Теплова ефективність футерівки обертових печей для виробництва будматеріалів
| dc.contributor.advisor | Щербина, Валерій Юрійович | |
| dc.contributor.author | Швачко, Денис Григорович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-05T10:18:45Z | |
| dc.date.available | 2024-02-05T10:18:45Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Shvachko D.G.Thermal efficiency of the lining of rotary kilns for the production of building materials. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 133 "Industrial Mechanical Engineering". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation is dedicateddevelopersmethods of saving fuel and increasing the productivity of rotary kilns of the building materials industry by installing additional heathowlisolation The work presents the results of theoretical and experimental researchconcerningincreasing the efficiency of rotary kilns and methods of determining temperature and mechanicaltensions, arising in refractory linings of the hightemperature zone.The use of additional insulation in the lining is a more effective way of saving energy than saving fuel. These data can be used to optimize the operation of thermal units. Drum-type rotary heat units - rotary furnaces - are widely used in many areas of industry, where they are used as the main devices in the raw material processing process. Many stoves are not only uniqueby size, but also by the complexity of the design.In addition, many of these devices work in conditions of high temperatures, high pressure, aggressive environments and high dustiness, which requires special measures to increase reliability, safety and durability.The effectiveness of their application largely depends on the use of effective and rational structural elements that should ensure longterm and reliable operation of the furnace unit. In the first chapter the current state of the problem, a critical review of known constructive solutions andilluminated questions about possible options for increasing the thermal efficiency of rotary kilns for firing building materials at the expense ofmagnificationthermal resistance of the lining (TOF) of the high-temperature zone of the furnace. To study the possibilities of increasing the TOF, it is necessary to use a theoretical model that simulates the flow of thermal processes in rotary kilns. Analysis of works devoted to this problemshowed, which is not taken into account in the modelsinfluenceon the heat mode of the ovenchangeTOF in the process of wearing out the refractory. Analysis of the state of the theory and practice of operation of rotary kilns allowed us to draw a conclusion about the possibility of increasing the TOF of the kiln by changing the configuration of the refractory in order to place additional material with high heat-insulating properties in the cells obtained in this way, between the refractory and the furnace body. In order to choose the optimal design of the refractory, it is necessary to have data on its stress-strain state (STS), which occurs during the operation of the furnace. Analyzing works on this issue, it was established that calculation methods,which apply,are not complete enough. In the second chaptera study of the effectiveness of the use of the furnace found that additional thermal insulation in the firing zone gives 4% savings of heat to the environment through the case. At the same time, the productivity of the furnace increases, and the fuel saving at the previous productivity is up to 4 thousand tons of conventional fuel per year(for a 5x185m furnace),i.e. 4% heat savings on the case increases the efficiency of using the stove by 9.2% The increase in heat occurring in the furnace is due to the more complete use of fuel in high-temperature zones, which results in a decrease in its enthalpy in the preparation zones. Due to this, the temperature of flue gases leaving the furnace decreases, and the fuel utilization rate increases. Thus, the conducted numerical analysis makes it possible to determine the effect of additional thermal insulation on the thermal process of the furnace. In this regard, the question of choosing such a design of the lining is relevant, so that while preserving such properties as thickness, weight per linear meter of the furnace, the chemical composition of the refractory would have a higher thermal resistance. In the third chapter the temperature distribution in the lining was studied, the section of the furnace was considered. The cyclicity of temperature fields in the lining was studied. On the basis of the heat conduction equation in the non-stationary setting, the rotational speeds were taken into account; supply of heat from gas flow; heat removal through the furnace body; rotation of the lining. Heat was transferred to the material: from the gas flow and the heated lining. In addition, the material constantly moves along the inner surface of the lining. A non-linear non-stationary heat conduction equation in a cylindrical coordinate system is used to model the operation of the furnace. A compromise problem is formulated, which must be solved when developing a new design of the lining. Namely: in order to increase the thermal resistance of the lining in the refractory, it is necessary to increase the size of the cell with heatinsulating material. At the same time, in this cell, especially as the refractory wears, the temperature rises and may exceed the temperature range when using real heatinsulating material. Therefore, it is necessary to determine the heat-insulating material that can be used, and the geometric dimensions of the cell, which sufficiently increase the