11.05.2018

Исследования циркуляции в установках испарительного охлаждения


Расчеты циркуляции позволили правильно выбрать диаметры коммуникаций, наметить рациональные схемы соединения охлаждаемых деталей и ориентировочно оценить надежность циркуляции. Однако известно, что при низких значениях тепловых нагрузок циркуляция носит пульсационный характер и не может быть рассчитана. Теоретически нельзя также установить области тепловых нагрузок, соответствующих установившемуся и пульсационному режимам циркуляции.

В период проектирования первых установок испарительного охлаждения доменных печей высказывали мнения, что надежную циркуляцию можно обеспечить лишь при помощи циркуляционных насосов. Это мнение основали на ряде особенностей установок испарительного охлаждения:

а) неравномерное распределение тепловых нагрузок на холодильники по периметру печи и на отдельные элементы клапанов воздухонагревателей;

б) большое местное сопротивление труб, залитых в холодильники, и внешних коммуникаций;

в) низкие значения тепловых нагрузок на холодильники в первый период работы печи после задувки.

Ненадежная система охлаждения может привести к преждевременной остановке доменной печи на ремонт, что связано с крупными потерями. Поэтому особый интерес представляли исследования циркуляции на моделях, при помощи которых была доказана надежность естественной циркуляции для холодильников печи и клапанов воздухонагревателей.

Метод моделирования циркуляции

Метод моделирования установок испарительного охлаждения позволяет количественно описать процессы циркуляции на действующих объектах, т. е. дать значения циркуляционных расходов, перепадов давления на участках и характеристики пульсационного режима, что является исходным материалом для оценки надежности циркуляции.

Точное моделирование процесса циркуляции в системе испарительного охлаждения на моделях уменьшенных геометрических размеров является теоретически невозможным. Однако методом приближенного моделирования можно с точностью до 10% получить значения циркуляционных расходов и давлений при установившемся и пульсационном режимах циркуляции.

Правила приближенного моделирования сводятся к следующим пунктам:

1) модель должна быть геометрически подобна образцу;

2) в качестве рабочей жидкости следует применять воду, что обеспечивает равенство физических параметров рабочей жидкости в модели и образце;

3) давление пара в барабанах-сепараторах модели и образца должно быть одинаковым;

4) тепловую нагрузку на модель следует выбирать из условия
где qмод — тепловая нагрузка на модели, ккал/ч;

qобр — тепловая нагрузка на образец, ккал/ч;

M — геометрический масштаб модели;

5) в модели нужно поддерживать разность температуры насыщения в детали и температуры воды в барабане-сепараторе одинаковую с образцом.

Данное соотношение подтверждено на практике для пульсационного режима циркуляции. Для установившегося режима лучшие результаты получают при следующем соотношении
где Аt — величина искусственного недогрева воды до кипения, град;

(At)обр — недогрев до кипения в охлаждаемой детали образца за счет высоты циркуляционного контура, град;

(At)мод — недогрев до кипения в охлаждаемой детали модели за счет высоты циркуляционного контура, град.

Результаты исследований циркуляции на моделях испарительного охлаждения холодильников

В настоящей книге авторы приводят результаты исследования модели установки испарительного охлаждения типовой доменной печи объемом 1033 и 2000 м3 и клапанов воздухонагревателей. Эти результаты представлены ниже (см. рис. 71—77). Для удобства на всех графиках величины циркуляционных расходов давлений и тепловых нагрузок пересчитаны на установки натуральных размеров.

Ниже приведены обобщения результатов исследования на моделях.

1. Исследования проводили в диапазоне тепловых нагрузок от Qмин до Qмакс, которые полностью охватывали все рабочие режимы и давления от 1 до 8 ат.

2. При двухзонной системе соединения в холодильниках нижней зоны в течение первой недели после задувки печи устанавливаются тепловые нагрузки, соответствующие средним значениям.
Применительно к доменной печи объемов 1033 м3 средняя тепловая нагрузка на секцию холодильников нижней зоны составляла 430 тыс. ккал/ч, а пределы изменения этой величины при нормальной работе печи равнялись 160—750 тыс. ккал/ч. Из графика, приведенного на рис. 71, видно, что при двухзонной схеме соединения в холодильниках нижней зоны сразу после задувки печи появлялась устойчивая циркуляция; этот устойчивый циркуляционный режим сохранялся до конца кампании при давлении пара в установке испарительного охлаждения от 1 до 8 ат. Пульсационный режим циркуляции возможен лишь при самом нижнем пределе тепловых нагрузок.
Максимальная приведенная скорость воды в трубах холодильников составляла 0,3 м/сек, а кратность циркуляции 25 кг/кг.

Таким образом, двухзонная схема соединения обеспечивала хорошее охлаждение холодильников нижней зоны. Заданные в схеме диаметры коммуникаций являлись оптимальными, что хорошо подтверждает характер кривых G=f(Q) при 1 и 8 ат (см. рис. 71).

Действительно, в области наиболее вероятных значений тепловых нагрузок циркуляционный расход увеличивался, а в области больших значений уменьшался незначительно. При этом скорость и кратность циркуляции остаются в допустимых пределах. Застои циркуляции в холодильниках нижней зоны при нормальной работе печи были полностью устранены. Из рис. 71 видно, что застой циркуляции (кратковременное ее прекращение может произойти при уменьшении тепловой нагрузки до 80 тыс. ккал/ч, в то время, как минимальная тепловая нагрузка на секцию холодильников доменной печи объемом 1033 м3 равна 160 тыс. ккал/ч).

3. В шахтах доменных печей в результате медленного износа кладки тепловые нагрузки на холодильники длительное время (до одного года) оставались небольшими. Минимальная тепловая нагрузка на секцию холодильников шахты доменной печи объемом 1033 м3 составляла 24 тыс. ккал/ч. Из графика G=f(Q), приведенного на рис. 72, следует, что при этом неизбежен режим периодического застоя циркуляции.

Периодический застой характеризуется длительными паузами в циркуляции продолжительностью до 10—15 мин (в зависимости от величины тепловой нагрузки). Физическая основа такого режима циркуляции описана в специальной литературе и поэтому здесь не приведена. Вполне понятно, что охлаждение холодильников в период застоя должно быть хорошим, так как плотность теплового потока на холодильниках шахты при сохранившейся кладке составляет всего лишь 500 ккал/(м2*ч).

Однако при данном режиме циркуляции, который может продлиться до одного года, может возникнуть опасность оседания шлама из воды и скопления его в нижних участках контура. Co временем этот шлам может закупорить трубы и нарушить охлаждение.

Выход из строя холодильников шахты приведет к остановке печи на капитальный ремонт второго разряда. Поэтому нельзя допускать застойного режима. Он прекращается при тепловых нагрузках на секцию, составляющих 45—80 тыс. ккал/ч (см. рис. 72). При дальнейшем росте тепловых нагрузок возникает так называемый пульсационный режим, характеризующийся непрерывным отклонением величины циркуляционного расхода от среднего значения на 50—70%. При увеличении тепловой нагрузки на секцию до 140—180 тыс. ккал/ч наступает устойчивый режим циркуляции. В области наиболее вероятного диапазона изменения тепловых нагрузок на секцию холодильников шахты (от 500 до 1200 тыс. ккал/ч) циркуляция носит устойчивый характер. В случае повышения тепловой нагрузки до пиковых значений, равных 1600 тыс. ккал/ч, циркуляционный расход при 1 ат снижается до 27 м3/ч; скорость воды в обогреваемых трубах составит 0,28 м/сек, а кратность циркуляции 10 кг/кг. При данных условиях надежность охлаждения несомненна.

Таким образом, для надежного охлаждения шахты при двухзонной схеме соединения холодильников необходимо применить посторонний побудитель циркуляции на время, пока кладка шахты не износится и тепловые нагрузки на каждую секцию холодильников не достигнут 140—180 тыс. ккал/ч.
Было предложено и испытано два способа побуждения циркуляция в холодильниках шахты при активной циркуляции в нижней зоне.

При первом способе коллекторы подъемных труб холодильников верхней и нижней зон соединяли перемычкой; за счет полезного напора в коллекторе нижней зоны осуществлялась циркуляция в холодильниках шахты. Из графика, приведенного на рис. 73, следует, что при имеющейся перемычке между подъемными коллекторами верхней и нижней зон в холодильниках шахты полностью исключается застойный режим циркуляции; расход воды через холодильники шахты зависит от величины тепловой нагрузки на холодильники нижней зоны.

