Теплообмен в электродуговых сталеплавильных и факельных нагревательных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Макаров Анатолий Николаевич
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 452
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-9729-0977-3
Артикул: 815623.01.99
Изложено научное обоснование открытых законов теплового излучения газовых объемов, приведены примеры их практического использования для расчета теплообмена в электродуговых сталеплавильных и факельных печах, топках, камерах сгорания. Даны рассчитанные на основе научного открытия энергоресурсосберегающие режимы работы печей, топок, камер сгорания. Описаны конструкции инновационных печей, топок, камер сгорания, защищенных патентами на изобретения. Для персонала металлургических и энергетических компаний, занимающихся организацией эффективной энергоресурсосберегающей работы электродуговых сталеплавильных и факельных нагревательных печей. Может быть полезно конструкторам газотурбинных двигателей самолетов, жидкостных реактивных двигателей, камер сгорания газотурбинных установок, а также преподавателям и студентам университетов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 13.04.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- 13.04.02: Электроэнергетика и электротехника
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ǮǻǺȎȘȎȞȜȐ ȀdzǽǹǼǼǯǺdzǻǰȋǹdzǸȀǾǼDzȁDZǼǰȉȃ ǿȀǮǹdzǽǹǮǰǶǹȊǻȉȃǶȂǮǸdzǹȊǻȉȃ ǻǮDZǾdzǰǮȀdzǹȊǻȉȃǽdzȅǮȃ ȀǼǽǸǮȃǽǮǾǼǰȉȃǸǼȀǹǼǰ ǸǮǺdzǾǮȃǿDZǼǾǮǻǶȍDZǮǵǼȀȁǾǯǶǻǻȉȃ ȁǿȀǮǻǼǰǼǸ ǺȜțȜȑȞȎȢȖȭ ǺȜȟȘȐȎ ǰȜșȜȑȒȎ ©ǶțȢȞȎ-ǶțȔȓțȓȞȖȭª 2022
УДК 621.18 ББК 31.31 М15 Р е ц е н з е н т ы : доктор технических наук, профессор, Президент ОАО «ВТИ», член-корреспондент РАН Г. Г. Ольховский; кандидат технических наук, доцент, научный руководитель ГК «ОРИЕН ТЕХНОЛОДЖИ», лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники Г. А. Дорофеев Макаров, А. Н. М15 Теплообмен в электродуговых сталеплавильных и факельных нагревательных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок : монография / А. Н. Макаров. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 452 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0977-3 Изложено научное обоснование открытых законов теплового излучения газовых объемов, приведены примеры их практического использования для расчета теплообмена в электродуговых сталеплавильных и факельных печах, топках, камерах сгорания. Даны рассчитанные на основе научного открытия энергоресурсосберегающие режимы работы печей, топок, камер сгорания. Описаны конструкции инновационных печей, топок, камер сгорания, защищенных патентами на изобретения. Для персонала металлургических и энергетических компаний, занимающихся организацией эффективной энергоресурсосберегающей работы электродуговых сталеплавильных и факельных нагревательных печей. Может быть полезно конструкторам газотурбинных двигателей самолетов, жидкостных реактивных двигателей, камер сгорания газотурбинных установок, а также преподавателям и студентам университетов. УДК 621.18 ББК 31.31 ISBN 978-5-9729-0977-3 Макаров А. Н., 2022 Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 2
ǼDZǹǮǰǹdzǻǶdz Предисловие.................................................................................................................................. 5 Введение ........................................................................................................................................ 7 Глава первая Основы теории теплообмена излучением в печах, топках и камерах сгорания ........... 13 1.1. Потоки теплового излучения поверхностей и газовых объемов ................................. 13 1.2. Законы теплового излучения твердых тел и газовых объемов ................................... 26 1.3. Угловые коэффициенты излучения поверхностей и газовых объемов ...................... 36 1.4. Методы расчета теплообмена в печах, топках, камерах сгорания в XX–XXI веках ............................................................................................................... 45 1.5. Кризис методов XX века расчета теплообмена в печах, топках, камерах сгорания и его преодоление в XXI веке с открытием законов теплового излучения газовых объемов .......................................................................... 58 1.6. Законы теплового излучения, фундаментальные законы физики и развитие современной цивилизации .............................................................................................. 69 Глава вторая Геометрическая, физическая и математическая модели электрической дуги и факела как источников теплового излучения в печах, топках, камерах сгорания ....................................................................................................................... 