1 (59), 2011 / 127 и. А. тРуСоВА, П. Э. РАтНикоВ, Д. В. МЕНДЕлЕВ, БНту УДК 621.331:536.33 оПреДелеНие оПтималЬНыХ мощНостеЙ горелоЧНыХ устроЙств в НагревателЬНыХ ПеЧаХ струЙНого тиПа Одним из направлений интенсификации нагре- ва металла, получившим в последнее время все большее распространение, является применение печей скоростного нагрева с использованием со- временных струйно-факельных технологий сжига- ния топлива (горелочные устройства с высокой скоростью истечения продуктов сгорания 100 м/с и выше) [1]. Теплообменные процессы в таких пе- чах характеризуются примерным равенством лу- чистой и конвективной составляющих теплового потока, что требует разработки соответствующих методик расчета. В данной статье приводятся результаты чис- ленного моделирования тепловой работы печи вы- сокоскоростного струйного нагрева металла. Объ- ектом моделирования служила двухручьевая печь проекта ВНИПИ «Теплопроект» [2], предназна- ченная для нагрева заготовок диаметром 80– 100 мм и длиной 100–220 мм из углеродистых ста- лей. Схема печи приведена на рис. 1. В качестве горелочных устройств выбраны скоростные короткофакельные горелки BIG 100, имеющие следующие основные характеристики: тепловая мощность горелки – 16–160 кВт; ско- рость истечения дымовых газов – 105 м/с; тип ке- рамической насадки – B065; тип горелки – R; диа- метр выходного сечения горелки – 104 мм; диа- метр выходного сечения керамической насадки – 65 мм; длина керамической насадки – 300 мм; рас- стояние от головки горелки (место смешивания воздуха и природного газа) до выходного сечения керамической насадки – 265 мм; давление воздуха – 30 мбар, природного газа – 30 мбар. Схема горелки приведена на рис. 2, а схема моделирования насад- ки горелки с использованием метода конечных элементов – на рис. 3. С целью определения полей скоростей и давле- ний в насадке горелки и на выходе из нее выполне- ны расчеты по моделированию работы высокоско- ростной короткофакельной горелки BIG 100. Результаты исследований моделирования рабо- ты скоростных струйных горелок положены в ос- The results of numerical modeling of heating opera- tion of furnace of the metal high-speed jet heating are given. а б Рис. 1. Схема печи скоростного струйного нагрева сталь- ных заготовок производительностью 1000 кг/ч: а – про- дольный разрез; б – поперечный разрез Рис. 2. Схема скоростной короткофакельной горелки BIG 100 1 (59), 2011 128 / нову создания расчетной схемы печи скоростного струйного нагрева металла (рис. 6–9). При моделировании тепловой работы печи скоростного струйного нагрева рабочее простран- ство печи было разбито на 10 расчетных участков (длина расчетного участка совпадает с длиной за- готовки), на каждом из которых определяли допу- стимые плотности тепловых потоков на металл ис- ходя из условия термической прочности заготовок [3] и соответствующие им мощности горелочных устройств. Схема расчетных участков показана на рис. 10. На первом этапе решена задача по определе- нию распределения скоростей продуктов сгорания и температур кладки и дымовых газов в рабочем пространстве печи в установившемся режиме ра- боты печи при работе всех горелочных устройств на максимальной мощности (160 кВт). При этом принимали поверхности заготовок теплоизолиро- ванными. В результате определено поле скоростей в рабочем пространстве печи (рис. 11) и рассчита- ны максимальные установившиеся температуры газов и кладки (рис. 12). На рис. 13 показаны распределения падаю- щих тепловых потоков на поверхности заготовок (кВт/м2) в каждой расчетной зоне при работе всех горелок на максимальной мощности 160 кВт. При сравнении полученных результатов (рис. 13) и данных работы [3] видно, что в любой момент времени падающие тепловые потоки на металл превышают максимально допустимые зна- чения. В дальнейшем подобные расчеты по определе- нию температур дымовых газов рабочего про- а б Рис. 3. Моделирование насадки горелки (от головки горелки до конца керамической насадки) методом конечных элементов: а – чертеж насадки горелки BIG 100; б – представление насадки в виде конечных элементов Рис. 4. Распределение поля скоростей продуктов сгорания в насадке горелки и на выходе из нее 1 (59), 2011 / 129 Рис. 5. Распределение поля давлений в насадке горелки и на выходе из нее Рис. 6. Трехмерный вид нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла Рис. 7. Чертеж нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла (торцевой разрез) 1 (59), 2011 130 / Рис. 8. Чертеж нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла (продольный разрез) Рис. 9. Чертеж нагревательной печи скоростного струйного нагрева металла (вид сверху) Рис. 10. Схема расчетных участков для определения тепловых потоков и мощностей горелок: 1–10 – расчетные поверхности странства и кладки, а также величин падающих тепловых потоков на металл в расчетных точках были проведены для различных мощностей горе- лок. Ниже приведены результаты моделирования горелочных устройств при следующих значениях мощности: 16, 80 и 100 кВт. На рис. 14 представлены установившиеся тем- пературы продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 16 кВт, а на рис. 15 – зна- чения падающих тепловых потоков на поверхность заготовок в расчетных точках (поверхности обе- зразмерены). Как видно из рис. 14, максимальная температура греющей среды при этом не превы- шает 300 °С. На рис. 16 приведены установившиеся темпе- ратуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 80 кВт, а на рис. 17 – зна- чения падающих тепловых потоков на поверх- 1 (59), 2011 / 131 Рис. 11. Установившийся режим движения продуктов сгорания (поле скоростей) при работе всех горелок на максимальной мощности 160 кВт Рис. 12. