Украина
Нижегородская область, Россия
ГРНТИ 61.01 Общие вопросы химической технологии и химической промышленности
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
В ванных пламенных стекловаренных печах одним из основных факторов, который определяет длительность работы агрегата, является срок службы бокового ограждения варочного бассейна. Под воздействием высокотемпературного расплава, а также продуктов сгорания топлива, возникает процесс физико-химической коррозии материалов огнеупорных брусьев кладки бассейна печи. Чем выше уровень температур, тем быстрее происходит процесс раз-рушения кладки. Наиболее действенным методом снижения скорости данного процесса, является принудительное охлаждение наружной поверхности варочного бассейна в точке раздела трёх фаз, то есть на линии зеркала стекломассы, где соприкасаются все три среды, которые участвуют в процессе варки стекла – твёрдая (огнеупорный брус), жидкая (расплав стекло-массы), газообразная (продуты сгорания). На заключительном этапе работы печи, в результате такого охлаждения на внутренней поверхности огнеупорного бруса может образовываться гарниссаж – пристенный слой охлаждённой (относительно общего уровня) стекломассы. Наличие такого слоя резко снижает негативное воздействие расплава на ограждение, что способствует повышению срока службы печи в целом. Приведены результаты решения двумерной задачи нестационарной теплопроводности в ограждении стекловаренной печи при наличии воздушного охлаждения, многослойной изоляции с учётом пристенного охлаждённого слоя стекломассы. Выполнено сравнение полученных расчётных данных с данными экспериментальных исследований.
нестационарная теплопроводность, стекловаренная печь, пристенный слой стекломассы
Постановка задачи. Срок службы топливных стекловаренных печей ванного типа ограничивается, в основном, стойкостью огнеупоров варочного бассейна на уровне зеркала стекломассы и в районе протока. Стойкость огнеупорных материалов обусловлена скоростью их коррозионного износа, величина которого зависит от многих факторов, таких как сорт стекломассы, вид огнеупоров, температурный режим варки стека, зону расположения участка, и т.д. Высокий уровень температур, механическое, физико-химическое взаимодействие, а так же влияние агрессивных соединений и компонентов шихтовых материалов на элементы конструкции бассейна считают определяющими при определении скорости разрушения огнеупорных материалов [1–4]. Основной способ снижения скорости коррозии огнеупоров – снижение температуры огнеупоров, что достигается применением воздушного, водяного или испарительного охлаждения стеновых брусьев [2].
В этой связи актуальной задачей является продление срока службы огнеупоров при сохранении тепловой эффективности стеклоплавильного агрегата. Нами была разработана математическая модель, позволяющая определить распределение огнеупоров в различных зонах стеновых огнеупорных брусьев в двумерной постановке.
В данной работе, основываясь на изложенных в работах [5, 6] предпосылках, математическая модель процесса теплопереноса была уточнена путём учёта влияния слоя охлаждённой стекломассы, который образуется при соприкосновении расплава с внутренней поверхностью охлаждённых огнеупоров ограждения варочного бассейна.
Наличие такого слоя оказывает существенное влияние на формирование температурного поля огнеупора и тепловой изоляции варочного бассейна, что требует более точного учета его влияния на эксплуатационные параметры работы стекловаренной печи. [7–9].
При этом одной из наиболее важных задач, является выбор огнеупорного материала для варочного бассейна печи
Кроме того, существенное влияние на процесс варки стекломассы и длительность работы агрегата в целом, оказывает наличие системы охлаждения стекловаренной печи. В частности, нами учтено влияние принудительного воздушного охлаждения наружной поверхности огнеупорного бруса на линии зеркала стекломассы [10], как наиболее распространённого на производстве.
Нерешённая часть проблемы. В настоящее время отсутствуют многомерные математические модели, позволяющие определить температурное состояние огнеупорной кладки при наличии тепловой изоляции в сочетании с воздушным охлаждением стеновых брусьев варочного бассейна стекловаренных печей.