84 2.1. Электрическая дуга в газе и парах металлов................................................................. 84 2.2. Электрическая дуга в дуговых сталеплавильных печах .............................................. 92 2.3. Геометрическая, физическая и математическая модель электрической дуги как источника теплового излучения ............................................................................ 105 2.4. Характеристики топлива, процесса горения, факела и теплообмена в печах, топках, камерах сгорания .............................................................................................. 123 2.5. Факел и его геометрическая модель как источника теплового излучения в печах, топках, камерах сгорания ............................................................................... 133 Глава третья Законы теплового излучения газовых объемов и аналитическая модель факела и электрической дуги в печах, топках, камерах сгорания .............................................. 139 3.1. Законы теплового излучения цилиндрических газовых объемов ............................. 139 3.2. Пример расчетов по законам теплового излучения цилиндрических газовых объемов ............................................................................................................. 147 3.3. Законы теплового излучения сферических газовых объемов ................................... 154 3.4. Разработанная на основе научного открытия методика расчета теплообмена в электродуговых и факельных печах, топках, камерах сгорания ............................ 164 3.5. Определение угловых коэффициентов излучения цилиндрического источника на параллельные и перпендикулярные плоскости ..................................................... 170 3.6. Определение угловых коэффициентов излучения цилиндрического источника на наклонные плоскости ............................................................................................... 175 3.7. Определение угловых коэффициентов излучения цилиндрического источника, произвольно расположенного в пространстве, на плоскости ................................... 184 3
Глава четвертая Теплообмен в факельных нагревательных печах............................................................. 198 4.1. Расчеты теплообмена в факельных печах по законам теплового излучения газовых объемов ............................................................................................................. 198 4.2. Теплообмен в рекуперативном нагревательном колодце .......................................... 206 4.3. Влияние длины факела на распределение тепловых потоков по горизонтальной поверхности нагрева и по поверхности амбразуры .................................................... 220 4.4. Теплообмен в регенеративном нагревательном колодце ........................................... 227 4.5. Теплообмен в рекуперативном нагревательном колодце с отоплением из центра подины ........................................................................................................... 242 Глава пятая Теплообмен в топках паровых котлов ................................................................................ 254 5.1. Модель факела и расчеты теплообмена в топках в XIX–XX веках .......................... 254 5.2. Расчеты теплообмена в топках по законам теплового излучения газовых объемов ............................................................................................................. 259 5.3. Расчет теплообмена в топке котла ТГМП-314 при подовом и встречном расположении горелок .................................................................................................. 268 5.4. Теплообмен в топке парового котла ТГМП-204 ......................................................... 277 5.5. Теплообмен в топке парового котла ТГМП-314 ......................................................... 288 Глава шестая Основы теплообмена в камерах сгорания газотурбинных установок .......................... 302 6.1. Краткая характеристика камер сгорания ..................................................................... 302 6.2. Методика расчета теплообмена в камерах сгорания по законам теплового излучения газовых объемов .......................................................................................... 307 6.3. Теплообмен в камере сгорания стационарной газотурбинной установки ............... 312 Глава седьмая Расчет КПД дуг и его взаимосвязь с электропотреблением в дуговых сталеплавильных печах ......................................................................................................... 