Повышение энергоэффективности технологии нагрева материалов в металлургических печах для производства вакуумированных труб, работающих в условиях вечной мерзлоты : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.02

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 5 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………………………………………………… 12 1.1. Процессы конвективного теплообмена в нагревательных печах при движении газовой среды и методы расчета струйных течений в ограниченном объеме…………………………………………………………… 12 1.2. Теплообмен в камерных печах с изменяющейся рабочей температурой 19 1.3. Способы нагрева и охлаждения металла в нагревательных и термических печах с циркуляцией потоков газовой среды………………….. 21 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ КОНВЕКТИВНОГО ТИПА РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДВУХСЛОЙНЫХ ВАКУУМИРОВАННЫХ ЛИФТОВЫХ ТРУБ………………………………… 29 2.1. Требования на разработку конструкции печи……………………………. 29 2.2. Методика расчета нагрева и расчетный анализ работы конвективной
печи – прототипа………………………………………………………………… 34 2.3. Исследование влияния изменения конструктивных и режимных параметров печи-прототипа на ее технические показатели………………… 39 2.4. Разработка и исследование конвективной печи усовершенствованной конструкции……………………………………………………………………… 44 3. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ЦИРКУЛЯЦИОННОМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕ ДЛЯ КОНВЕКТИВНОЙ ПЕЧИ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ………………………………………………………………… 49 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВАЛА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
ДЛЯ КОНВЕКТИВНЫХ ПЕЧЕЙ С ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ… 53 4.1. Экспериментальная установка……………………………………………… 54 4.1.1. Описание экспериментальной установки……………………………….. 54
3
4.1.2. Методика проведения исследований……………………………………. 56
4.1.3. Методика обработки результатов исследований……………………….. 61 4.2. Результаты экспериментальных исследований теплообмена в устройствах воздушного охлаждения вала печных вентиляторов различных конструкций……………………………………………………………………… 65 4.2.1. Результаты экспериментальных исследований конвективного теплообмена вращающегося вала с окружающей средой необорудованного устройством воздушного охлаждения ………………………………………… 65 4.2.2. Результаты экспериментальных исследований конвективного теплообмена в устройствах воздушного охлаждения вала однодискового типа………………………………………………………………………………… 69 4.2.3. Результаты экспериментальных исследований конвективного теплообмена в устройствах воздушного охлаждения вала стержневого типа 74 4.2.4. Результаты экспериментальных исследований конвективного теплообмена в устройствах воздушного охлаждения вала многодискового типа……………………………………………………………………………….. 80 4.2.5. Сравнительный анализ тепловой эффективности устройств воздушного охлаждения различных типов, изготовленных из различных материалов………………………………………………………………………… 87 5. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ВЕНТИЛЯТОРОВ ДЛЯ ПЕЧЕЙ С ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ….. 95 5.1. Методика расчета теплового режима ходовой части печных вентиляторов, снабженных устройствами воздушного охлаждения вращающегося вала………………………………………………………………. 95 5.2. Исследование тепловых режимов ходовой части работы печного вентилятора существующей конструкции без применения устройств охлаждения вала применительно к печам с циркуляцией газовой среды…… 100 5.3. Исследование тепловых режимов работы печных вентиляторов, оснащенных устройствами охлаждения вала однодискового типа………….. 108

4
5.4. Исследование тепловых режимов работы печных вентиляторов,
оснащенных устройствами охлаждения вала стержневого типа…………….. 111 5.5. Исследование тепловых режимов работы печных вентиляторов, оснащенных устройствами многодискового типа…………………………….. 114 5.6. Сравнительный анализ и выбор оптимальных тепловых режимов работы печных вентиляторов, оснащенных устройствами охлаждения вала различных типов…………………………………………………………………. 117 6. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И ВЕНТИЛЯТОРОВ В КОНВЕКТИВНЫХ ПЕЧАХ С ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ……………………………… 129 6.1. Результаты промышленных исследований работы печи теплового обезжиривания на основе новых электронагревателей и высокотемпературных вентиляторов конструкции ВНИИМТ……………….. 129 6.2. Разработка типового ряда новых конструкций устройств воздушного охлаждения валов вентиляторов печей для нагрева и термообработки алюминиевых заготовок…………………………………………………………. 137 6.3. Разработка и внедрение новой конструкции выносного вентилятора термической камерной печи с выкатным подом для термообработки сварных металлоконструкций…………………………………………………… 141 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….. 148 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ………………. 151 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….. 153 ПРИЛОЖЕНИЕ–Акты о внедрении результатов диссертационной работы… 161