thermal resistance and at the same time are acceptable according to the temperature regime for a specific heat-insulating material. The process of modeling thermal stresses of structures is performed in two stages. The first stage solves the problem of thermal conductivity, and the second stage consists in the formation of the stiffness matrix and the vector of equivalent nodal thermoforce loads taking into account the obtained temperature field.After solving the problem, based on the obtained values of nodal displacements, the deformations and stresses inelements of the finite element model. To solve the problem of calculating temperature fields and thermomechanical stresses in the body of a rotating thermal apparatus, the integrated system VESNA, developed at the Department of Chemical, Polymer and Silicate Mechanical Engineering of the National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" was used. This system is designed for modeling hydrodynamic and thermal processes and performing strength calculations using the finite element method (FEM).The system takes into account linear and non-linear deformation processes of spatially connected systems consisting of isotropic and anisotropic materials. The creation of progressive technologies with minimal expenditure of material and energy resources is one of the most important tasks of all branches of the national economy, including the construction industry, which includes the production of building materials and products. When choosing the configuration of the refractory, both the efficiency of the resulting thermal insulation, which increases with the increase in the size of the cells, and the structural reliability of the refractory, due to the magnitude of the thermomechanical loads arising in it, are taken into account. The creation of a mathematical model of the stressed state of the refractory will allow to determine the values of the components of thermomechanical loads that arise in it during the operation of the furnace. Based on the numerical value of the stresses, it is possible to predict the general condition of the furnace, to determine the degree of "working up" of refractories in different zones, which will contribute to increasing the operational reliability of the thermal unit. In a separate case, based on the knowledge of the stress-strain state, it is possible to develop a lining design that is reliable in operation and effective in terms of reducing heat loss to the environment. The fourth chapter presents experimental research is related to the need to obtain temperature fields and assess the correctness of the mathematical model and method of calculating temperature fields in the refractory body. The test was conducted in an electric heating furnace. During the tests, the furnace worked in autonomous mode. The temperature was controlled using a thermocouple installed in the oven. Also about In the conclusions of the workit was determined that it is a relevant study of the installation of a lining with a shaped fireproof to increase the thermal resistance of the lining and reduce heat loss to the environment. At the same time, a method of calculating the body, lining, bandages and other structural elements of a rotary kiln is proposed with the determination of the stress-strain state of the structure with the comprehensive consideration of thermodynamic and other load factors, which allows to separately analyze their influence and determine the optimal operating conditions. Thus, a systematic approach to identifying the main factors influencing the energy intensity of manufactured products and reducing the consumption of natural gas per furnace is an urgent task of energy saving in the production of binding materials, porous aggregates, etc. The scientific novelty of the obtained results lies in the creation of scientific methods for the development and improvement of rotary furnaces, which ensures an increase in productivity and a decrease in heat consumption, the possibility of choosing rational parameters and modes of their operation. The scientific and technical results of the dissertation work are implemented in the educational process of the department, KhPSM KPI named after Ihor Sikorskyi. | |
| dc.format.extent | 196 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64296 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | обертова піч | |
| dc.subject | піч | |
| dc.subject | вогнетрив | |
| dc.subject | вогнетривка футерівка | |
| dc.subject | теплоізоляція | |
| dc.subject | температура | |
| dc.subject | числове моделювання | |
| dc.subject | димові гази | |
| dc.subject | тепловий потік | |
| dc.subject | аналітичний метод розрахунку | |
| dc.subject | температурний режим | |
| dc.subject | деформація | |
| dc.subject | амплітуда | |
| dc.subject | напружено-деформований стан | |
| dc.subject | напруження | |
| dc.subject | числові розрахунки | |
| dc.subject | rotary kiln | |
| dc.subject | furnace | |
| dc.subject | refractory | |
| dc.subject | refractory lining | |
| dc.subject | thermal insulation | |
| dc.subject | temperature | |
| dc.subject | numerical modeling | |
| dc.subject | flue gases | |
| dc.subject | heat flow | |
| dc.subject | analytical calculation method | |
| dc.subject | temperature regime | |
| dc.subject | strain | |
| dc.subject | amplitude | |
| dc.subject | stress-strain state | |
| dc.subject | stress | |
| dc.subject | numerical calculations | |
| dc.subject.udc | 66.01: 66.011 | |
| dc.title | Теплова ефективність футерівки обертових печей для виробництва будматеріалів | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: