Теплова ефективність футерівки обертових печей для виробництва будматеріалів

Ескіз

Файли

Shvachko_dys.pdf (8.73 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Щербина, Валерій Юрійович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Швачко Д.Г. Теплова ефективність футерівки обертових печей для виробництва будматеріалів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розробці методів економії палива й збільшення продуктивності обертових печей промисловості будівельних матеріалів шляхов встановлення додаткової теплової ізоляції. У роботі викладені результати теоретичних й експериментальних досліджень стосовно збільшення ефективності роботи обертових печей і методи визначення температурних і механічних напружень, що виникають у вогнетривах футерівки високотемпературної зони. Використання додаткової ізоляції в футеровці є більш ефективним способом економії енергії, ніж економія палива. Ці дані можна використовувати для оптимізації роботи теплових агрегатів. Обертові теплові агрегати барабанного типу – обертові печі, знайшли широке застосування в багатьох областях промисловості, де вони використовуються як основні пристрої в процесі обробки сировинного матеріалу. Багато печей є унікальними не тільки за розмірами, але й по складності конструкції. Крім того, багато з цих пристроїв працюють в умовах високих температур, високого тиску, агресивних середовищ і високої запиленості, що вимагає спеціальних заходів для підвищення надійності, безпеки і довговічності. Ефективність їхнього застосування в значній мірі залежить від використання ефективних і раціональних конструктивних елементів, які повинні забезпечити довгострокову й надійну роботу пічного агрегату. В першому розділі сучасний стан проблеми, зроблено критичний огляд відомих конструктивних рішень та освітлені питання про можливі варіанти підвищення теплової ефективності обертових печей для випалу будматеріалів за рахунок збільшення теплового опору футерівки (ТОФ) високотемпературної зони печі. Для дослідження можливостей збільшення ТОФ необхідно використовувати теоретичну модель, що імітує протікання теплових процесів в обертових печах. Аналіз робіт, присвячених цій проблемі показав, що у моделях не враховується вплив на тепловий режим печі зміну ТОФ у процесі зношування вогнетриву. Аналіз стану теорії й практики роботи обертових печей дозволили зробити висновок про можливості збільшення ТОФ печі шляхом зміни конфігурації вогнетриву з метою укладання в одержувані в такий спосіб комірки, між вогнетривом і корпусом печі, додаткового матеріалу з високими теплоізоляційними властивостями. Для вибору оптимальної конструкції вогнетриву необхідно мати дані про його напружено - деформований стан (НДС), що виникає при роботі печі. Аналізуючи роботи з цього питання, установлено, що методики розрахунку, які застосовуються, є недостатньо повними. В другому розділі дослідженні ефективності використання печі було встановлено, що додаткової теплоізоляції в зоні випалювання дає 4% економії тепла в навколишнє середовище через корпус. При цьому збільшується продуктивність печі, а економія палива при колишній продуктивності складає до 4 тис. тонн умовного палива в рік (для печі 5х185м), тобто 4% економії тепла по корпусу збільшує ефективність використання печі на 9.2% Приріст тепла, що відбувається в печі, пояснюється більш повним використанням палива у високотемпературних зонах, чим досягається зменшення його ентальпії в підготовчих зонах. За рахунок цього температура димових газів, що відходять із печі, зменшується, а коефіцієнт використання палива збільшується. Таким чином, проведений числовий аналіз дає можливість визначити вплив додаткової теплоізоляції на тепловий процес печі. У зв'язку з цим актуальним є питання вибору такої конструкції футерівки, що при збереженні таких властивостей як товщина, вага на погонний метр печі, хімічний склад вогнетриву мала б більш високий термоопір. В третьому розділі досліджувалося розподіл температур в футерівці, розглядався перетин печі. Досліджувались циклічність температурних полів у футерівці. На основі рівняння теплопровідності в нестаціонарній постановці враховувались швидкості обертання; підвід тепла від газового потоку; відвід тепла через корпус печі; обертання футерівки. Передача тепла до матеріалу здійснювалася: від газового потоку та прогрітої футерівки. Крім цього, матеріал постійно переміщується по внутрішній поверхні футерівки. Для моделювання роботи печі використовується нелінійне нестаціонарне рівняння теплопровідності в циліндричній системі координат. Сформульована компромісна задача, яка повинна бути розв’язана при розробленні нової конструкцій футерівки. А саме: для того, щоб підвищити тепловий опір футерівки у вогнетриві необхідно збільшити розміри комірки з теплоізоляційним матеріалом. При цьому в даній комірці, особливо по мірі зносу вогнетриву, температура підвищується і може перевищити