Цель работы – разработка математической модели с использованием метода конечных элементов для определения двумерного температурного поля в огнеупорных материалах ограждения, которая учитывает влияние охлаждённого пристенного слоя стекломассы и применение тепловой изоляции в сочетанием с принудительным воздушным охлаждением.
Изложение основного материала. Математическая постановка задачи связана с решением в общем виде нестационарной двумерной задачи теплопроводности, которая описывается уравнением
, (1)
где λ(t), с(t), ρ(t) – коэффициент теплопроводности, теплоёмкость и плотность материала, зависящие от температуры, соответственно.
На рисунке 1 представлены геометрические параметры модели для реализации предложенной методики [3].
В случае если геометрия, теплофизические характеристики материалов, начальные условия, определяющие температурное поле тела при τ = 0 известны, её необходимо дополнить граничными условиями, которые выделяют конкретную задачу из всего класса задач теплопроводности. Для решения поставленной задачи мы используем граничные условия первого рода:
, (2)
и третьего рода
, (3)
Нами составлена и реализована программа, с помощью которой осуществляется решение поставленной задачи методом конечных элементов. Тип элементов разбиения исследуемого объекта – равносторонний треугольник с длиной ребра 10 мм. Учёт влияния пристенного слоя стекломассы выполнялся путём деформации температурного поля шамота под воздействием изменяющихся теплофизических свойств стекломассы.
Рис. 1. Геометрические параметры расчётных моделей:
а – шамот, б – бакор 33: 1 – огнеупор; 2 – пристенный слой стекломассы; 3 – расплав стекла
Исходные данные, которые необходимы для решения данной задачи, приведены ниже в таблицах 1-3.
По результатам проведенных расчётов была определена величина удельной плотности теплового потока qp = 2960 Вт/м, через ограждения брусьев бассейна стекловаренной печи при естественном воздушном охлаждении.
По данным экспериментальных измерений температур в брусе [2], рассчитана величина удельной плотности теплового потока qэ =
2675 Вт/м2.
Найденная нами величина погрешности расчётных данных относительно экспериментальных [2] составляет 9,6 % и лежит в допустимом для практического использования интервале.
На основе рассмотренной модели, проведён расчёт температурного поля для плавленолитого огнеупорного материала бакор 33, получившего широкое применение в строительстве стекловаренных печей. Этот материал имеет более высокую стеклостойкость по сравнению с шамотом, что позволяет уменьшить толщину стенового бруса до 250–300 мм. Кривые распределения температур на рисунке 3, соответствуют геометрическим соотношениям, которые представлены ранее на рис. 1.
Установлено, что вследствие уменьшения толщины бруса и учитывая тот факт, что коэффициент теплопроводности бакора значительно выше по сравнению с шамотом (табл. 2), общее термическое сопротивление бруса уменьшается. Это приводит к резкому повышению температуры наружной поверхности стенки с 326 °С до 815 °С. В этом случае очевидной является необходимость снижения тепловых потерь, связанных с увеличением плотности теплового потока, проходящего через боковое ограждение ванны стекловаренной печи путём нанесения тепловой изоляции, которая позволяет уменьшить плотность теплового потока и уровень температур наружной поверхности бруса при использовании воздушного охлаждения.