Например, при Qнижн.зоны = 150 тыс.ккал/ч Gшахты = 14 м3/ч, а при Qнижн.зоны = 750 тыс. ккал/ч Gшахты = 24 м3/ч. При этом минимальная скорость воды в обогреваемых трубах подъемной части контура равна 0,15 м/сек. Циркуляционный расход на холодильники нижней зоны в этом случае уменьшается на 10% (рис. 74), что не имеет никакого значения.
При втором способе организации надежной циркуляции подъемную трубу верхней зоны включали в опускную трубу нижней зоны (при закрытой задвижке на опускном коллекторе холодильников нижней зоны). Такое последовательное соединение двух зон также полностью исключает застои циркуляции в холодильниках шахты.

Оба варианта побуждения циркуляции в холодильниках шахты были опробованы на действующих установках и дали хорошие результаты, вполне совпадающие с лабораторными исследованиями.

4. При установке кронштейновых холодильников в шахте может быть обеспечена хорошая циркуляция. В диапазоне тепловых нагрузок на секцию холодильников от 350 до 800 тыс. ккал/ч величина приведенной скорости воды в трубах составит 0,8—1,3 м/сек для холодильников 1-го и 2-го рядов (О 45х6 мм) и 0,26—0,42 м/сек для холодильников 7-го и 8-го рядов (О 70х6 мм).

Однако при кронштейновых холодильниках кладка шахты сохраняется длительное время (до двух лет). Поэтому тепловая нагрузка на холодильники не будет превышать 6—10 тыс. ккал/ч в расчете на одну секцию. Из графика, приведенного на рис. 75, видно, что при таком значении тепловой нагрузки неизбежен застой циркуляции.
Следовательно, для надежной службы кронштейновых холодильников шахты в первый период после задувки печи необходим посторонний побудитель циркуляции. Таким побудителем может быть полезный напор в подъемном коллекторе от холодильников нижней зоны, для чего подъемный коллектор от холодильников шахты нужно соединить перемычкой с подъемным коллектором холодильников нижней зоны (как и при плитовых холодильниках в шахте).

5. При объединении холодильников верхней и нижней зон в отдельные вертикальные ряды (однозонная схема соединения) надежная и устойчивая циркуляция устанавливается в течение первой недели после задувки печи. Минимальное значение тепловой нагрузки на секцию холодильников доменной печи объемом 2000 м3 равно 280 тыс. ккал/ч, в то время как застойный режим циркуляции прекращается при тепловых нагрузках 60—80, а пульсационный режим исчезает уже при 250 тыс. ккал/ч (рис. 76). Таким образом, при одиозонной схеме соединения холодильников в рабочем диапазоне тепловых нагрузок (1100—3000 тыс. ккал/ч на секцию холодильников) циркуляционные расходы составляют 55—95 м3/ч, что соответствует скоростям движения воды в трубах холодильников нижней зоны в пределах 0,5—0,8 м/сек, а в трубах холодильников шахты — в пределах 0,12—0,2 м/сек.
Точка вскипания воды находится в районе холодильников заплечиков, а в холодильниках шахты наблюдается развитое движение пароводяной смеси, поэтому низкие приведенные скорости воды (0,12—0,2 м/сек) не могут привести к выпадению шлама. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности применения однозонной схемы соединения холодильников, при которой обеспечивается устойчивая циркуляция и надежность охлаждения с первых дней после задувки печи.

6. Нарушения циркуляции, связанные с неравномерным распределением тепловых нагрузок на параллельно включенные участки контура, могут быть определены в результате расчета циркуляции.

