DOI: https://doi.org/10.20535/2617-9741.2.2020.208052
Зображення обкладинки

Mоделювання процесу нестаціонарного теплообміну в футерівці обертових агрегатів

Валерій Юрійович Щербина, Денис Григорович Швачко

Анотація


Збільшення стійкості вогнетривкої футерівки обертових теплових агрегатах в є важливим заходом при підвищенні ефективності їх використання. В роботі виконаний розрахунок температурного режиму в футерівці заповненої матеріалом з використовується диференціального рівняння нестаціонарної теплопровідності. Числовий розрахунок здійснюється з використанням методу скінчених різниць по явній схемі. Для візуалізації і виведення графічної інформації використовуються програми на мові AutoLisp в середовищі AutoCAD. Рух матеріалу моделюється зміною значення коефіцієнту тепловіддачі до внутрішньої поверхні футерівки в місті його розташування, враховуючи його переміщення.

В процесі роботи обертової печі її футерівка витримує циклічну зміну температур. Так її внутрішня поверхня, при потраплянні під шар матеріалу, охолоджується до 1246 °С, в порівнянні з початковою 1465 °С.  При цьому інтенсивна зміна температур, особливо в поверхневих шарах футерівки сприяє виникненню найбільших градієнтів, що викликає значні термічні напруження і врешті може призвести до руйнування футерівки. Глибина шару проникнення змінної температури в футерівку, визначена по амплітуді коливань 0.01, знаходиться до глибини 70 мм, при загальній товщині футерівки 230 мм.

Результатом проведених досліджень є розробка математичної моделі, алгоритмів та програмного забезпечення для розрахунку і вивчення процесу нестаціонарного теплообміну в футерівці обертових агрегатів. Визначено еволюцію і розподіл температур та теплових потоків в футерівці. Отримані значення інтенсивності теплового потоку дозволяє характеризувати вплив технологічних параметрів роботи агрегату на температурний та тепловий режим футерівки та обертової печі в цілому.

Результати розрахунку також приведені в електронному додатку до статті у вигляді  відео файлів.


Ключові слова


обертова піч; тепловий потік; теплопередача; вогнетривка футерівка; температура; амплітуда

Повний текст:

PDF VIDEO

Посилання


Лисиенко В. Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М. Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 2 / Под ред. В. Г. Лисиенко. Москва, Теплотехник, 2004. 592 с.

Щербина В. Ю. Розвиток теорії та удосконалення технологічних процесів при виробництві будівельних матеріалів у високотемпературних агрегатах: диссертация ... доктора технических наук: 05.17.08 // Щербина Валерій Юрійович; Київ, 2017. 393 с.

Ходоров Е. И. Печи цементной промышленности. Москва, Изд.лит. по ст-ву, 1968. 453с.

Швачко Д. Г., Щербина В. Ю. Методика оперативного розрахунку теплового режиму в фасонному вогнетриві // Вісник НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського». Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. №1(18), 2019, с. 102-109. DOI: https://doi.org/10.20535/2617-9741.1.2019.171193.

Shcherbina V., Shvachko D., Borshchik S. Heat exchange simulation in energy zones of a rotarykiln with change of heat resistance of the body // Technology audit and production reserves №6/1(50), 2019, pp. 36-41. DOI: https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.189169.

Lanyue Zhang, Zhaochen Jiang, Fabian Weigler, Fabian Herz, Jochen Mellmann, Evangelos Tsotsas PTV measurement and DEM simulation of the particle motion in a flighted rotating drum // Powder Technology Volume 363, 1 March 2020, Pages 23-37, DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.12.035.

Fabian Herz, Eckehard Specht, Abdulkadir Abdelwahab, Modeling and Validation of the Siderite Decomposition in a Rotary Kiln, Energy Procedia,Volume 120,2017,Pages 524-531, DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.07.193.

Li, X. and Wang, T., (2005) Analysis of Energy Savings by Painting the Calcining Kiln Surface, ECCC Report 2005-06, Energy Conversion and Conservation Center, University of New Orleans, submitted to CII Carbon, LLC, June

Aainaa Izyan Nafsun, Fabian Herz, Eckehard Specht, Viktor Scherer & Siegmar Wirtz (2016) Heat Transfer Experiments in a Rotary Drum for a Variety of Granular Materials // Experimental Heat Transfer, 29:4, 520-535, DOI: https://doi.org/10.1080/08916152.2015.1036180 .