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок на максимальной мощности 160 кВт 1 (59), 2011 132 / а б в г д е ж з 1 (59), 2011 / 133 и к Рис. 13. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 160 кВт: а – пер- вая поверхность; б – вторая; в – третья; г – четвертая; д – пятая; е – шестая; ж – седьмая; з – восьмая; и – девятая; к – десятая Рис. 14. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 16 кВт а б 1 (59), 2011 134 / в г д е ж з и к Рис. 15. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 16 кВт: а – первая поверхность; б – вторая; в – третья; г – четвертая; д – пятая; е – шестая; ж – седьмая; з – восьмая; и – девятая; к – де- сятая 1 (59), 2011 / 135 Рис. 16. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 80 кВт а б в г 1 (59), 2011 136 / ность заготовок в расчетных точках (поверхности обезразмерены). На рис. 18 приведены установившиеся темпе- ратуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 100 кВт, а на рис. 19 – значения падающих тепловых потоков на поверх- ность заготовок в расчетных точках (поверхности приведены к безразмерному виду). Как видно из рис. 19, максимальные тепловые потоки на металл превышают максимально допустимые потоки при- мерно на 10% (если сравнивать с результатами ра- боты [3]). Таким образом, результаты моделирования (рис. 12–19) показали, что при мощности всех го- релок 100 кВт падающие потоки на металл превы- шают максимально допустимые значения по кри- терию термопрочности на 10–15%, а при мощности горелочных устройств 80 кВт от 3-го до 5-го рядов (см. рис. 10) горелок есть резерв увеличения их мощности. В результате предложена технология нагрева металла, когда на первые два ряда горелок подается мощность 80 кВт, а на последние три ряда – мощность 90 кВт. Распределение темпера- туры теплоносителя (дымовых газов) и кладки при д е ж з и к Рис. 17. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 80 кВт: а – первая поверхность; б – вторая; в – третья; г – четвертая; д – пятая; е – шестая; ж – седьмая; з – восьмая; и – девятая; к – де- сятая 1 (59), 2011 / 137 Рис. 18. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при работе всех горелок мощностью 100 кВт а б в г 1 (59), 2011 138 / д е е з и к Рис. 19. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при мощности всех горелок 100 кВт: а – первая поверхность; б – вторая; в – третья; г – четвертая; д – пятая; е – шестая; ж – седьмая; з – восьмая; и – девятая; к – де- сятая таком режиме нагрева приведено на рис. 20, а зна- чения падающих потоков на металл – на рис. 21. На рис. 22 приведены обобщающие результа- ты расчетов падающих тепловых потоков на ме- талл в расчетных точках печи (см. рис. 10) при различной мощности горелочных устройств. Зе- леным цветом и треугольным маркером показа- ны оптимальные падающие тепловые потоки на металл (результирующие тепловые потоки, со- гласно работе [3], плюс собственное излучение заготовок εjσTj4). Как видно из рисунка, при рас- пределении мощностей по рядам горелок следу- ющим образом (1-й и 2-й ряды – 80 кВт, 3–5-й ряды – 90 кВт) удается максимально прибли- зить значения падающих тепловых потоков к максимальному, определенному в [3], что обе- спечит минимальное время нагрева заготовок или максимальную производительность при выполнении требования на термопрочность ме- талла. 1 (59), 2011 / 139 Рис. 20. Установившиеся температуры продуктов сгорания и кладки при распределении мощности по горелкам: 1-й и 2-й ряды – 80 кВт; 3–5-й ряды – 90 кВт а б в г 1 (59), 2011 140 / д е ж з и к Рис. 21. Тепловые потоки на поверхности заготовок (поверхности обезразмерены) при распределении мощности по ря- дам горелок: 1-й и 2-й ряды – 80 кВт, 3–5-й ряды – 90 кВт: а – первая поверхность; б – вторая; в – третья; г – четвертая; д – пятая; е – шестая; ж – седьмая; з – восьмая; и – девятая; к – десятая Рис. 22. Значения величины падающих тепловых потоков на металл в расчетных точках печи при различной мощности го- релочных устройств 1 (59), 2011 / 141 Литература 1. Т и м о ш п о л ь с к и й В. И., Т р у с о в а И. А., Р а т н и к о в П. Э. Возможности применения струйного нагрева металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2. С. 63–66. 2. Опыт эксплуатации газовой автоматизированной печи скоростного конвективного нагрева / М. А. Розенберг, М. М. Зуб- кова, П. С. Берковская, И. А. Дубовской // Кузнечно-штамповочное производство. 1978. № 3. С. 36–38. 3. Отчет о НИР «Исследование процессов высокоэнергетического струйного конвективного и радиационного нагрева тер- мически массивных изделий с целью разработки оптимальных теплотехнологий. Этап 4. Выполнение многовариантных расче- тов нагрева тел различной конфигурации в промышленных печах».