ра горения топлива, в конце которого на его оси химический недожог составляет 0,О 6. Постановка задачи об оптимальной длине факела предполагает формулировку условий оптимальности. Д.Б. Гинзбург 9 для оценки эффективности пламенного отопления стекловаренной печи использовал расчетный к. В мартеновских иечах оптимальную длину факела определяют по максимуму интегрального теплопоглощения ванной , , . При этом условии факел оптимальной длины должен покрывать своей светящейся частью около Уз длины ванны. Было установлено, что наибольшая равномерность нагрева поверхности ванны достигается при светящемся факеле средней и большой длины, а при несветящемся малой и средней длины. Эти выводы подтверждаются результатами исследования теплообмена при отоплении стекловаренных печей длинным и коротким мазутным факелом, а также длинным светящимся и коротким несветящимся факелом природного газа . Для стекловаренных печей с поперечной схемой отопления, требования к оптимальной длине факела были сформулированы в виде двух основных условий. Первое из них, заключается в достижении максимальной теплоотдачи от факела к поверхности ванны.