326 7.1. Методика расчета теплообмена и КПД дуг в ДСП .................................................... 326 7.2. Расчет и анализ КПД дуг и потребления электроэнергии в печах обычной конструкции и Consteel ................................................................................................. 340 7.3. Расчет и анализ КПД дуг и потребления электроэнергии в печах малой и большой вместимости ................................................................................................ 358 Глава восьмая Расчеты теплообмена в дуговых сталеплавильных печах .............................................. 382 8.1. Результаты исследования влияния расстояния от дуг до стен и высоты слоя шлака на КПД дуг и теплообмен в электропечах .............................................. 382 8.2. Расчеты теплообмена в дуговых сталеплавильных печах ДСП-100 и ДСП-6 ......... 397 8.3. Влияние задымленности атмосферы, длины дуг на теплообмен в дуговых сталеплавильных печах ................................................................................................. 415 Заключение ............................................................................................................................... 433 Список литературы ................................................................................................................. 436 4
ǽǾdzDzǶǿǹǼǰǶdz Современная наука не догма, и некоторые ее основы могут пересматриваться. Известно, что ни одна научная теория не претендует на абсолютную истину, она лишь с большей или меньшей степенью точности описывает определенное физическое явление. Впоследствии, когда представления о физическом явлении расширяются, конкретная теория может быть уточнена или может превратиться в один из частных случаев новой теории. Так, например, классическая механика Ньютона на определенном этапе развития науки стала составной частью современной механики, в которую входят классическая и квантовая механика. Аналогичные процессы происходят и в теории теплообмена излучением: появляются новые факты из практики эксплуатации электродуговых и факельных печей, топок, камер сгорания и новые законы, более точные методики расчета, которые заставляют ученых, исследователей пересмотреть отношение к существующим методикам расчета теплообмена в печах, топках, камерах сгорания. На протяжении всего 20-го столетия расчет теплообмена в факельных нагревательных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок, теплообмена факела с поверхностями нагрева вели на основании закона Стефана í Больцмана, сформулированного Стефаном в 1879 году по результатам исследования излучения твердых тел и теоретически обоснованного Больцманом в 1884 году также для расчета излучения твердых тел. Факел представляет собой газообразное объемное тело, в котором происходит реакция горения и теплообмен которого с поверхностями нагрева не подчиняется закону Стефана – Больцмана, что было доказано автором в конце 20-го столетия. Анализ столетнего опыта эксплуатации, расчета, конструирования, теоретических и экспериментальных исследований показал несоответствие теории теплообмена практике эксплуатации. Теория теплообмена излучением в факельных печах, топках, камерах сгорания, основанная на законе Стефана í Больцмана, оказалась приближенной и требовала корректирования, совершенствования. Она не удовлетворяет требованиям современной практики эксплуатации факельных печей, топок, камер сгорания, не отражает реальной картины распределения тепловых потоков по поверхностям нагрева, не отвечает современным требованиям расчета и выбора рациональных тепловых режимов печей, топок, камер сгорания, обеспечивающих экономию топливно-энергетических ресурсов. Применение приближенной теории теплообмена не позволяло получить полный достоверный результат о процессах теплообмена в печах, топках, камерах сгорания. Моделирование факела твердыми телами, прямоугольными параллелепипедами или излучающими площадками и определение результирующих потоков излучений на поверхности нагрева в зависимости от разности 5