Однако интерес представляет также исследование этих нарушений на тепловых моделях. В модели, приспособленной для этих исследований, были предусмотрены стеклянные вставки, установленные на слабонагруженных рядах холодильников для визуальных наблюдений за циркуляцией. Тепловые нагрузки на вертикальные ряды холодильников взяты из натуральных замеров. Результаты опыта приведены на рис. 77, из которого следует, что при тепловой неравномерности порядка 0,25 (средняя тепловая нагрузка на ряд холодильников — 170, а минимальная 40 тыс. ккал/ч) наблюдается некоторое уменьшение циркуляционного расхода на ряд холодильников с низким значением тепловой нагрузки.
Однако застоя циркуляции и появления свободного уровня не наблюдается. В результате экспериментов можно сделать вывод, что свободный уровень появляется в том случае, если тепловая нагрузка на вертикальный ряд холодильников менее 3,2 тыс. ккал/ч. В реальных условиях минимальное значение тепловой нагрузки на вертикальный ряд холодильников применительно к доменной печи объемом 1033 м3 составляет 4 тыс. ккал/ч. Таким образом, хотя эти величины и больше предельного значения (3,2 тыс. ккал/ч), при котором появляется свободный уровень, все же запас прочности невелик и свободный уровень может появиться в слабонагруженныx рядах холодильников.

Однако при коллекторном объединении подъемных труб в трубу со свободным уровнем через коллектор сверху поступает вода, она идет не по полному сечению, смачивает часть периметра трубы и обеспечивает хороший отвод тепла от холодильника.

Таким образом, свободный уровень, если даже и возникает, то не сможет нарушить нормальное охлаждение холодильников при коллекторной схеме их соединения.

Вероятность появления свободного уровня при однозонной схеме соединения холодильников исключается, так как в них минимальная величина тепловой нагрузки на вертикальный ряд холодильников составляет около 30 тыс. ккал/ч.

Результаты исследования циркуляции на моделях установок испарительного охлаждения клапанов воздухонагревателей

Результаты исследования циркуляции на модели приведены на графиках (рис. 78) и в табл. 40, 41.
По результатам анализа представленного материала можно сделать следующие выводы.

1. В результате испарительного охлаждения клапанов воздухонагревателей доменной печи при нормальной температуре дутья (900° С и выше) обеспечивается надежная устойчивая циркуляция.

Распределение величин циркуляционных расходов по отдельным деталям клапана горячего дутья и газовой горелки при работе воздухонагревателя на дутье и нагревe приведено в табл. 40 и 41. Средняя кратность циркуляции для клапана горячего дутья равна 30 кг/кг, и для клапана газовой горелки 75 кг/кг, что должно обеспечить хорошее охлаждение. Вода вскипает внутри деталей клапана горячего дутья (в языках и кольцах), в деталях клапана газовой горелки вода не кипит.

2. В период задувки доменной печи постепенно наращивается температура горячего дутья. Соответствующее этому периоду работы распределение циркуляционных расходов по деталям клапана горячего дутья приведено на графике (см. рис. 78).
Устойчивая циркуляция в системе испарительного охлаждения устанавливается при повышении температуры горячего дутья свыше 500° С, при более низких температурах циркуляция носит пульсационный характер. Однако пульсационный режим циркуляции при температурах до 500—520° С безопасен, так как период выброса воды из деталей длится не более 15—25 сек. За этот период времени температура стенок деталей может повышаться не более чем на 15 град.

Из предосторожности для получения хорошей циркуляции сразу после пуска печи можно подключать компрессорный воздух к подъемному коллектору. При подаче в подъемный коллектор воздуха и температурах дутья ниже 520° С обеспечивается устойчивая циркуляция. Компрессорный воздух следует отключать при достаточном разогреве воздухонагревателя.

3. При эксплуатации установки испарительного охлаждения может возникнуть необходимость отключения ряда клапанов от системы испарительного охлаждения и перевода их на водяное охлаждение. При отключении одного или двух клапанов газовых горелок циркуляция в клапанах горячего дутья усиливается на 6—7%. При отключении одного клапана горячего дутья циркуляционный расход уменьшается на 30% и циркуляция делается неустойчивой. При отключении двух клапанов горячего дутья циркуляция прекращается.

Таким образом, при ремонтах установок нельзя одновременно отключать два клапана горячего дутья.

Исследования циркуляции в промышленных условиях

Изменение циркуляции в холодильниках шахты доменной печи объемом 1719 м3 при двухзонной схеме соединения холодильников представлено на диаграмме рис. 79. Эта диаграмма составлена по результатам многочисленных проведенных в течение кампании печи замеров циркуляционных расходов и тепловых нагрузок. На этой диаграмме показаны четыре характерных периода.

