Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах
Разработаны основы технического решения и алгоритмические подходы для импульсного нагрева рабочего пространства в теплотехнических агрегатах, позволяющие достичь импульсности подвода теплоносителя на конкретных горелках без наложения волнообразной составляющей на общий расход среды. Розроблені основ...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60263 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах / А.Б. Бирюков, С.М. Сафьянц, Е.В. Новикова, А.Н. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 6. — С. 15-18. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860071175332298752 |
|---|---|
| author | Бирюков, А.Б. Сафьянц, С.М. Новикова, Е.В. Недбайло, А.Н. |
| author_facet | Бирюков, А.Б. Сафьянц, С.М. Новикова, Е.В. Недбайло, А.Н. |
| citation_txt | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах / А.Б. Бирюков, С.М. Сафьянц, Е.В. Новикова, А.Н. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 6. — С. 15-18. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Разработаны основы технического решения и алгоритмические подходы для импульсного нагрева рабочего пространства в теплотехнических агрегатах, позволяющие достичь импульсности подвода теплоносителя на конкретных горелках без наложения волнообразной составляющей на общий расход среды.
Розроблені основи технічного рішення і алгоритмічні підходи для імпульсного нагрівання робочого простору в теплотехнічних агрегатах, що дозволяють досягти імпульсності підведення теплоносія на конкретних пальниках без накладення хвильової складової на загальну витрату середовища.
Technical decision and algorithmic approaches for thermal aggregates impulse heating which allow wavy character of mediums supply on concrete torches creation without full flow rate oscillatory component are developed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:10:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №6 15
УДК 621.1
Бирюков А.Б.1, Сафьянц С.М.1, Новикова Е.В.1, Недбайло А.Н.2
1 Донецкий национальный технический университет
2 Институт технической теплофизики НАН Украины
ИМПУЛЬСНЫЙ НАГРЕВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА
В ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ
Разработаны основы техничес-
кого решения и алгоритмические
подходы для импульсного нагрева
рабочего пространства в теплотех-
нических агрегатах, позволяющие
достичь импульсности подвода теп-
лоносителя на конкретных горелках
без наложения волнообразной сос-
тавляющей на общий расход среды.
Розроблені основи технічного
рішення і алгоритмічні підходи
для імпульсного нагрівання робо-
чого простору в теплотехнічних
агрегатах, що дозволяють досягти
імпульсності підведення теплоно-
сія на конкретних пальниках без
накладення хвильової складової на
загальну витрату середовища.
Technical decision and algorithmic
approaches for thermal aggregates
impulse heating which allow wavy
character of mediums supply on concrete
torches creation without full flow rate
oscillatory component are developed.
А – относительная амплитуда колебания рас-
хода топлива;
Bg – расход топлива;
d – диаметр обтекаемого тела;
frac, int – операторы выделения дробной и це-
лой частей дробного числа соответственно;
l – количество горелок с повышенной подачей
топлива;
m – количество горелок с пониженной подачей
топлива;
n – общее количество горелок теплотехниче-
ского агрегата;
N – номер горелки;
w – скорость течения среды;
Nu – число Нуссельта;
Pr – число Прандтля;
Re – число Рейнольдса;
Sr – число Струхаля;
ν – частота колебаний;
Х – целое число, генерируемое генератором
случайных чисел;
τ – время;
Δτ – период колебания процесса или период
переключения расходов топлива между горел-
ками первой и второй очереди.
Индексы нижние:
max – максимальное значение величины;
min – минимальное значение величины;
общ – указатель на то, что берется общий рас-
ход газа;
ж – указание на то, что величина берется для
параметров среды в ядре потока;
ст – указание на то, что величина берется для
параметров среды у поверхности обтекаемого
тела;
i – индекс произвольной рассматриваемой
грелки или индекс момента времени.
Известно, что импульсные режимы подво-
да теплоносителя позволяют интенсифици-
ровать конвективный теплоперенос [1]. Так, в
работе [2] получено эмпирическое критериаль-
ное уравнение для описания конвективного
теплообмена при поперечном обтекании ци-
линдрических тел и импульсном характере те-
чения среды с косинусоидальным изменением
расхода
Nu = 0,494·Re0,6·Prж
0,36 ·(Prж/Prст)
0,25·(Sr)0,0971.