четвертых степеней температур прямоугольных параллелепипедов, площадок, которыми моделируются факел и поверхности нагрева, приводило к грубым приближенным результатам расчета, так как не учитывались газовая структура, геометрические размеры, форма, положение факела и поверхностей нагрева и использовался закон Стефана í Больцмана, созданный для расчета теплообмена излучением между твердыми поверхностями. Такие допущения приемлемы для приближенных расчетов и при отсутствии более точной методики расчета теплообмена излучением в факельных печах, топках, камерах сгорания. В 1970í2000-е годы были разработаны сотни сложных программ, в которых для определения потоков излучения факела на поверхности нагрева используется разность четвертых степеней температур газового объема и поверхности, дающих, как показали исследования, недостоверный результат. В конце XX í начале XXI века разработана теория теплообмена в факельных печах, топках, камерах сгорания (к расчетам автор привлекал учеников, аспирантов), основанная на реальной газовой структуре, геометрической форме, размерах, положении факела, на открытых законах теплового излучения газовых объемов и использовании этих законов для моделирования факела, а также на отказе от применения закона Стефана í Больцмана для определения результирующих потоков излучения факела на поверхности нагрева. Теория теплообмена излучением в электродуговых и факельных печах, топках, камерах сгорания, опыт их эксплуатации доказали, что поток излучения факела на поверхности нагрева зависит не от разности четвертых степеней температур дуги, факела и поверхности, а от мощности, размеров, пространственного положения дуги, факела в камерах печей, топок, сгорания. На основе научного открытия разработаны прикладные математические модели дуги и факела и методики расчета теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания. Как показывают результаты расчетов и измерений теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания, новая теория и основанные на ней методики расчета позволяют получать достоверный результат процессов теплообмена, происходящих в установках, совершенствовать теплообмен, создавать новые печи, топки, камеры сгорания. Исследователи процессов теплообмена, освоившие новую теорию теплообмена излучением, получают инструмент для анализа теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания и создания новых конструкций установок, горелок, способов нагрева. Изложение материала в монографии об аналитическом моделировании процессов теплообмена в печах, топках, камерах сгорания осуществлено по принципу перехода от простого к сложному, от простых моделей изотермического факела к сложным моделям факела, создаваемого несколькими горелками. 6
ǰǰdzDzdzǻǶdz Вместимость дуговых сталеплавильных печей увеличилась с 1,5–3 т в 1910 г. до 100–150 т в 1979 г., удельная мощность возросла с 220 до 800 кВА/т стали. Увеличение удельной мощности вызвало в конце 1970-х годов интенсивное оплавление огнеупоров, резкое уменьшение срока службы футеровки, увеличение простоев печей, связанное с заменой футеровки стен, сводов. В это время ученые, исследователи, в том числе автор учебника (тогда аспирант Московского энергетического института) и руководитель на- учной работы, крупный ученый, создатель первой в России кафедры элект- ротермических установок и автор первого учебника по электротермичес- ким установкам, изданного в 1948 г., доктор технических наук профессор А. Д. Свенчанский обратили внимание на неизученность явлений, отсутствие методик расчета теплообмена в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). Проведенный в те годы автором анализ истории развития ДСП показал опережающее развитие электротехнического и отставание теплотехнического обеспечения электродуговых печей, как материального, так и теоретического. Исследование и разработка методов расчета электрических режимов ДСП начались в 1910–20-х годах, исследование тепловых режимов – на 30–40 лет позже. Такая диспропорция вызвана тем, что датчики и приборы контроля электрических параметров работают в благоприятных условиях, имеют значительный срок службы, дают непрерывную информацию, что позволило создать многолетнюю базу для совершенствования практического и теоретического обеспечения электротехнической части дуговых печей, а датчики контроля тепловых параметров работают в условиях высоких температур в парах металлов, срок их службы чрезвычайно мал, информацию передают эпизодически, поэтому за многолетний опыт эксплуатации электродуговых печей была собрана весьма скудная, зачастую локальная информация о тепловых параметрах в рабочем пространстве электродуговых печей. Сложность экспериментального познания процессов электротеплового преобразования и распределения энергии, процессов теплообмена в электродуговых печах приводила к сдерживанию дальнейшего прогресса электропечестроения для плавки стали. В конце 1970-х годов остро стояла проблема получения не только количественных данных по теплообмену в ДСП, но и качественной картины теплообмена. Не имело научного объяснения, было непонятно происхождение и протекание в электродуговых печах ряда физических явлений: образование «горячих пятен» на футеровке стен; максимальный износ сводов в центральной части, где футеровка экранирована электродами от излучения дуг; неравномерность температур по периметру, неравномерное расплавление шихты на откосах; обвалы шихты в печах с короткими дугами и вызванные ими колебания напряжения сети, сказывающиеся на питании 7
