Підвищення ефективності печей малої потужності за рахунок струменево-нішової технології
| dc.contributor.advisor | Абдулін, Михайло Загретдинович | |
| dc.contributor.author | Бєтін, Юрій Олексійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-05T13:22:45Z | |
| dc.date.available | 2024-02-05T13:22:45Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Бєтін Ю.О. Підвищення ефективності печей малої потужності за рахунок струменево-нішевої технології – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Підготовка здійснювалася на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». В першому розділі описано засоби організації робочого процесу одного з видів промислових печей – низькотемпературних печей малої потужності. Відмічене, що перспективним є імпульсний режим роботи пальникових пристроїв та печі в цілому. Різноманітність альтернативних видів палива та відповідні відмінності у їх фізичних та хімічних властивостях, у поєднанні з одночасними змінами у конструкції пристроїв перетворення енергії необхідність скорочення викидів, створюють серйозні проблеми для організації ефективного спалювання. На кафедрі теплової та альтернативної енергетики інституту атомної та теплової енергетики Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» протягом декількох десятків років розробляються пальникові пристрої на основі струменево-нішевої технології з мікродіфузійним механізмом спалювання, які характеризуються високим рівнем економічності, екологічної безпечності та надійності. Одним із основних напрямків підвищення теплової ефективності вогнетехнічного обладнання є використання нових прогресивних технологій спалювання палива. Висновки. На основі приведеної інформації можна зробити такі висновки: 1. Для створення та модернізації існуючих ВО основним інструментом є ПП на основі технології спалювання яка відповідає всім вимогам економічності, екологічної безпеки та надійної роботи ВО. 2. Струменево-нішева технологія дає змогу модернізувати низькотемпературні печі малої потужності. У другому розділі описана методологія та методика проведення досліджень на наступних експериментальних стендах в лабораторних умовах та промислових об’єктах: промислова піч із випікання кексів на фабриці «Хаас-Майнке» в Копенгагені (Данія); піч випалення вапна КМ-14 на ММК ім. Ілліча у Маріуполі; промислова піч із випікання вафельного листу на фабриці «Домінік» в Полтаві. Висновки. Були описані конструкції та методики іспитів на експериментальних стендах. Обчислені похибки вимірювань. У третьому розділі описана конструкція та робочий процес печі з випікання кексів на датської фабриці «Хаас-Майнке». Для оцінки ефективності роботи печі і складання її теплового балансу було виміряно ряд узгоджених параметрів: витрата газу на різних технологічних режимах роботи печі; температура продуктів згоряння на виході з печі; температура холодного повітря на вході в піч; температура повітря на вході рециркуляційного вентилятора; температура повітря на вході модуля нагріву; аналіз відпрацьованих газів: СО та NОх, а також температури відхідних газів. На основі графічних матеріалів показано, що кожному часовому інтервалу режиму відповідає певна кількість, ідентичних між собою циклів. Кожен із циклів включає три характерні зони, що відповідають певним значенням коефіцієнта надлишку повітря. Аналіз отриманих даних дозволив вирахувати втрати метану і також викиди чадного газу на кожному із досліджуваних режимів. Висновки. Аналіз отриманих даних показав, що існуючий ПП з закруткою потоку окислювача, який працює в імпульсному режимі (періодичне включення на вимикання ПП автоматикою печі, або переривчасте опалення печі, для підтримки необхідної технологічної температури у топковому просторі печі) в процесі роботи має великі втрати чистого метану від 10% до 40% в переліку на годинний інтервал. Також були зафіксовані наднормативні викиди чадного газу СО. В четвертому розділі на підставі досліджень описаних в третьому розділі, проведено розрахунок максимального навантаження ПП при технологічної температурі 250 °С (максимальний по витраті газу режим роботи печі). Показано, що існуючий ПП не відповідає своїм паспортним даним. Це вказує на необхідність його заміни, чи модернізації. В якості альтернативи розглянуто близький за тепловою потужністю пальник СНТ-11, що реалізує струменево-нішеву технологію спалювання газу на машині з випалу вапна КМ-14 на ММК ім. Ілліча, де було задіяно шість пальників СНТ-11, та проведені їх іспити. В результаті обробки результатів випробувань побудовано витратну характеристику ПП СНТ-11, згідно якої видно, що діапазон стійкої роботи одиничного ПП СНТ-11 становить від 1 м. куб/год до 40 м. куб/год. При порівнянні витратних характеристик ПП СНТ-11 з існуючим штатним ПП кекс-печі фабрики ХААС МАЙНКЕ показано, що при заміні даного штатного ПП на пальник СНТ можлива економія палива до 40% на перехідних режимах роботи печі. Висновки. Досліджено роботу базового модуля пальників СНТ на мінімальних режимах по потужності. Визначено критичні геометричні параметри прямокутного модуля ПП при яких треба переходити до циліндричної форми пілону. В розділі п’ять приведено конструкція та опис робочого процесу печей по виготовленню вафельного листа фабрики ХААС (м. Відень) та фабрики Домінік (м. Полтава). Було виявлено, що застосування мікрофакельних пальників призводять до ряду суттєвих недоліків, таких як: локальний перегрів вафельниць (нерівномірності прогрівання вафельниць, брак готової продукції), перегрів та руйнування підшипників коліс вафельниць (може призвести до зупинки роботи