11.05.2018

Тепловой режим работы холодильников при различном разгаре футеровки горна и лещади


Исходные данные

При установившемся тепловом режиме (прогреве кладки) теплообмен между рабочим пространством (жидким чугуном) и холодильниками характеризуется следующими уравнениями теплопередачи (рис. 153).
1. Количество тепла, отводимое холодильником с охлаждающей водой
2. Тепловое поле плитового холодильника с учетом его геометрических параметров определяется на основании решения двухмерного уравнения Лапласа
Расчетное уравнение имеет вид
3. Для огнеупорной кладки стен горна количество переносимой к холодильникам теплоты и существующее в кладке температурное поле описывает закон Фурье
или в упрощенном виде
Здесь q — плотность теплового потока, ккал/(м2*ч);

а — коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к охлаждающей воде, ккал/(м2*ч*град);

Тст. тр — температура стенки трубы, ° С;

Tв — температура охлаждающей воды, ° С;

T — температура холодильника в искомой точке, ° С;

Tхол — температура холодильника со стороны, примыкающей к кладке, ° С;

x,r — координаты искомой точки, м;

R0 — радиус охлаждающей трубки, м;

l — шаг охлаждающих трубок, м;

cos ф = х-а/r;

Лкл — коэффициент теплопроводности кладки, ккал/(м*ч*град);

bкл — толщина кладки, м;

Ткл — температура кладки со стороны жидкого чугуна, ° С;

tв — температура охлаждающей воды, °С;

Л — коэффициент теплопроводности чугуна, ккал/(м2*ч*град);

а — кратчайшее расстояние от центра трубки к наружной грани холодильника, м. Ниже рассмотрены два обособленных характерных значения тепловых потоков:

а) тепловые потоки, которые могут быть отведены той или иной системой охлаждения с учетом гидравлических особенностей;

б) тепловые потоки, которые возникают при различном состоянии огнеупорной кладки, вплоть до прямого контакта холодильников с жидким чугуном.

Тепловые потоки, свойственные гидравлическим особенностям системы охлаждения

Процесс переноса тепла от охлаждаемой стенки к воде может осуществляться только при наличии некоторой разности температур.

При низких тепловых нагрузках коэффициент теплоотдачи составляет ~ 1,2 тыс. ккал/(м2*ч*град) и отвод тепла осуществляется за счет незначительного нагрева охлаждающей среды.

Так, например, при плотности теплового потока 10 тыс. ккал/(м2*ч) нагрев охлаждающей воды при расходе ее 10 м3/ч составит всего 1°С, а перегрев стенки относительно воды будет равен
Столь малая величина нагрева охлаждающей воды, казалось бы, указывает на большие потенциальные возможности в части отвода тепла. Можно было бы считать, что указанным выше качеством воды 10 м3 с начальной температурой 30° С можно отвести тепло в количестве
не доводя воду до кипения, т. е. избегая нежелательного процесса из-за интенсивного отложения накипи на трубах.

Однако, как следует из теории теплообмена, количество тепла, отводимого с охлаждающей водой, зависит не столько от ее расхода, сколько от способности воспринимать это тепло, которое характеризуется коэффициентом теплоотдачи а.

При низких тепловых нагрузках и температурах стенки ниже температуры кипения воды коэффициент теплоотдачи практически не зависит от температуры стенки и его можно вычислить по следующей эмпирической формуле:
или в развернутом виде
Из формулы (83) следует, что а изменяется почти пропорционально скорости охлаждающей среды. Поэтому в действительности, ввиду того что коэффициент теплоотдачи для рассмотренного выше случая весьма невелик и при скорости воды 2 м/сек составляет — 5 тыс. ккал/(м2*ч*град); максимальное количество тепла, которое может быть отведено холодильником, например, площадью в 1 м2, будет равно
а при а = 1500 ккал/(м2*ч*град), соответствующему наличию слоя накипи толщиной всего 0,5 мм, qмакс =60 тыс. ккал/(м2*ч).

С повышением тепловой нагрузки процесс теплоотвода интенсифицируется.

Известно, что в случае, если Tст превышает Tк (температуру кипения жидкости), то, несмотря на общий недогрев жидкости до кипения, в пристеночном слое возникает местное кипение, существенно интенсифицирующее теплоотдачу.

В этом случае коэффициент теплоотдачи резко возрастает и в дальнейшем становится тем выше, чем больший тепловой поток отводится.

Экспериментальные исследования показали, что значительное увеличение теплоотвода наблюдается, когда Тст превышает Tк на 4,5—5 град.

Это означает, что уже при таком условии у стенки происходит интенсивное парообразование, которое становится тем большим, чем больше Тст—Тк.

Для случая течения жидкостей, догретых до кипения, т. е. Тст=Тк+5, ряд авторов на основании обобщения экспериментальных данных предлагает вычислять коэффициент теплоотдачи по следующей формуле (32):
где q — удельная тепловая нагрузка, ккал/(м2*ч);

w — скорость воды, м/сек;

р — давление, кгс/см2.

Сопоставляя это с определением коэффициента теплоотдачи, зависимость (84) можно разрешить относительно q через разность температур стенки и теплоносителя:
Отсюда для коэффициента теплоотдачи получаем
Сводя вместе формулы (85) и (86), можно принять следующую формулу для коэффициента теплоотдачи, пригодную для измерения температур и тепловых потоков в широком диапазоне:
где 0(х)0 — функция, равная нулю при х<0 и единице при х > 0.

Формулу (87) используем в дальнейшем в расчетах оплавления холодильников при подходе жидкого чугуна.

При больших тепловых нагрузках, как известно, существует два основных режима отвода тепла — пузырьковое и пленочное кипение.

Переход от одного режима кипения к другому происходит при определенных критических тепловых нагрузках qкр.

Значение qкр для каждых конкретных условий различно и определяется конфигурацией охлаждаемой стенки, ее расположением относительно потока охлаждающей жидкости, скоростью потока теплоносителя, его температурой и давлением, а также ориентацией стенки относительно направления силы тяжести.

Для случая подъемного движения теплоносителя около вертикальной охлаждаемой стенки данные большого числа экспериментальных работ по определению обобщены формулой Л.Ф. Глущенко, приведенной в и представленной в виде номограммы, представленной на рис. 154:
где w — скорость теплоносителя, м/сек;

r — удельная теплота парообразования, ккал/кг;

р' и р — соответственно плотности насыщенного пара и жидкости на линии насыщения, кг/м2;

сp — изобарная удельная теплоемкость теплоносителя, ккал/(кг*град);

АТнед — недогрев теплоносителя до температуры насыщения, град;

Л — коэффициент теплопроводности, ккал/(м*ч*град);

dp — расчетный диаметр трубы, м;

Tнаc — температура насыщения, °С.

Например, для случая испарительного охлаждения доменных печей при давлении в баке-сепараторе P = 0,3 ат в области горна и лещади будем иметь w = 0,5 м/сек, P = 3,5 ат, АТ = 44°С; при этом qкр = 4 млн. ккал/(м2*ч).
Холодильные плиты горна и лещади, работающие на водяном охлаждении, имеют залитые охлаждающие змеевики с опускным движением воды. В этом случае значения критических тепловых потоков резко уменьшаются. Формула, обобщающая результаты экспериментов для этого случая, предложенная У.М. Розеновым, имеет вид
Соответствующая номограмма изображена на рис. 155. В частности, для типичных условий водяного охлаждения доменных печей имеем w=2,5 м/сек, P=2 ат, AT=75°С. Величина qкр на участках с опускным движением воды составит 0,2 млн. ккал/(м2*ч). Кризис кипения возникает, если действующие тепловые потоки на поверхности трубок превзойдут вычисленные выше значения. Соответствующие им значения плотностей тепловых потоков, действующих на поверхности холодильников, определяются следующим образом.