В строгом смысле, полученное уравнение
описывает конвективный теплообмен при ко-
синусоидальном изменении расхода среды для
конкретного пульсатора, использованного в ла-
бораторной установке (определенное соотно-
шение диаметров трубопровода и заслонки, от-
носительное расстояние от заслонки до среза
диффузора). Полученное уравнение справед-
ливо в диапазоне изменения числа Струхаля
Sr 0,017…0,068.
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №616
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Усиление конвективной составляющей теп-
лообмена на 20…30 %, зафиксированное в
экспериментах, является достаточно сущес-
твенным и позволяет, например, достичь при-
мерно такого же ускорения нагрева в низко-
температурных печах или аналогичное уско-
рение воздушного охлаждения в печах. Что
касается нагрева материалов в высокотемпе-
ратурных печах, указанный уровень усиления
конвективного теплообмена приведет к незна-
чительному увеличению итогового теплообмена.
Для успешной реализации импульсного
нагрева рабочего пространства в конкретных
теплотехнологических агрегатах необходима
разработка конструкций пульсаторов и соот-
ветствующих алгоритмов управления ими для
систем АСУ ТП. При этом в качестве важного
требования к таким технологиям зачастую вы-
двигается условие отсутствия колебательной
составляющей общего расхода теплоносителей
и достижения импульсности за счет периоди-
ческого перераспределения расходов топлива
между горелками. При таком подходе создают-
ся нормальные условия эксплуатации нагнета-
теля, подающего воздух, и благоприятный ре-
жим давления в газовой сети.
В основе решения практической задачи соз-
дания импульсных горелок лежит использова-
ние вращающихся заслонок, либо дроссельных
клапанов (рис. 1) в каналах подачи топлива и
окислителя. При этом важно синхронизиро-
ванное управление устройствами, создающими
пульсацию, учитывающее их гидравлические
характеристики, при котором гарантированно
не нарушалось бы заданное соотношение газ/
воздух. Пример зависимости коэффициента со-
противления круглой заслонки, вращающейся
в полости подводящего трубопровода, от угла
поворота заслонки при соотношении площа-
дей поперечного сечения трубопровода и пло-
щади заслонки 100/75 приведен на рис. 2.
Примером решения задачи создания им-
пульсности при отсутствии колебательной со-
ставляющей общего расхода теплоносителей
может служить схема, предложенная на рис. 3.
Ее сущность заключается в том, что боковые
горелки камеры печи поделены на две группы
(первая и вторая очередь).
Рис. 1. Дроссельный клапан в каналах
подачи воздуха и топлива для реализации
импульсного закона подачи сред.
Рис. 2. Зависимость коэффициента
местного сопротивления круглой заслонки,
вращающейся в полости подводящего
трубопровода, от угла поворота заслонки
при соотношении площадей 100/75.
α
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
Рис. 3. Схема импульсной работы боковых
горелок камеры печи периодического
действия или отапливаемой зоны печи
непрерывного действия (1 – горелки первой
очереди, 2 – горелки второй очереди).
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №6 17
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Предложено встречное расположение горе-
лок первой и второй очереди. Закон изменения
расхода топлива на горелки приведен ниже:
горелка 1-ой очереди
горелка 2-ой очереди
Анализ предложенного закона изменения
расхода топлива на горелки показывает, что
при полном количестве горелок равном n, оди-
наковом количестве горелок первой и второй
очереди (n/2 соответственно), общий расход то-
плива равен n Bgi.
Подобный подход можно применить к на-
греву рабочего пространства любых агрега-
тов, имеющих четное число горелок. Напри-
мер, для проходных методических печей. Для
трехзонной печи подача топлива, как правило,
реализуется при помощи шести горелок: две в
томильной зоне, две в верхней сварочной зоне,
две в нижней сварочной зоне. Распределив две
горелки каждой зоны между очередями подачи
топлива, можем использовать выше приведен-
ный закон распределения подачи топлива.