В предложенной диссертационной работе представлены материалы
расчетных и экспериментальных исследований тепловой работы
металлургических печей с циркуляцией газовой среды высокотемпературными
вентиляторами.
Рассмотрена конструкция и тепловая работа конвективной печи для
термообработки материала, используемого в производстве двухслойных
теплоизолированных труб.
Основной целью диссертационной работы является исследование и
разработка усовершенствованной конструкции конвективной печи,
обеспечивающей повышение надежности, производительности и качества
нагреваемого материала при одновременном снижении энергозатрат на основе
использования новых электронагревателей и высокотемпературных вентиляторов.
Для решения поставленных задач использовались расчетные и
экспериментальные исследования тепловых режимов существующих и
усовершенствованных высокотемпературных вентиляторов с циркуляцией
газовой среды.
Интенсификация теплообмена в рабочем пространстве существующих
конвективных муфельных печей с целью повышения производительности и
качества нагрева материала является одной из сложных задач металлургической
теплотехники.
В данной работе показано, что снижение энергозатрат и повышение
качества обрабатываемого материала достигается в результате использования
новых электронагревателей с улучшенными теплообменными характеристиками.
Надежность работы печного агрегата обеспечивается за счет использования
высокотемпературных вентиляторов специального исполнения, работающих в
оптимальном тепловом режиме их ходовой части, за счет впервые разработанных
воздушных охладителей валов и подшипниковых узлов.
Основными результатами работы являются:
1. На основе впервые разработанной предложенной методики проведен
сравнительный расчетный анализ тепловой работы существующих и
усовершенствованных конвективных печей с циркуляцией газовой среды.
Исследовано влияние режимных и конструктивных параметров конвективных
печей на их технические показатели. Получены зависимости удельных
энергозатрат, КПД, времени нагрева и производительности от параметров
циркуляционного контура и мощности электронагревателей рассматриваемых
печей.
2. Впервые разработана и исследована конструкция нового
циркуляционного электронагревателя конвективных печей с циркуляцией газовой
среды и определены оптимальные режимы его работы.
3. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для
проведения исследований устройств воздушного охлаждения валов печных
вентиляторов. Приведена методика проведения исследований и обработки
полученных результатов.
4. Впервые получены количественные зависимости конвективного
теплообмена между устройствами воздушного охлаждения различных
конструкций и окружающей средой. Определены оптимальные тепловые режимы
ходовой части высокотемпературных вентиляторов конвективных печей,
обеспечивающих их надежную работу.
5. Впервые разработана, изготовлена и пущена в промышленную
эксплуатацию усовершенствованная конвективная печь с циркуляцией газовой
среды, оснащенная новыми электронагревателями и вентиляторами,
снабженными новым узлом охлаждения вала и подшипников. Проведенные
промышленные исследования печи показали значительное снижение энергозатрат
и повышение качества обрабатываемого материала.
6. Приведены результаты обширных исследований теплотехнических
характеристик разработанных устройств охлаждения валов вентиляторов,
используемых в конвективных печах различных типов.
Таким образом, выполненные расчетные и экспериментальные
исследования конвективных печей с циркуляцией газовой среды позволили
впервые получить новые научные и практические результаты для
совершенствования их конструкций, обеспечивающих необходимую
производительность, равномерность нагрева материала и снижение энергозатрат
до 2.7 раз на единицу производимой продукции.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования:
1. Для более точных расчетов нагрева металла в печах с циркуляцией
газового теплоносителя необходимо продолжить совершенствование методик с
использованием компьютерного моделирования процессов теплообмена и
газодинамики.
2. На основе таких методик продолжить совершенствование
конструкций высокотемпературных вентиляторов и циркуляционных
электронагревателей.
3. Продолжить экспериментальные исследования конвективного
теплообмена наиболее теплонагруженных узлов вентиляторов и
электронагревателей.
4. Длительная промышленная эксплуатация печей, снабженных новым
оборудованием, позволяет рекомендовать использовать в дальнейшем результаты
данной работы при разработке более совершенных и энергоэффективных печей
различных типов в широком диапазоне изменения их параметров.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Основные обозначения:
КПД – коэффициент полезного действия
кг ⋅ м
J – величина кинематического импульса струи, ;
с2
m – параметр безразмерной скорости;
U – продольная составляющая скорости, м/с;
χ – расстояние от среза сопла до рассматриваемого сечения, м;
ν – кинематический коэффициент вязкости, м /с;

δ – толщина пограничного слоя, м;

ρ – плотность, кг/м3;
Nu – число Нуссельта;

Re – число Рейнольдса;

D – диаметр, м;
d – диаметр, м;
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2·К;
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м ·К;

W – линейная скорость, м/с;
n – угловая скорость, 1/с;
Q – тепловой поток, Вт;
F – теплообменная поверхность, м2;
t – температура, ˚C;
T – абсолютная температура, К;
Σ – температурный фактор, K ;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К;
K и C – коэффициенты пропорциональности;
S – расстояние между расчетными участками, м.
Индексы:
α – относящийся к коэффициенту теплоотдачи;
y – относящийся к поверхности устройства охлаждения;
в – относящийся к окружающей среде;
н – относящийся к электронагревателю;
к – относящийся к конвективному тепловому потоку;
л – относящийся к лучистому тепловому потоку;
пр – относящийся к приведенному коэффициенту излучения;
р – относящийся к рассеиваемому тепловому потоку;
вал – относящийся к валу вентилятора;
п – относящийся к поверхности экспериментальной установки помимо
исследуемого вала;
вт – относящийся к втулке устройства охлаждения;
м – относящийся к материалу устройства охлаждения;
экв – относящийся к эквивалентному диаметру;
Т – относящийся к тепловому потоку, распространяющийся
теплопроводностью;
МД – относящийся к многодисковому устройству;
СТ – относящийся к стержневому устройству;
ОД – относящийся к однодисковому устройству.

1. Лисиенко В.Г., Волков В.В., Гончаров А.Л. Математическое моделирование
теплообмена в печах и агрегатах. – Киев: Наукова Думка, 1984. – 232 с.
2. Nusselt W. Die Oberfl&a&chenkondensation des Wasserdampfes. – «Ztschr. des
Vereines Duetscher Ingenieure», 1916, Bd 60, № 27, S.541-546; № 28, S.569-
575.
3. Nusselt W. Die Abh&a&ngigkeit der W&a&rme&u&bergangszahl von der Rohrl&a&nge . –
«Ztschr. d. VDI», 1910, Bd 54, № 27, S.1154-1158.
4. Nikuradse I. Gesetzm&a&ssigkeiten der turbulenten Str&o&mung glatten Rohren. –