Если принять внутренний диаметр трубок D=30 мм, то для случая испарительного охлаждения, где расстояние между трубками l=250 мм, плотности теплового потока q на поверхности трубок соответствует плотность теплового потока на поверхности холодильника q'. Она может быть найдена по формуле
Соответствующее значение для случая водяного охлаждения
Величины q'кр.п и q'кр.о необходимо учитывать при анализе работы системы охлаждения доменных печей. В частности, возникновение кризиса кипения может стать причиной выхода из строя системы охлаждения, что приведет к расплавлению холодильников и прорыву жидкого чугуна.

Выше указывалось, что уже при температуре стенки, превышающей температуру кипения воды, теплообмен происходит за счет парообразования в пристенной области.

Это обстоятельство играет существенную роль при анализе тепловой работы системы охлаждения. Например, важно иметь в виду, что при интенсивном парообразовании у стенки фактическое проходное сечение в этом месте уменьшается в связи с тем, что часть сечения перекрыта паром. Если движение пара в этом месте отстает от движения жидкости, то здесь может возникнуть большое гидравлическое сопротивление. Это характерно для случая опускного движения жидкости, в частности, для участков змеевиков холодильников водяного охлаждения доменных печей с опускным движением воды.

Поэтому при анализе работы холодильников водяного охлаждения доменных печей следует считать, что нормальное охлаждение возможно лишь до тех пор, пока выполняется неравенство
В противном случае произойдет запирание змеевика паровой пробкой и холодильники немедленно выйдут из строя.

Как будет показано в дальнейшем, условие (89) может нарушиться раньше наступления кризиса.

Поэтому при анализе работы водяного охлаждения следует принимать во внимание не только достижение величины qкр.в, но и соблюдение неравенства (92).

При испарительном охлаждении в силу отсутствия участков с опускным движением парообразование не только не мешает движению жидкости, но, наоборот, способствует ему, и поэтому для надежного охлаждения там достаточно выдерживать режим, при котором в области горна и лещади вода недогревается до кипения и соблюдается условие
На основании изложенного, в табл. 55 дана сравнительная характеристика охлаждающей способности систем водяного и испарительного охлаждения доменных печей с учетом гидравлических особенностей.

Прежде чем перейти к анализу влияния гидравлических особенностей системы охлаждения на процессы теплообмена, необходимо рассмотреть такое явление, как отложение на поверхности охлаждающих трубок накипи, что является одним из самых существенных недостатков системы водяного охлаждения.

Наличие в технической воде солей жесткости и загрязнений приводит к отложениям на охлаждающих трубках накипи и шлама, резко ухудшающих качество охлаждения (см. табл. 44).

Следует отметить, что, несмотря на относительно низкие тепловые напряжения на холодильники лещади в процессе кампании практически на всех печах в течение длительной работы холодильников на трубках обнаруживаются значительные отложения.

Вполне понятно, что при подходе даже небольших масс жидкого чугуна к холодильнику с отложениями солей жесткости, чугун беспрепятственно проплавит его; при этом температура охлаждающей воды просто не успеет измениться.

Анализ влияния гидравлических особенностей системы охлаждения на процесс теплоотвода позволяет сделать следующие выводы (табл. 55).
1. Охлаждающая способность холодильников на водяном и испарительном охлаждении характеризуется главным образом критическим тепловым потоком qкр, зависящим от конфигурации охлаждающих трубок.

Для испарительного охлаждения (восходящее движение охлаждающей среды) величина qкр составляет 1,5 млн. ккал/(м2*ч) для водяного охлаждения (опускное движение воды в змеевиках) 150 тыс. ккал/(м2*ч).

2. При наличии змеевиков с опускным движением воды доведение воды до вскипания недопустимо не только для обычной технической воды, но и для химически очищенной, так как даже при местном кипении в пристенном слое образующийся пар может вызвать запирание трубок (паровые пробки).

3. Теплообмен между стенкой трубок и охлаждающей водой при водяном охлаждении определяется не величиной недогрева, который безусловно больше при работе на водяном охлаждении, а коэффициентом теплоотдачи, который при условии работы без кипения не превышает 5—6 тыс. ккал/(м2*ч*град), что определяет действительную величину отводимого теплового потока не в 700, а в 198 тыс. ккал/ч; при этом вода будет нагреваться в холодильниках всего на 20 град [Аt = 198000: (10-1000) = 20°С], т. е. запас недогрева не может быть использован физически, без нарушения качества охлаждения.