В общем случае можно рассмотреть такую
схему нагрева пространства в агрегатах, при
которой вопрос нагрузки горелок решается с
использованием генератора случайных чисел.
Пусть общее число горелок n = m + l. В каж-
дый момент времени l горелок выдают повы-
шенный расход топлива, а m горелок понижен-
ный расход топлива (это может быть мини-
мальное значение, устойчиво выдаваемое кон-
кретной конструкцией горелки).
Горелки, которые войдут в группу с по-
вышенной подачей топлива l, определяют-
ся при помощи генератора случайных чисел.
На остальные горелки подается пониженный
расход топлива. Вопрос деления горелок на
группы с повышенной и пониженной подача-
ми топлива пересматривается через каждые
Δτ секунд. Если обозначить минимальный
расход топлива на одну горелку как Bgmin, то
расход топлива на каждую горелку с усилен-
ной подачей топлива будет определен как
Bgmax = (Bgобщ – m·Bgmin)/l.
Таким образом, имеем следующий алго-
ритм управления работой горелок. Всего гене-
рируется l чисел, 1-ое из диапазона от одного
до n, 2-ое – из того же диапазона за вычетом
уже выбранной горелки повышенной подачи
топлива и т.д. Таким образом, l-ым по счету
генерируется целое число из диапазона еще
не выбранных на l-1 предыдущих генерациях
номеров. Поскольку результаты закрепления
горелок повышенной подачи топлива действу-
ют в течение периода времени Δτ, то целе-
сообразно в течение времени действия кон-
кретного набора горелок производить опреде-
ление номеров, которые будут работать с уве-
личенной подачей топлива в течение следую-
щего периода продолжительностью Δτ:
для і-той горелки
где Nгор – номер горелки;
Х iг.с.ч. – целое число, генерируемое генератором
случайных чисел.
Пример работы алгоритма, использующе-
го генератор случайных чисел, приведен на
рис. 4. В рассмотренном примере теплотех-
нологический агрегат имеет восемь горелок,
для которых показан пример возможного рас-
пределения теплоносителя для трех моментов
времени (повышенным расходом нагружаются
две горелки, остальные – пониженным). Так,
в некоторый момент времени I максималь-
ным расходом нагружены 1-ая и 8-ая горелки,
в момент времени II – 4-ая и 5-ая горелки,
III – 2-ая и 4-ая горелки.
Реализация операции тепловой обработки
выдержки материалов после нагрева
Рассмотренный выше подход выбора горе-
лок с усиленной подачей топлива при помощи
генератора случайных чисел может быть ис-
при
при
при
при2
(1 ) ( ( / )/2) 0;
( )
(1 ) ( ( / )/2) 0,5;
⋅ − τ ∆τ =
τ = ⋅ + τ ∆τ =
i
i
Bg A frac int
Bg
Bg A frac int
1
(1 ) ( ( / )/2) 0;
( )
(1 ) ( ( / )/2) 0,5;
⋅ + τ ∆τ =
τ = ⋅ − τ ∆τ =
i
i
Bg A frac int
Bg
Bg A frac int
при Nгор = Х і
г.с.ч.(τ)...или Nгор =
= Х 2
г.с.ч.(τ)...\или Nгор = Х l
г.с.ч.(τ);
, иначе,
max
min
=
i
Bg
Bg
Bg
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №618
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 4. Пример работы системы импульсного нагрева рабочего пространства
технологического агрегата на основе алгоритма, использующего генератор случайных
чисел, для трех моментов времени (I, II, III – произвольно выбранные моменты времени).
пользован не только для реализации операций
нагрева материала, но и для выдержки после
него. Эта операция предполагает поддержа-
ние температуры поверхности материала на
постоянном уровне, достигнутом после нагре-
ва и прогрев внутренних слоев материала для
уменьшения неравномерности температуры по
толщине.
