В нашей стране стекольная промышленность за последние 20−30 лет развивалась темпами, значительно уступающими темпам роста других отраслей химической промышленности. Первые работы, посвященные электрическим стекловаренным печам, появились в середине 40-х годов. Развитие пламенных печей, широкое использование жидкого топлива, а, впоследствии и природного газа, существенно ослабило интерес к электрическим печам, ограничив их использование областями малых высококачественных стёкол, оптических, технических, и пр. Теперь, в наше время встаёт вопрос о повышении эффективности стекловаренных печей, об оптимизации всей производственной схемы. Энергоресурсы дорожают, и изменений в ближайшее время не предвидится, а нефти становится всё меньше. Поэтому, наряду с природным газом, электричество является одним из наиболее перспективных энергоресурсов для стекольной промышленности. КПД пламенных печей низок из-за косвенного, опосредованного нагрева расплава, из-за больших потерь тепла с дымовыми газами. Использование электрических печей в нашей стране ограничено, прежде всего, отсутствием твёрдых знаний о внутренних процессах, свойственных именно электрическим печам. Химию стеклообразования мы знаем довольно точно, условия теплообмена можем рассчитать, однако гидродинамику, перемешивание при помощи естественной конвекции пока мало кто принимает во внимание. За границей подобные работы уже в самом разгаре, а у нас таких работ очень мало, тем более сейчас. Кроме некоторой личной заинтересованности в успехе данной работы, автором владела и мысль о продвижении науки вперёд, как это не высокопарно звучит. Таких больших, полностью электрических печей в нашей стране больше нет. Данная печь — единственная, после того, как в Алтайском крае завод остановился. Однако, производительность этой печи — 30 тонн/суткиявляется невысокой по сравнению с пламенными печами. Сам принцип проектирования электрических печей достался нам по наследству от пламенных, потому на вопрос о причине выбора именно таких геометрических характеристик печи ответа зачастую не дают. В прошлых кампаниях печь работала около 8−10 месяцев, в то время как пламенные печи работают несколько лет. Напрашивается вывод о необходимости усовершенствования технологического режима работы агрегата.
Актуальность данной работы определяется возможностью получить агрегат, имеющий возможность производить стекло заведомо лучшего качества, чем пламенные печи, причём имеющий возможность работать более эффективно, с точки зрения потребления энергии.
Подобные работы в широком объёме проводились для пламенных печей, однако принципиальное отличие в способе нагрева не даёт возможность использовать эти данные в электрических печах. С точки зрения науки, данная работа, на взгляд автора, даёт возможность ещё немного углубить наши познания в области течения вязких расплавов, коим является расплав стекломассы, и даёт возможность другим авторам пройти несколько дальше и глубже в понимании основ процесса стекловарения для совершенствования имеющихся технологий до мирового уровня. Повторюсь, в Голландии, Германии, Чехии, США подобные исследования ведутся, однако в нашей стране теперь предпочитают не развивать собственные технологии, а закупать западные.
Как уже сказано выше, дальновиднее было бы не импортировать продукцию, а импортировать технологии, и далее, не импортировать технологии, а создавать собственные, независимо от других стран. Быстрый способ обогащения не всегда самый верный — любой процесс надо рассматривать во времени. А кроме потребления существуют ещё и другие занятия, например, созидание.
В данной работе мы будем рассматривать стекловаренную печь, как химический реактор, в котором создаются определённые условия для протекания химических и фазовых превращений. Особенностью такого реактора является интенсивный точечный подвод энергии, осуществляемый через отдельные электроды.
Поэтому, при изучении процессов в стекловаренной печи, необходимо определить структуру потока, распределение температур, и, как следствие, результат протекания в таком реакторе фазовых и химических превращений исходного сырья (песок, сода, известь) в продукты реакции.
Какие выводы могут следовать из этого опыта? Во-первых — подобное распределение мощности по рядам является функцией не только вылета электродов, но зависит и от других параметров — тепловая обстановка в бассейне, геометрия, наличие посторонних предметов.
Заводская печь имеет в нижней своей части изоляцию, покрывающую межэлектродные брусья от дна почти до нижнего уровня электродов. Возможно, наличие изоляции обуславливает более высокую температуру в нижней части бассейна, что и даёт такие распределения мощностей. Ведь на модели и не удавалось достичь более высокого значения мощности нижнего ряда по сравнению со средним, из-за соответствующего распределения температур — нижняя часть сильнее остывает. Возможно, в комплексе с обломом ряда электродов, подобное распределение мощности и достижимо.