4. При испарительном охлаждении за счет организации восходящего движения охлаждающей воды исключено ограничивающее действие вскипания; наоборот, процесс теплоотвода интенсифицируется в соответствии с ростом тепловых нагрузок, причем коэффициент теплоотдачи автоматически возрастает в десятки раз именно при развитом кипении, и лимитируется лишь условиями достаточно быстрого отвода образовавшегося пара из района перегрева.

Тепловой режим работы холодильников горна и лещади в зависимости от состояния огнеупорной кладки

Благодаря относительно большой толщине футеровки перед холодильными плитами лещади тепловой режим работы их практически стабилен. Тепловые потоки, воспринимаемые холодильниками, определяли систематическими замерами на ряде доменных печен в различные периоды их кампании.

В начальный период работы печи они составляют ~200—500 ккал/(м2*ч). Наибольшие значения плотности тепловых потоков не превышают в горне 12 тыс. ккал/(м2*ч) (см. табл. 5).

На рис. 156 для сопоставления дано распределение величин тепловых потоков в различных зонах доменной печи.
Обследование поставленных на ремонт доменных печей показало, что у плит горна, как правило, сохраняется футеровка с минимальной толщиной до 300—400 мм, что соответствует тепловым потокам до 15 тыс. ккал/ (м2*ч).

Дальнейший разгар кладки сопровождается резким ростом плотности тепловых потоков на холодильники горна и изменением их температурного режима работы (рис. 157). На этом же рисунке показана заштрихованной область наиболее часто встречающихся (по данным замеров) максимальных значений плотностей тепловых потоков, при которых фактически работают холодильники в процессе кампании.

На рис. 158 и 159 дано сравнение теплового поля кладки горна и лещади с точки зрения положения изотермы 600° С (начало разложения углерода блоков водяными парами) в зависимости от системы охлаждения.
Анализ приведенных данных позволяет сделать следующие выводы относительно тепловой работы системы охлаждения при наличии огнеупорной кладки.

1. При всех фактических тепловых нагрузках холодильники горна и лещади, независимо от вида охлаждения, работают в части отвода тепла значительно ниже потенциальных своих возможностей (см. рис. 164, точки А, В, С). При наличии хотя бы незначительного слоя кладки или набойки (b=20/100 мм) расплавление холодильников физически невозможно.

2. На испарительном охлаждении и на водяном без накипи прогар холодильника может произойти только в случае практически полного отсутствия кладки или набойки перед холодильником, т.е. при прямом контакте с чугуном (см. рис. 164, точки K и L).

3. При водяном охлаждении с накипью толщиной 3 мм температура поверхности холодильника достигает плавления при толщине оставшейся кладки (гарниссажа), равной 20 мм. При этом тепловое напряжение на холодильник составляет всего ~64 тыс. ккал/(м2*ч). Температура поверхности холодильников, работающих на водяном охлаждении без накипи или на испарительном, при таком тепловом напряжении составляет соответственно 310 и 380° С (см. рис. 157, точки Е и F).

5. При наличии накипи на трубках распределение температур в кладке при водяном охлаждении становится таким же, как при испарительном охлаждении уже при тепловых нагрузках порядка 6—8 тыс. ккал/(м2*ч).

6. На расположение изотермы 600° С плитовые холодильники оказывают существенное влияние. Так, при проектной толщине блоков, изотерма 600° C находится от холодильников на расстоянии до 397 мм, тогда как при отсутствии охлаждения зона возможного окисления углеродистых блоков практически примыкает к холодильникам. При толщине оставшейся кладки 300 мм изотерма 600° С находится на расстоянии 60—100 мм от холодильников, т. с. уже непосредственно в углеродистой набойке.

Вид охлаждения не влияет на положение изотермы 600° С. Разность толщины кладки при использовании испарительного и водяного без накипи охлаждения составляет 37 мм для сохранившейся кладки и 10 мм для толщины оставшейся кладки 300 мм.





Яндекс.Метрика