діапазон температур при використанні реального теплоізоляційного матеріалу. Тому потрібно визначити теплоізоляційний матеріал який можливо використовувати, та геометричні розміри комірки, які в достатній мірі збільшують тепловий опір і водночас є прийнятними по температурному режиму для конкретного теплоізоляційного матеріалу. Процес моделювання термонапружень конструкцій виконується в два етапи. На першому вирішується завдання теплопровідності, а другий етап полягає у формуванні матриці жорсткості та вектора еквівалентних вузлових термосилових навантажень з урахуванням отриманого температурного поля. Після розв'язання задачі на основі отриманих значень вузлових переміщень розраховуються деформації та напруження в елементах скінченноелементної моделі. Для вирішення завдання з розрахунку температурних полів і термомеханічних напружень в корпусі обертового теплового апарату використовувалася інтегрована система VESNA, розроблена на кафедрі хімічного, полімерного та силікатного машинобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Зазначена система призначена для моделювання гідродинамічних, теплових процесів та виконання розрахунків на міцність з використанням методу скінченних елементів (МСЕ). Система враховує лінійні та нелінійні деформаційні процеси просторово зв'язаних систем, що складаються з ізотропних та анізотропних матеріалів. Створення прогресивних технологій з мінімальними витратами матеріальних і енергетичних ресурсів - одна з найважливіших задач усіх галузей народного господарства, у тому числі і будівельній індустрії, до якої відноситься і виробництво будівельних матеріалів і виробів. При виборі конфігурації вогнетриву враховується, як ефективність одержуваної теплоізоляції, що зі збільшенням розміру комірок підвищується, так і конструктивна надійність вогнетриву, обумовлена величиною виникаючих у ньому термомеханічних навантажень. Створення математичної моделі напруженого стану вогнетриву дозволить визначити величини компонентів термомеханічних навантажень, що виникають у ньому при роботі печі. За числовим значенням напружень можна прогнозувати загальний стан печі, визначати ступінь «наробітку» вогнетривів у різних зонах, що сприятиме підвищенню експлуатаційної надійності теплового агрегату. В окремому випадку, спираючись на знання напружено-деформованого стану, є можливість розробки конструкції футерівки, яка є надійною в роботі, і ефективною з погляду зменшення тепловтрат у навколишнє середовище. В четвертому розділі представлено експериментальне дослідженя пов'язана з необхідністю отримати температурні поля і оцінити правильності математичної моделі й методики розрахунку температурних полів у тілі вогнетриву. Випробування проводилося в електричній нагрівальній печі. Під час випробувань піч працювала в автономному режимі. Контроль температури здійснювався за допомогою встановленої в піч термопари. Також про В висновках по работі становлено що, є актуальним дослідженням установки футерівки з фасонним вогнетривом для збільшення теплового опору футерівки й зменшення втрат тепла в навколишнє середовище. При цьому пропонується метод розрахунку корпусу, футерівки, бандажів і інших конструктивних елементів обертової печі з визначенням напруженодеформованого стану конструкції при комплексному врахуванні термосилових і інших факторів навантаження, що дозволяє окремо проаналізувати їх вплив і визначити оптимальні умови роботи. Таким чином, систематизований підхід до виявлення основних чинників впливу на енергоємність виробленої продукції та зменшення витрат природного газу на піч є актуальною задачею енергозбереження у виробництві в’яжучих матеріалів, пористих заповнювачів та ін. Наукова новизна одержаних результатів полягає у створенні наукових методик розробки і вдосконалення обертових печей, що забезпечує підвищення продуктивності та зменшення теплових затрат, можливість вибору раціональних параметрів та режимів їх роботи. Науково-технічні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри , ХПСМ КПІ імені Ігоря Сікорського.

Опис

Ключові слова

обертова піч, піч, вогнетрив, вогнетривка футерівка, теплоізоляція, температура, числове моделювання, димові гази, тепловий потік, аналітичний метод розрахунку, температурний режим, деформація, амплітуда, напружено-деформований стан, напруження, числові розрахунки, rotary kiln, furnace, refractory, refractory lining, thermal insulation, temperature, numerical modeling, flue gases, heat flow, analytical calculation method, temperature regime, strain, amplitude, stress-strain state, stress, numerical calculations

Бібліографічний опис

Швачко, Д. Г. Теплова ефективність футерівки обертових печей для виробництва будматеріалів : дис. … д-ра філософії : 133 Галузеве машинобудування / Швачко Денис Григорович. – Київ, 2023. – 196 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64296

DOI

Зібрання

Дисертації (ХПСМ)
Дисертації (вільний доступ)