Щербина В. Ю., Швачко Д. Г., Ефименко Е. А. Дослідження напружено-деформованого стану обертового теплового агрегату Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. 2018. № 1. С. 65-71, DOI: https://doi.org/10.20535/2306-1626.1.2018.143382.

Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

Щербина В. Ю. Моделирование возможности образования сколов в огнеупорах футеровки вращающейся печи // Огнеупоры и техническая керамика. 2011, № 9, с. 26-30.

Sri Silvia Agustini, Andreas Queck & Eckehard Specht (2008) Modeling of the Regenerative Heat Flow of the Wall in Direct Fired Rotary Kilns, Heat Transfer Engineering, 29:1, 57-66, DOI: https://doi.org/10.1080/01457630701677171.

Xiao Yan Liua Eckehard Spechtb Temperature distribution within the moving bed of rotary kilns: Measurement and analysis // Process Intensification Volume 49, Issue 2, February 2010, Pages 147-150, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cep.2010.01.008.

Zexuan Zhang, Ting Wang. Investigation of Combustion and Thermal-Flow Inside a Petroleum Coke Rotary Calcining Kiln With Potential Energy Saving Considerations // J. Thermal Sci. Eng. Appl. Mar 2013, 5(1): 011008 (10 pages), DOI: https://doi.org/10.1115/1.4007914.

Zhao, L., and Wang, Т., 2009, "Investigation of Potential Benefits of Using Bricks of High Thermal Capacity and Conductivity in a Rotating Calcining Kiln," ASMEJ. Thermal Sci. Eng. Appl., 1 (1), p. 011009.10.1115/1.3192772, DOI: https://doi.org/10.1115/1.3192772.

Jochen, M., Eckehard, S., Xiaoyan L. (2004) Prediction of Rolling Bed Motion in Rotating Cylinders, AIChE Journal, 50, pp. 2783-2793, DOI: https://doi.org/10.1002/aic.10266 .

Herz, F.: Entwicklung eines mathematischen Modells zur Simulation thermischer Prozesse in Drehrohröfen. PhD Thesis University Magdeburg, Docupoint Verlag GmbH, Magdeburg, 2012 (ISB|n 978-386912-075-1).

Fabian Herz Prozess modellierung von direkt befeuerten Drehrohröfen zur Beurteilung der thermischen Belastung des Feuerfestmaterials // Keramische Zeitschrift volume 70, pages26–35(2018) DOI: https://doi.org/10.1007/s42410-018-0003-1.

Rayko Stanev, Iliyan Mitov, Eckehard Specht, Fabian Herz. Geometrical characteristics of the solid bed in a rotary kiln // Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 49, 1, 2014, 82-89, URL: https://dl.uctm.edu/journal/node/j2014-1/14-Raiko%20Stanev-82-89.pdf.

Dhanjal, S.K., Barr, P.V. & Watkinson, A.P. The rotary kiln: An investigation of bed heat transfer in the transverse plane. Metall and Materi Trans B 35, 1059–1070 (2004). DOI: https://doi.org/10.1007/s11663-004-0062-0.

F. Herz, I. Mitov, E. Specht & R. Stanev (2015) Influence of the Motion Behavior on the Contact Heat Transfer Between the Covered Wall and Solid Bed in Rotary Kilns, Experimental Heat Transfer, 28:2, 174-188, DOI: https://doi.org/10.1080/08916152.2013.854283.

A.I. Nafsunab, F.Herzae, E.Spechta, H.Komossac, S.Wirtzc, V.Schererc, X.Liud Thermal bed mixing in rotary drums for different operational parameters // Chemical Engineering Science Volume 160, 16 March 2017, Pages 346-353, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2016.11.005

A.I.Nafsun F.Herz Experiments on the temperature distribution in the solid bed of rotary drums // Applied Thermal Engineering Volume 103, 25 June 2016, Pages 1039-1047, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.04.128.

Wei-Ning Wu, Xiao-Yan Liu, Zhou Hu, Fabian Herz, Eckehard Specht. Measurement of the local material depth in a directly-heated pilot rotary kiln based on temperature fields // Powder Technology Volume 330, 1 May 2018, Pages 12-18, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.02.005.




ISSN: 2617-9741 (Print); ISSN: 2664-1763 (Online)