Таблица 1
Исходные данные для расчёта
|
Наименование величины |
Параметры |
|
Материал кладки |
шамот; бакор 33 |
|
Толщина, мм |
400; 250 |
|
Температура воздуха, °С |
30 |
|
Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки к воздуху, Вт/(м2К) |
10 |
|
Температура на внутренней поверхности стенки, °С |
1300 |
|
Средняя температура стеновых брусьев в начальный момент времени, °С |
750 |
Таблица 2
Теплофизические свойства огнеупорных материалов боковых стен и теплоизоляции
|
Материал |
Плотность, кг/м3 |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К) |
|
Бакор 33 |
3500 |
4,07 + 0,2686∙10–3∙t |
|
Шамот |
1860 |
0,7 + 0,64∙10–3∙t |
|
Ячеистый фосфатный бетон |
950 |
0,348 + 10–4 t |
|
Шамотоволоконная плита |
|
|
|
ШВП–1150 |
375 |
0,130 + 10–4 t |
|
ШВП–1350 |
500 |
0,07 + 0,30∙10–3 t |
|
Перлиталь |
225 |
0,068 + 0,9∙10-4 |
|
Керамовермикулитовые плиты |
350 |
0,085 + 0,21∙10–3 t |
Таблица 3
Зависимость коэффициента теплопроводности PbO-содержащих стёкол от температуры [5]
|
Марка стекла |
Температура, °С |
||||||||
|
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
1400 |
1500 |
|
|
ЛФ–5 |
5,0 |
7,5 |
18,33 |
35 |
63,4 |
115 |
148,3 |
126,7 |
116,7 |
|
Ф–8 |
3,4 |
8 |
13,2 |
20 |
34 |
47,8 |
39,2 |
42,8 |
46,6 |
|
ТФ–1 |
3,4 |
8,2 |
13 |
20,4 |
34 |
44 |
39 |
27,3 |
15,5 |
Рис. 3. Расчётное распределение температуры в стеновом брусе выполненном из
шамота (–♦–) и бакора 33(–▲–)
Выводы. Разработана методика расчёта температурного состояния ограждения варочного бассейна стекловаренной печи с учетом наличия тепловой изоляции в сочетании с воздушным охлаждением наружной поверхности огнеупорной кладки.
Проведён сравнительный анализ величин удельных тепловых потоков полученных на основе расчётов по предложенной методике [3] и измеренных опытным путём. Величина рассчитанной погрешности составила 9,6 %, что позволяет сделать вывод о возможности использования данной модели для расчётов более сложных конфигураций боковых ограждений. Предложенная уточнённая модель, учитывающая характерные особенности работы огнеупорной кладки варочного бассейна стекловаренной печи может быть использована для решения задач выбора оптимального варианта многослойной тепловой изоляции в сочетании с принудительным воздушным охлаждением.
1. Козлов А.С. Теплотехника регенеративных стекловаренных печей. М.: Легпромбытиздат, 1990. 143 с.
2. Захариков Н.А. Теплообменные процессы в стекловаренных печах. Киев: Гостехиздат, 1962. 245 с.
3. Павловский В.К., Соболев Ю.С. Влияние состава силикатных стекол на стекло-устойчивость огнеупорных материалов. Исследования в области огнеупоров для стекло-варенных печей: Сб. науч. тр. М.: ГИС. 1984. С. 82-86.
4. Павловский В.К., Петров В.К. Взаимодействие огнеупоров с расплавом боросиликтаного стекла Стекло и керамика. 1990. № 10. С. 17-19.
5. Племянніков М.М., Крупа О.А. Хімія та теплофізика скла: Навчальний посібник. К.: НТУУ „КПІ”, 2000. 560 с.
6. Попов О.Н. О кинетике взаимодействия плавленолитых огнеупоров с расплавами промышленных стекол // Исследования в области огнеупоров для стекловаренных печей: Сб. науч. тр. М.: ГИС, 1984. С. 8-17.
7. Фервонер О., Берндт К. Огнеупорные материалы для стекловаренных печей.; Пер. с нем. О.Н. Попова; Под ред. А.С. Власова. М.: Стройиздат, 1984. 261 с.
8. Галдина Н.М., Чернина Л.Л. Электро-плавленные огнеупоры для стекловаренных печей. М.: Стройиздат, 1975. 182 с.
9. Бадан Г.О. О повышении срока службы стекловаренных печей // Стекло мира. 2002. № 4. С. 73 - 77.
10. Кошельник В.М., Хавин Е.В. Выбор рациональных конструкционных параметров соплового аппарата систем струйно-воздушного охлаждения бассейнов стеклова-ренных печей // Восточноевропейский журнал передовых технологий. 2006. № 2/2 (20). С. 94-97.