других электроприемников; отсутствие обвалов, стабильный электрический режим в печах с длинными дугами и другие явления. Не зная причин возникновения явления, нельзя на него воздействовать, управлять физическим явлением, устранять его отрицательное влияние. Электрическая дуга в ДСП представляла «черный ящик», неисследованный объект. В 1978 г. автор выдвинул научную гипотезу о возможности моделирования электрических дуг, горящих в парах металлов, цилиндрическими источниками теплового излучения. В 1978–1982 гг. автором были получены аналитические выражения, формулы, связывающие электрические, геометрические и тепловые параметры электрических дуг и поверхностей нагрева, разработана методика расчета теплообмена излучением в дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока, позволившая объяснить ряд физических явлений, происходящих в рабочем пространстве ДСП трехфазного тока. В последующие 1982–1992 гг. автором были получены аналитические выражения, формулы для расчета теплообмена излучением в печах с длинными дугами, дуговых сталеплавильных печах постоянного тока, плазменно-дуговых сталеплавильных печах. Результаты работ были опубликованы в монографиях, учебных пособиях, статьях в центральных журналах и обобщены в докторской диссертации «Теория теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали», направленной на научное объяснение физических явлений, происходящих в рабочем пространстве печей, создание более совершенных дуговых сталеплавильных печей, оптимизацию энергетических режимов работы действующих печей. Учебные пособия, монографии используются в учебном процессе в МЭИ, МИСИС, МВМИ, СПбГЭТУ, ГМАУ, в университетах Новосибирска, Саратова, Чебоксар, Мариуполя и других университетах России и ближнего зарубежья, а также при проектировании дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов вместимостью от 6 до 150 тонн в ОАО СКБ Сибэлектротерм. В XX–XXI веках широкое распространение получило факельное сжигание в нагревательных печах, топках паровых котлов электростанций, камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) электростанций газообразного, жидкого, пылевидного топлива. Для факельного сжигания топлива характерны объемное излучение, трехмерная газовая модель излучения. В факеле, электрической дуге излучают квадриллионы атомов, излучение каждого атома на расчетную площадку необходимо учесть, что является сверхсложной, нерешенной в XX веке задачей. Для расчета теплового излучения газового объема факела на расчетную площадку в печах, топках, камерах сгорания необходимо решить трехкратные интегральные уравнения теплообмена излучением [7, 26]. Решения трехкратных интегральных уравнений для определения потоков теплового излучения, угловых коэффициентов излучения газового объема факела на расчетную площадку, средней длины пути лучей от излучающих атомов до площадки в XX веке не было найдено. Считается, что проблема расчета теплообмена в факельных печах, топках, камерах сгорания была устранена с появлением компьютеров и началом использования численного метода расчета интегральных уравнений теплообмена. 8
В численном методе поверхности и объемы в камерах, печах, топках разбиваются на несколько миллионов поверхностных и объемных зон в виде прямоугольных параллепипедов с определенными заданными температурами и оптическими константами. Для поверхностных и объемных зон методом дискретной аппроксимации интегральных уравнений радиационного теплообмена рассчитываются на компьютере потоки теплового излучения и температуры зон. В существующем численном методе расчета используется целый массив (свыше одного миллиона) приближенных значений температур поверхностных и объемных зон, а интегральные уравнения теплообмена основаны не на законе теплового излучения твердых тел Стефана – Больцмана. Относительно роли математики в технических задачах В. А. Веников заметил, что «наряду с работами и вычислениями, в которых инженера призывают к переходу ко все более сложным и громоздким вычислениям, учитывающим максимально возможное число влияющих факторов, независимо от их практической роли в изучаемом явлении (это якобы повышает строгость подхода), в научной литературе появляются и работы другого характера. Среди них можно упомянуть статьи, где подчеркивается, что излишняя вера в сложные математические формулировки и описания приводит к тому, что любая нелепость, облаченная в этот