Первый период соответствует диапазону тепловых нагрузок 0—120 тыс. ккал/ч. Циркуляции в этот период не происходит. Наблюдается периодическое вскипание воды и выбросы пароводяной смеси из холодильников. Период между вскипанием зависит от величины тепловой нагрузки и колеблется в пределах от часа до нескольких минут.
Второй период соответствует диапазону тепловых нагрузок 120 280 тыс. ккал/ч. Циркуляция в этот период носит пульсационный характер. В начале периода, когда тепловые нагрузки малы, пульсации велики по амплитуде. С ростом тепловой нагрузки пульсации сокращаются, а среднее значение циркуляционного расхода увеличивается.

Третий период соответствует диапазону тепловых нагрузок 280—1100 тыс. ккал/ч. В этот период амплитуда пульсаций циркуляционного расхода не велика — не превышает 10—15% средней величины циркуляционного расхода. Средняя величина циркуляционного расхода к концу периода достигает максимума (50 м3/ч).

Четвертый период начинается с тепловой нагрузки 1100 тыс. ккал/ч. С увеличением тепловой нагрузки средняя величина циркуляционного расхода начинает уменьшаться.

Перегиб на кривой G=f(Q) объясняется тем, что на циркуляционный расход оказывают противоположное влияние два фактора:

а) паросодержание, увеличение которого с возрастанием тепловой нагрузки способствует увеличению циркуляционного расхода;

б) гидравлическое сопротивление, увеличение которого с возрастанием тепловой нагрузки уменьшает величину циркуляционного расхода.

При тепловых нагрузках, меньших 1100 тыс. ккал/ч, превалирует первый фактор; при больших тепловых нагрузках преобладает второй фактор.

Диаметры подъемных труб в установках подобраны таким образом, что при самом большом значении тепловой нагрузки пропускная способность подъемного тракта оказывается достаточной для хорошей циркуляции, обеспечивающей надежное охлаждение.
На рис. 80, а показан момент максимального перекоса тепловых нагрузок на холодильники при разгоревшейся кладке шахты. Из него следует, что даже при больших тепловых перекосах (qмин/qср = 0,27) циркуляция во всех рядах холодильников шахты остается достаточно надежной. При этом величина циркуляционного расхода в слабо нагружаемых рядах холодильников уменьшается до 4 м3/ч, что соответствует скорости воды порядка 0,2 м/сек.

Когда кладка шахты изношена не полностью, возможны еще большие перекосы тепловых нагрузок. Подобный случай теплового перекоса приведен на рис. 80, б. По нему видно, что отрицательное значение циркуляционного расхода в слабонагруженном ряду холодильников возникает при тепловых нагрузках па вертикальный ряд холодильников шахты 7 тыс. ккал/ч. При этом в верхней части подъемных труб от данного ряда холодильников образуется свободный уровень.

Два последних примера (см. рис. 80) относятся к холодильникам шахты при двухзонной схеме их соединения.

При однозонной схеме соединения тепловые перекосы резко снижаются, что исключает возможность образования свободных уровней.

При однозонной схеме хорошая циркуляция устанавливается сразу после задувки печи, когда уже обрушивляется кладка напильником. Пример пуска однозонной системы испарительного охлаждения приведен на рис. 81. На данного графика следует, что циркуляция устанавливается в течении нескольких часов.

Общие выводы по исследованию циркуляции

Комплекс исследований циркуляции, проведенный на моделях и промышленных условиях, доказал надежность естественной циркуляции в установках испарительного охлаждения холодильников и клапанов воздухонагревателей. Это позволяет внедрять установки с естественной циркуляцией.

Исследования циркуляции позволили сделать выбор наиболее рациональных схем соединения элементов, при которых исключаются нарушения циркуляции — застой, режим свободных уровней. Такой схемой для холодильников печи является однозонная, при которой все холодильники объединяют в вертикальные ряды и разбивают на секции от 6 до 2 на одну печь.
Наиболее рациональная схема коммуникаций испарительного охлаждения клапанов воздухонагревателей приведена выше.

Заслуживает внимания очень хорошее совпадение величин циркуляционных расходов, получаемых на моделях и в производственных условиях, что позволяет рекомендовать метод модельных испытаний для практического применения.





Яндекс.Метрика