Известны технологии, позволяющие при
помощи системы АСУ ТП поддерживать тем-
пературу в камере печи на заданном уровне с
точностью ±5°С. Сущность не разглашается,
однако, вероятно, речь идет об импульсной
подаче топлива на горелку (горелки), выбран-
ную при помощи генератора случайных чисел
при сигнале от термопар о снижении темпера-
туры газовой среды относительно заданного
уровня, позволяющего сформировать необхо-
димую плотность теплового потока при задан-
ной температуре поверхности материала. При
этом качество поддержания температуры бу-
дет зависеть от того, насколько удачно подоб-
раны соответствующие коэффициенты для
ПИД-регулятора.
Предложено для каждого периода Δτ оп-
ределять суммарный расход топлива на горел-
ки, исходя из анализа тепловой диаграммы
операции. Коррекция этой величины может
производиться на основании сигнала термо-
пар, измеряющих температуру в газовом про-
странстве печи и термопары, измеряющей тем-
пературу уходящих газов.
Выводы
Рассмотрены основы технического реше-
ния и созданы два алгоритмических подхода
для реализации импульсного нагрева рабочего
пространства отдельных теплотехнологиче-
ских установок с использованием нескольких
горелок при постоянстве общего расхода то-
плива.
Показана возможность использования им-
пульсного нагрева для эффективного исполь-
зования такой операции тепловой обработки
металлических заготовок, как выдержка после
нагрева.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кутателадзе С.С. Основы теории тепло-
обмена. – Новосибирск: Наука, 1970. – 659 с.
2. Бирюков А.Б. Энергоэффективность и ка-
чество тепловой обработки материалов в пе-
чах. – Донецк: Ноулидж, 2012. – 247 с.
Получено 20.08.2012 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60263 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:10:32Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бирюков, А.Б. Сафьянц, С.М. Новикова, Е.В. Недбайло, А.Н. 2014-04-13T16:28:23Z 2014-04-13T16:28:23Z 2012 Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах / А.Б. Бирюков, С.М. Сафьянц, Е.В. Новикова, А.Н. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 6. — С. 15-18. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60263 621.1 Разработаны основы технического решения и алгоритмические подходы для импульсного нагрева рабочего пространства в теплотехнических агрегатах, позволяющие достичь импульсности подвода теплоносителя на конкретных горелках без наложения волнообразной составляющей на общий расход среды. Розроблені основи технічного рішення і алгоритмічні підходи для імпульсного нагрівання робочого простору в теплотехнічних агрегатах, що дозволяють досягти імпульсності підведення теплоносія на конкретних пальниках без накладення хвильової складової на загальну витрату середовища. Technical decision and algorithmic approaches for thermal aggregates impulse heating which allow wavy character of mediums supply on concrete torches creation without full flow rate oscillatory component are developed. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах The pulsed heating of the space in the thermal units Article published earlier |
| spellingShingle | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах Бирюков, А.Б. Сафьянц, С.М. Новикова, Е.В. Недбайло, А.Н. Тепло- и массообменные аппараты |
| title | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах |
| title_alt | The pulsed heating of the space in the thermal units |
| title_full | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах |
| title_fullStr | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах |
| title_full_unstemmed | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах |
| title_short | Импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах |
| title_sort | импульсный нагрев рабочего пространства в теплотехнических агрегатах |
| topic | Тепло- и массообменные аппараты |
| topic_facet | Тепло- и массообменные аппараты |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60263 |
| work_keys_str_mv | AT birûkovab impulʹsnyinagrevrabočegoprostranstvavteplotehničeskihagregatah AT safʹâncsm impulʹsnyinagrevrabočegoprostranstvavteplotehničeskihagregatah AT novikovaev impulʹsnyinagrevrabočegoprostranstvavteplotehničeskihagregatah AT nedbailoan impulʹsnyinagrevrabočegoprostranstvavteplotehničeskihagregatah AT birûkovab thepulsedheatingofthespaceinthethermalunits AT safʹâncsm thepulsedheatingofthespaceinthethermalunits AT novikovaev thepulsedheatingofthespaceinthethermalunits AT nedbailoan thepulsedheatingofthespaceinthethermalunits |