математически импозантный мундир, выглядит очень научно. Математическими соотношениями, в частности дифференциальными уравнениями, можно описать все что угодно, если только принять определенные постулаты. Можно при этом получить соответствующие расчетам математически абсолютно строгие результаты, не имеющие в то же время никакого смысла для инженера». В настоящее время создано много программ расчета на ЭВМ теплообмена в печах, топках, камерах сгорания, правильность расчета по которым проверить практически невозможно ввиду их закрытости. Большое количество частных результатов приводит к информационному голоду в различных областях знаний. Компьютер – великое изобретение человечества – при неумелом пользовании им может способствовать информационному голоду. «Увеличение производительности и оперативной памяти современных персональных компьютеров привело к резкому расширению круга теплотехнических задач, успешно решаемых методом математического моделирования, и в результате к формированию мнения в том, что компьютерное моделирование является универсальным средством для решения всех проблем. К счастью, это заблуждение постепенно проходит и возникает понимание того, что математическое моделирование не панацея, а рабочий инструмент для решения конкретных практических задач» [236]. Компьютер, оперируя огромным количеством данных, может создать иллюзию всеохватности изучаемого явления. В действительности, компьютер способствует размножению деталей и частностей рассматриваемого явления, придавая важную роль частным случаям. Компьютерную часть расчетов невозможно проверить вручную, существующий метод дискретной аппроксимации интегральных уравнений настолько трудоемкий и сложный, что его 9
целиком трудно проверить. Расчеты, не поддающиеся проверке, вызывают сомнение, согласиться с ними означает просто поверить авторам. Один из основоположников синергетики (науки о совместном, согласованном поведении многих элементов как единого целого в составе сложной системы) известный физик Герман Хакен говорит: «Информацию, перегруженную огромным количеством деталей, затемняющих существо дела, необходимо сжать, превратив в небольшое число законов, концепций и идей». В существующих методах расчета – зональном, численном, а также Pl-аппроксимации Монте-Карло, Шварцшильда – Шустера, Эдингтона, Чандрасекара, сферических гармоник – используется закон теплового излучения абсолютно черного тела Стефана – Больцмана [8]. Ни один из существующих в России и промышленно развитых странах методов расчета теплового излучения факела и распределения его излучения по поверхности нагрева (зональный, численный, Pl-аппроксимации МонтеКарло, Шварцшильда – Шустера, Эддингтона, Чандрасекара, сферических гармоник) не позволяет получить полную картину теплообмена в факельных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок. В основе вышеизложенных методов лежит закон Стефана – Больцмана. В имеющихся к настоящему времени статьях, монографиях, учебниках российских и зарубежных ученых нет полной картины теплообмена в электродуговых и факельных печах, топках, камерах сгорания, отсутствуют результаты расчета распределения потоков излучения по высоте и периметру топок, по оси симметрии и на периферии, по горелочному устройству, не дано объяснений неравномерности парообразований и отложений в трубах, отсутствует расчет распределения тепловых потоков по всем граням и высоте нагреваемых изделий в печах, кривые, характеризующие распределение потоков излучения факела по пламенной трубе и горелочному устройству камер сгорания. Для получения данных о теплообмене ученые, инженеры проводили многолетние дорогостоящие трудоемкие экспериментальные исследования теплообмена на действующих факельных печах, топках, камерах сгорания, которые компенсировали отсутствие данных. Таким образом, на протяжении ХХ в. факел представлял собой «черный ящик». Решение проблемы зашло в тупик. В 1996–2001 годах автором открыты законы теплового излучения газовых объемов факелов, законы излучения изотермических изохорных коаксиальных цилиндрических и концентричных сферических газовых объемов [8]. С целью соблюдения многовековых научных традиций и авторского права законы теплового излучения газовых объемов факелов в дипломе на научное открытие, статьях, учебнике [8], аналогично законам теплового излучения абсолютно черного тела (АЧТ), законам Стефана – Больцмана, Планка, Вина, Эйнштейна, постулатам Бора названы фамилией автора, их открывшего, законами Макарова. На основе научного открытия разработаны новые методики расчета теплообмена в факельных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ), газотурбинных двигателей (ГТД) [8]. 10