машини). Також були зафіксовані надмірні викиди чадного газу. Висновки. Враховуючи виявлені недоліки розглянутих печей було запропоновані методи вирішення виявлених проблем: запропоновано схему модернізації даних печей на основі струменево-нішевої технології. Виконано попередній розрахунок базового пальника необхідного для модернізації. В шостому розділі дисертаційної роботи були розглянуті методи усунення недоліків організації топкових процесів в печах GOCMEN и HAAS, та проведено вибір альтернативних ПП. Проведеним розрахунком було показано, що потужність модуля СНТ-11 надвелика, а зниження його геометричних розмірів для зменшення потужності, обмежено критичною шириною ПП, що дорівнює 50 мм, внаслідок руйнування рівномірності течії внаслідок крайових ефектів. Ця обставина призводить до необхідності переходу до пальника циліндричної форми, де крайові ефекти відсутні. Для вибору оптимальних параметрів ПП було проведено математичне моделювання, на основі якого було створено кілька ПП циліндричної форми і проведені дослідження з метою вибору оптимального ПП. В процесі іспитів було виявлено мінімальний критичний розмір і критичний кут співвідношення струменів газу. Була підібрано оптимальна конфігурація амбразури ПП та виявлено її вплив на форму та довжину факелу. Висновки. Таким чином досліджено організацію топкових процесів в печах: а) де пальниковий пристрій працює в імпульсному режимі; б) та в печах де застосовується мікрофакельна технологія спалювання. Виявлені характерні особливості роботи цих печей та запропоновані шляхи підвищення ефективності організації топкового процесу. Результати дисертаційної роботи були випробувані та затверджені до використання на агломераційної фабриці ММК ім. Ілліча (м. Маріупіль) та у австрійської компанії-виробнику пекарських печей «HAAS FOOD EQUIPMENT GmbH». | |
| dc.description.abstractother | Betin Y.O. Increasing the efficiency of low-power furnaces by means of jet-niche technology - Qualification scientific work on the rights of manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 144 "Heat Power Engineering." - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The preparation was carried out at the Department of Thermal and Alternative Energy of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute". The first section describes the means of organizing the working process of one of the types - low-temperature low-power furnaces. It is noted that the pulse mode of operation of burner devices and the furnace as a whole is promising. The variety of alternative fuels and the corresponding differences in their physical and chemical properties, combined with simultaneous changes in the design of energy conversion devices and the need to reduce emissions, create serious problems for the organization of efficient combustion. The Department of Thermal and Alternative Energy of the Institute of Nuclear and Thermal Energy of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" has been developing burners based on jet-niche technology with a microdiffusion combustion mechanism for several decades, which are characterized by a high level of efficiency, environmental safety and reliability. One of the main directions for improving the thermal efficiency of fire equipment is the use of new advanced fuel combustion technologies. Conclusions. Based on the above information, the following conclusions can be drawn: 1. The main tool for the creation and modernization of existing fire-technical objects (FTO) is the burner device (BD) based on combustion technology that meets all the requirements of efficiency, environmental safety and reliable operation of FTOs. 2. The jet-niche technology allows to modernize low-temperature furnaces of low power. The second section describes the methodology and methodology for conducting research on the following experimental stands in laboratory conditions and industrial facilities: an industrial cupcake baking oven at the HAAS-MEINСKE factory in Copenhagen (Denmark); lime kiln KM-14 at the Ilyich Iron and Steel Works in Mariupol; and an industrial wafer sheet baking oven at the DOMINIC factory in Poltava. Conclusions. The designs and methods of tests on the experimental stands were described. The measurement errors were calculated. The third section describes the design and workflow of the cupcake baking oven at the Danish Haas-Meinсke factory. To evaluate the efficiency of the oven and compile its heat balance, a number of agreed parameters were measured: gas consumption at different technological modes of the oven; temperature of combustion products at the outlet of the oven; temperature of cold air at the inlet of the oven; air temperature at the inlet of the recirculation fan; air temperature at the inlet of the heating module; analysis of exhaust gases: CO and NOx, as well as exhaust gas temperatures. Based on graphical materials, it is shown that each time interval of the mode corresponds to a certain number of identical cycles. Each of the cycles includes three characteristic zones corresponding to certain values of the excess air coefficient. The analysis of the data obtained made it possible to calculate methane losses and carbon monoxide emissions in each of the studied modes. Conclusions. The analysis of the data obtained showed that the existing BD with a twist of the oxidizer flow, which operates in a pulse mode (periodic switching on and off of the PP by the furnace automation, or intermittent heating of the furnace to maintain the required process temperature in the