Попробуем суммировать вышесказанное и в конце главы сделать основные выводы:
• Изменение вылета электродов в сторону увеличения влияет на тепловую обстановку внутри печи, увеличивая степень однородности температурного распределения. Уменьшение вылета электродов ведёт к уменьшению однородности распределения температуры по бассейну, причём сильнее всего реагирует на это именно верхний, поверхностный слой.
• Изменение высоты порога в диапазоне высот порога от 10 до 30 мм (в данных температурных условиях) не влияет на характер распределения мощности по рядам.
• Распределение мощности по рядам является функцией не только вылета электродов или их нагрузки, но зависит и от других параметровтепловая обстановка в бассейне, геометрия, наличие посторонних предметов.
3.3 Конструктивные параметры печи.
В данной части работы также рассмотрены взаимные влияния поля температур на структуру потока, а также влияние конструктивных параметров (порог перед протоком) на распределение температур и на структуру потока в бассейне. Можно разделить эту часть на исследование поля температур, и на исследования структуры потока (гидродинамики) внутри бассейна, а также основные выводы о связи поля температур и структуры потока внутри бассейна.
В ходе исследований были получены данные о распределении температур в бассейне модели при различных условиях. Так как объём данных полученных в этих опытах не позволяет представить его полностью на страницах этой работы, то приведём сводную таблицу (см. приложение) и график распределения температуры по глубине.
По оси абсцисс указана глубина модели, по оси ординат указана температура. Для удобства можно показать изменение температуры по глубине и поменяв оси графика, но, в целом, это не меняет картины. На данном графике собраны данные по термопарам (Т1-Т7), установленным в среднем продольном сечении по длине модели. Данный график не даёт представления о распределении температур по продольному сечению, для понимания всего «семейства кривых» необходимо к каждому такому графику представить пояснительную записку с указанием мест ввода термопар.
-&diams—то -«-Т1 Т2 ТЗ —Ж—T4 —•— Т5 -Ж-Т6 -T7.
Рис. 3.9. Усредненное распределение температур по глубине бассейна.
Как видно, использование таких графиков не вполне удобно, особенно, если надо представить распределение температур не только по глубине, но и по длине модели. В связи с этим, было предложено использовать другой способ представления данных, основанный на понятии изотерм. По оси абсцисс отложена длина модели, по оси ординат высота в мм. Температуры указаны как линии изотерм — линии равной температуры. На рис 3.10. — 3.12. показаны примеры изотерм центрального продольного сечения для моделей с разной высотой порога.
И-90 -«-И-91—И-93 К И-95 Ж И-96 И-97 -Н—И-98 -И-100 -ПоверхностьПорог 20 мм.
— И-90 —И-91 И-93 -*-И-95-Поверхность -•-И-96 -«-И-96-Порог 10 мм.
Рис. 3.11. Изотермы порог 2.
Рис. 3.10. Изотермы порог 1 без средних электродов.
300 200.
Длина модели, мм.
Длина модели, мм.
300 200.
Длина модели, мм.
— И-90 —И-91.
И-93 X И-95.
Поверхность.
И-97.
И-97 —порог 30 мм.
Рис. 3.12. Изотермы порог 3.
Рис ЗЛО. — 3.12. Изотермы по длине модели при различной высоте порога. Порог 1 — высота 10 мм, порог 2 — высота 20 мм, порог 3 — высота 30 мм.
Также для случая с порогом 1 были построены изотермы по усреднённым значениям температур для каждой точки. Всего было использовано 4 измерения температуры по глубине бассейна в центральном продольном сечении модели. В легенде {спискеусловных обозначений — Excel) для каждого графика указаны обозначения линий изотерм, где число указывает на значение температуры, например И-90 означает линию постоянной температуры, равной 90° С.
300 200.
Длина модели, мм.
-&diams—И-90 —И-91—И-93 -Х-И-95 Ж И-96 -•-И-97 -порогЮ мм.
Рис. 3.13. Изотермы для порога 1. Статитстика.
Распределение температур для высоты порога 10 мм, построенные по усреднённым значениям температур
Кроме того, термопары устанавливались не только по центральному сечению модели. Термопары устанавливались в нескольких сечениях, соответственно, получено распределение температур по объёму модели. п г 120.
300 200.
Длина модели, мм.
И-90 -•—И-91—И-93-*-И-95 Ж И-96 • И-97 —(—И-98-И-99-И-100—И-101 -Порог 10 мм.
Рис. 3.14. Изотермы по продольному сечению 3.
Очевидно, графики распределения температур по глубине для этого не подойдут — слишком много кривых на графике — не представительно. Одним из решений этой задачи может стать построение изотерм для отдельных продольных и поперечных сечений. Так, распределение температур по всему объёму можно представить в виде 9-ти семейств изотерм, построенных для разных сечений.
0 I I I I I I I I I I I.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200.
Ширина, мм.
И-90 —И-91—И-93 j* И-95 -Ж-И-96 -«-И-97 —Н-И-98-И-99 —И-100 -«~И-101 -Поверхность.
Рис. 3.15. Изотермы для поперечного сечения 5.
Для экономии места здесь представлено лишь 2 рисунка — продольное и поперечное сечения. Остальные графики, равно как и представленные ранее, указаны в приложении в большем масштабе для удобства использования. Во всех случаях по оси абсцисс и по оси ординат отложены линейные размеры модели в мм, для сечений по ширине — длина и высота, для сечений по длине — ширина и высота соответственно.
Следует отметить, что в поперечных сечениях температура вблизи стен не измерялась, и мы можем говорить о температурах только внутри измеряемой области, распределение температур вблизи стен нам не известно. Это утверждение относится лишь к поперечным сечениям, в то время как для продольных сечений распределение температур у стен известно, т.к. температуры у стен замерялись.
Кроме того, были предприняты попытки представить распределение температур более явно, так сказать, визуализировать, — «чтобы всё видно было.».
В принципе, для визуального представления этот способ, конечно удобен, однако, при попытках претворения его в жизнь автор столкнулся с некоторыми затруднениями технического характера. К тому же, при более пристальном рассмотрении данного способы представления данных стало очевидным, что в дальнейшей работе он сводится всё к тем же профилям температур по сечениям — изотермам, однако возможен произвольный выбор сечения, и пр.
Рис. 3.16. Распределение температур по объёму модели в первом, линейном приближении.
Разными цветами показаны различные поверхности равной температуры. График построен с применением простой линейной интерполяции, поэтому поверхности изотерм не замкнуты, а линии, соединяющие отдельные точки, прямые.
В принципе, мы видим картину распределения температуры по глубине модели, соответствующую картине распределения температуры в пламенных стекловаренных печах, представленной в литературе. При изменении высоты порога, для высоты порога более 20 мм, мы наблюдаем разделение бассейна модели на две тепловые зоны по длине печи (порог словно «поджимает» конвективные потоки и формирует иную картину распределения температуры). Кроме того, представленные данные позволяют сказать о том, что печь разделена ещё и в продольном направлении на две части. Таким образом, при использовании низкого порога мы имеем две тепловые зоны, условно симметричные относительно плоскости, проходящей через центральную продольную ось печи. При увеличении высоты порога, бассейн разделяется уже на четыре части вертикальными плоскостями, проходящими через центральные продольную и поперечную оси печи.
При рассмотрении рисунков 3.10 — 3.16 видно, что наиболее нагретые участки поверхности находятся ближе к стенам модели, центральная же часть сравнительно меньше нагрета, максимум температур по поверхности приходится на область вблизи проточной торцевой стены, ближе к стенам печи (рис 3.16.).
При анализе результатов опытов получены следующие выводы:
• В течение всей серии опытов отмечено разделение модели по центральному продольному сечению на две части (имеется в виду тепловая картина).
• Увеличение высоты порога изменяет распределение температур по глубине бассейна и приводит к смещению температурного максимума ближе к поверхности модели в сторону проточной торцевой стены.
• На самой проточной стене наблюдается сильный градиент температуры по высоте, и в целом, область над порогом, от проточной стены до порога более нагрета, чем остальной бассейн.
• Проточная торцевая стена в верхней части сильно нагрета по сравнению с боковыми стенами, больше всего нагрета область на глубине от 20 до 40 мм от поверхности, что обуславливается характером гидродинамической обстановки в модели.
Далее идёт рассмотрение собственно гидродинамики — структуры потока, поля скоростей внутри бассейна. При этом рассматриваются связи между температурным полем, полем скоростей и распределением тепловыделения при изменении вылета и фазировки отдельных электродов.
Выходит, в данной части автор собирает все полученные данные, и предпринимает попытку рассмотреть их совокупность, чтобы уловить основные закономерности, присущие данному химическому реакторустекловаренной печи сопротивления.
Прежде всего, необходимо разделить проводимые опыты, классифицировать их, для удобства дальнейшего анализа результатов. Итак, по способу ввода индикатора опыты делились на:
• Опыты с непосредственным вводом индикатора в бассейн тонким столбиком окрашенной жидкости от дна модели и до самой поверхности загрузочного холодильника.
• Опыты с вводом индикатора на «поверхность» модельной жидкости — в отверстия загрузочного холодильника.
Для опытов с непосредственным вводом индикатора целью является определение гидродинамической обстановки внутри модели при базовом режиме. Поэтому существенными деталями являются точность ввода столбика, его вертикальное положение, прогрев всего столбика индикатора для устранения погрешностей определения скорости, возникающих из-за разной температуры индикатора и модельной жидкости, и вклада разности плотностей жидкостей с разной температурой. Для опытов с вводом индикатора на поверхность важен путь окрашенного объёма внутри модели, эти опыты имитируют загрузку помеченных сырьевых материалов. Целью таких опытов являлось определение возможности «проскока» не прореагировавшей шихты в выработочный канал, условия возникновения «проскока», распределение помеченного материала внутри бассейна или по поверхности.
Также, как и в опытах с измерением температуры, скорость измерялась при различной высоте порога, для определения влияния высоты порога на гидродинамическую обстановку в печи. Кроме этого, проводились опыты без загрузочного холодильника, как имитация аварийного режима. Результаты этих опытом представлены в приложении. Ниже приведены некоторые выводы и обобщения по результатам серии опытов измерения скоростей.
Анализируя полученный материал, можно отметить, что во время опытов не было собрано достаточно достоверных данных для полного описания распределения скоростей в объёме модели, что явилось следствием вышеупомянутых недостатков самого метода измерений. Соответственно, разговор дальше пойдёт преимущественно о центральном продольном сечении, как о наиболее изученном сечении модели, как по гидродинамическим данным, так и по температурному распределению. Однако стоит отметить, что при исследовании скоростей и температур вблизи стенки было показано (см. приложение), что для областей потока, лежащих на расстоянии, большем, чем 5 мм от боковой стенки распределение скоростей подобно распределению скоростей в центральном продольном сечении модели, меняются лишь абсолютные значения скоростей. Поэтому, для области, лежащей на указанном расстоянии от боковых стенок полученные результаты справедливы с поправкой на изменение абсолютных значений скоростей.
Итак, на рисунке 3.17. представлено распределение скоростей по центральному продольному сечению модели. (Высота порога — 10 мм. Базовый режим. Указаны лишь направления движения потоков без указания значений скоростей).
Центральное продольное сечение модели. Вылет электродов 60 мм.
Рис. 3.17. Направления движения потоков в продольном сечении модели.
Точками на рисунке отмечены электроды. Выработочная часть находится слева. Загрузка равномерная, вылет 60 мм.
Можно отметить также, что направление движения по ширине модели на расстояниях от боковых стен более 5 мм менялось мало, и центральное продольное сечение можно считать определяющим для всей центральной области модели в плане скоростей. Однако на области вблизи стен это утверждение не распространяется.
Для некоторого упорядочивания полученного материала внутри бассейна модели были произвольным образом выбраны некоторые точки, для которых вычислялось значение скоростей потоков жидкости. На данном этапе эти точки нельзя считать ключевыми, или определяющими что бы то ни было, однако, думается, впоследствии некоторые из них могут быть использованы для определения базового режима. На рисунке 3.18. эти точки нанесены на профиль скоростей по продольному сечению для того, чтобы принцип, по которому выбирались эти точки, был более понятен.
Центральное продольное сечение модели. Вылет электродов 60 мм.
Рис. 3.18. Центральное продольное сечение модели с нанесёнными точками замера скорости.
В принципе, скорости можно замерить в любой точке сечения бассейна, однако, для того, чтобы определить наиболее значимые потоки внутри варочной части, их число было ограничено 21 точкой (в первом приближении). Ниже, в таблице 3.5. указаны координаты этих точек на плоскости продольного сечения относительно центра координат, коим был выбран правый нижний угол варочного бассейна (угол, ближайший к точке.
Q). Под длиной подразумевается расстояние от центра координат до точки по горизонтали, под высотой — по вертикали.