furnace space) during operation has large losses of pure methane from 10% to 40% per hourly interval. Excessive emissions of carbon monoxide CO were also recorded. In the fourth section, based on the studies described in the third section, the maximum load of the BD at a process temperature of 250 °C (maximum gas consumption mode of the furnace) was calculated. It is shown that the existing BD does not correspond to its passport data. This indicates the need for its replacement or modernization. As an alternative, a burner SNT-11, which is similar in thermal capacity and implements the jetniche gas combustion technology at the lime kiln KM-14 at Ilyich Iron and Steel Works of Mariupol, where six burners SNT-11 were used, was considered and tested. As a result of processing the test results, a flow characteristic of the SNT-11 burner was constructed, which shows that the range of stable operation of a single SNT-11 burner is from 1 m. cubic meter per hour to 40 m. cubic meters per hour. When comparing the consumption characteristics of the SNT-11 with the existing standard burner of the cupcake oven of the HAAS MEINCKE factory, it is shown that when replacing this standard burner with the SNT burner, fuel savings of up to 40% are possible in the transient modes of the oven. Conclusions. The operation of the basic module of SNT burners at the minimum power modes was investigated. The critical geometric parameters of the rectangular module of the BD burner have been determined, at which it is necessary to switch to the cylindrical shape of the pylon. Section five presents the design and description of the working process of wafer sheet ovens at the HAAS factory (Vienna) and the DOMINIK factory (Poltava). It was found that the use of microflame burners leads to a number of significant disadvantages, such as: local overheating of waffle ovens (uneven heating of waffle ovens, lack of finished products), overheating and destruction of bearings of waffle ovens wheels (can lead to machine shutdown). Excessive carbon monoxide emissions were also recorded. Conclusions. Taking into account the identified shortcomings of the considered ovens, methods for solving the identified problems were proposed: a scheme for modernizing these ovens based on jet-niche technology was proposed. A preliminary calculation of the basic burner required for modernization was performed. In the sixth chapter of the thesis, methods for eliminating the shortcomings of the organization of furnace processes in GOCMEN and HAAS furnaces were considered, and alternative BDs were selected. The calculation showed that the power of the SNT-11 module is extremely high, and the reduction of its geometric dimensions to reduce power is limited by the critical width of the BD equal to 50 mm due to the destruction of flow uniformity due to edge effects. This circumstance leads to the need to switch to a cylindrical burner, where there are no edge effects. To select the optimal parameters of the burner, mathematical modeling was performed, on the basis of which several cylindrical burners were created and studies were conducted to select the optimal burner. The tests revealed the minimum critical size and critical angle of the gas jet ratio. The optimal configuration of the BD embrasure was selected and its effect on the shape and length of the plume was revealed. Conclusions. Thus, the organization of furnace processes in furnaces: a) where the burner device operates in a pulse mode; b) and in furnaces where microflame combustion technology is used. The characteristic features of the operation of these furnaces were identified and ways to improve the efficiency of the furnace process organization were proposed. The results of the dissertation were tested and approved for use at the sinter plant of Ilyich Iron and Steel Works of Mariupol and at the Austrian company that manufactures baking ovens, HAAS FOOD EQUIPMENT GmbH. | |
| dc.format.extent | 233 с. | |
| dc.identifier.citation | Бєтін, Ю. О. Підвищення ефективності печей малої потужності за рахунок струменево-нішевої технології : дис. … д-ра філософії : 144 теплоенергетика / Бєтін Юрій Олексійович. – Київ, 2023. – 233 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64305 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | пальник | |
| dc.subject | топковий процес | |
| dc.subject | імпульсний режим | |
| dc.subject | струменево-нішева технологія | |
| dc.subject | мікрофакельна технологія | |
| dc.subject | печі малої потужності | |
| dc.subject | низькотемпературні пекарські печі | |
| dc.subject | експлуатаційні умови | |
| dc.subject | спалювання | |
| dc.subject | горіння | |
| dc.subject | оптимальне використання тепла | |
| dc.subject | енергетичне обладнання | |
| dc.subject | енергоресурси | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | burner | |
| dc.subject | furnace process | |
| dc.subject | pulse mode | |
| dc.subject | jet-niche technology | |
| dc.subject | microflare technology | |
| dc.subject | low-power ovens | |
| dc.subject | low-temperature baking ovens | |
| dc.subject | operating conditions | |
| dc.subject | burning | |
| dc.subject | combustion | |
| dc.subject | optimal the heat usage | |
| dc.subject | power equipment | |
| dc.subject | energy resources | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject.udc | 621.43.056:632.15 | |
| dc.title | Підвищення ефективності печей малої потужності за рахунок струменево-нішової технології | |
| 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: