Енерго- та ресурсозбереження в промислових агрегатах скляного виробництва на основі удосконалення теплоенергетичного обладнання

В Україні виробництво значної частини промислової продукції здійснюється з підвищеним рівнем витрат матеріальних і енергетичних ресурсів, що знижує конкурентоспроможність продукції. У цих умовах енергозбереження визначено одним із пріоритетних напрямків державної політики України. Дослідженням високотемпературних процесів з метою підвищенню теплової ефективності ВТУ різного призначення присвячені роботи Гольдфарба Е.М., Губинського В.Й., Єринова А.Є., Ключникова А.Д., Лісієнка В.Г., Розенгарта Ю.Й., Семененка Н.А., Сороки Б.С., Щукіна А.А. та інших дослідників.

Встановлено, що більша частина всіх енерговитрат припадає на робочі процеси в печах ванного типу, а низька ефективність агрегатів визначається недосконалістю теплотехнічного обладнання, недостатньою стійкістю вогнетривких матеріалів варильного басейну. Таким чином, підвищення ефективності роботи скловарних печей на підприємствах України пов'язане з необхідністю комплексного рішення питань ресурсозбереження, раціонального енерго- і тепловикористання за умови підвищення стійкості елементів печей, збільшення строків міжремонтного періоду. Виходячи з цього сформульовано мету і задачі дослідження.

Другий розділ дисертації присвячено розробці методики дослідження промислових агрегатів для виробництва скла. Обґрунтовано використання системного аналізу для постановки і рішення завдань енергозбереження в виробництві скла. До числа важливих науково-технічних проблем слід віднести розробку і освоєння методів розрахунку технологічних установок і агрегатів для виробництва скла, що є практичною основою створення ефективного енерго- і ресурсозберігаючого обладнання. Необхідними передумовами цього є також розробка комплексу технічних рішень і створення пристроїв, призначених для реалізації глибокого тепловикористання, керування тепловими режимами. Технологія виробництва скла включає операції, які реалізовані в певній послідовності поза робочим простором реактора, так і безпосередньо в робочому просторі. Виробництво скла здійснюється, як правило, в одному реакторі, що поєднує різні технологічні зони, де відбуваються складні фізико-хімічні процеси скловаріння при відповідних температурних умовах. Для більш повного використання енергії палива і теплових ВЕР до складу ВТУ включають елементи зовнішнього тепловикористання для одержання іншої технологічної продукції, наприклад гарячої води, пари, електроенергії (рис.1).

Питанням підвищення ефективності використання палива і удосконалення агрегатів для виробництва скла присвячена велика кількість досліджень. Однак, вони стосувалися рішення розрізнених завдань по дослідженню теплових режимів, удосконаленню окремих конструктивних елементів агрегатів, вибору теплової ізоляції, вирішенню питань екології.

У той же час дослідженням ефективності роботи всього технологічного комплексу виробництва скла приділялося недостатньо уваги. Це пояснюється тим, що робота теплоенергетичного обладнання ВТУ жорстко пов'язана зі складними процесами скловаріння, які реалізуються в робочому просторі агрегату. Крім того, у процесі експлуатації скловарних печей відбувається зміна режимних параметрів. Так, наприклад, через руйнування вогнетривкої кладки зменшується надійність роботи печей, збільшуються втрати теплоти через огородження, що компенсується збільшенням витрати палива. Винесення з реактора пилу шихти приводить до заростання насадки регенераторів, погіршення роботи теплоутилізаційного устаткування і газового тракту. Для підвищення стійкості вогнетривів застосовується повітряне, водяне примусове охолодження, що дозволяє знизити температуру поверхні вогнетривів варильного басейну, зменшити інтенсивність процесу руйнування. Аналіз публікацій показав, що у даний час відсутні науково обгрунтовані рекомендації з вибору оптимальних способів охолодження та їх параметрів.

Виходячи з цього, виникає необхідність у розробці методології і реалізації системного підходу до вибору напрямку дослідження для рішення задач енергозбереження з використанням методів математичного та фізичного моделювання роботи установок з урахуванням відповідних технологічних обмежень. Розгляд теплотехнології і агрегатів для виробництва скла з використанням положень системного підходу дозволив визначити рівні ієрархії і їх зв'язки за допомогою “цибулинної діаграми” (рис. 2). У внутрішньому колі діаграми знаходиться об'єкт дослідження ? високотемпературний реактор. Наступні шари діаграми включають систему генерації теплової енергії в реакторі паливними пристроями, систему охолодження елементів кладки варильного басейну, систему підігріву повітря горіння в регенераторах і систему утилізації теплоти.

Відповідно до розробленої методології обрано напрямок проведення теоретичних і експериментальних досліджень промислових установок з метою розробки та впровадження енергозберігаючих заходів для скловарних печей.

Обґрунтовано вибір об'єкту дослідження ? ванних регенеративних печей безперервної дії з підково- та напівпідковоподібним факелом, які широко використовуються на промислових підприємствах для виробництва різних сортів скла. Таким чином, на основі аналізу публікацій і обстеження промислових агрегатів для виробництва скла з використанням положень системного аналізу була розроблена загальна методика досліджень, структуру якої наведено на рис. 3.

Третій розділ дисертації присвячено розробці математичних моделей теплових процесів, які реалізуються в скловарних печах і в теплоенергетичному обладнанні. Встановлено, що в більшості існуючих методик автори використовували ряд припущень, найчастіше не враховували динаміку руйнування вогнетривів, зміну витрат палива і повітря горіння в процесі експлуатації, зміну температурних режимів, запиленість продуктів горіння шихтовими матеріалами та інше. Сучасні можливості комп'ютерних технологій дозволяють створювати уточнені методики розрахунків, уніфіковані програмні блоки, реалізація яких дає можливість одержати більш повну інформацію про характеристики робочих процесів та об'єктів.

Стосовно до умов роботи скловарних печей розроблено методику розрахунку процесів горіння газу, що дозволила визначити температурні параметри і властивості продуктів горіння з урахуванням особливостей регенеративного підігріву повітря, зміни коефіцієнтів надлишку повітря по тракту. На основі теплового балансу розроблено методику розрахунку впливу підігріву повітря на температуру горіння і на економію палива в печі.

Для визначення максимально можливого рівня впливу температури нагріву повітря на температуру горіння визначали її в припущенні, що дисоціація газів і теплові втрати відсутні:

.

При спалюванні природного газу з теплотою згоряння Qнс без підігріву газу (Qг=0) температура tг залежить від теплоти, що внесена з нагрітим повітрям Qп, і обсягу продуктів горіння Vг. При наявності присосів повітря по тракту скловарних печей загальна кількість теплоти, яка внесена повітрям у робочий простір, дорівнює:

Таким чином, підвищення температури горіння Дtг за рахунок підігріву повітря в регенераторі від температури tхп до температури tгп складає:

.

Для визначення величини Qп(tп) необхідно визначити температуру повітря на виході з насадки регенератора. З метою визначення параметрів роботи системи регенеративного підігріву повітря розроблено уточнену математичну модель регенератора. Алгоритм розрахунку температури насадки ti,j, газів і повітря у відповідності з розрахунковою кінцево-різницевою схемою складено на основі рішення рівнянь енергобалансу для всіх n елементів для кожного моменту часу j з часовим кроком Дф при заданій тривалості періодів нагрівання і охолодження насадки:

Величину питомої витрати палива та економії палива ДЕт в печі за рахунок нагрівання повітря горіння в регенераторі було знайдено шляхом порівняння роботи печі з однаковою продуктивністю П1=П2 при використанні холодного і нагрітого повітря горіння, що відповідало значенням температур газів за піччю tог, tуг. Знаючи питомі витрати палива на одиницю продукції при роботі на холодному b1=B1/П1 та нагрітому в регенераторі гарячому повітрі b2=B2/П2, витрату продуктів згоряння Vг визначимо як:

Адекватність моделі доведена шляхом порівняння розрахункового розподілу температур газу і повітря по висоті насадки з експериментальними даними, які було отримано на промисловому регенераторі (рис. 4). При цьому розбіжність склала 7,3-12,1%.

На основі зонального методу з використанням рекомендацій, які описані в роботах Рафаловича І.М., Ключникова А.Д., розроблено алгоритм розрахунку променистого теплообміну в робочому просторі ванної скловарної печі.

Створена методика розрахунку кутових коефіцієнтів цk,j між поверхнями робочої камери і факелом з урахуванням затінення їх факелом. Система рівнянь для визначення ефективних променистих потоків має наступний вигляд:

де j=1, 2, ..., n - номери зон.

Коефіцієнти бk,j і Ск розраховували для випадків, коли були відомі температура зони або її результуючий тепловий потік. Коефіцієнти бk,j визначали при відповідних значеннях цk,j, що характеризують випромінювання з ділянки з індексом k на ділянку з індексом j. Після рішення рівняння (8) розраховували значення результуючих променистих потоків Ерез для зон з номерами 1?k ?m:

а також температури для зон з відповідними номерами (m+1) ?k ?n:

Алгоритм розрахунку променистого теплообміну у варильній зоні був реалізований стосовно до параметрів скловарної печі №2 МСЗ за допомогою пакету дослідницьких програм. На першому етапі проводився розрахунок невідомої температури відповідних зон при заданих результуючих потоках Ерез або знаходили променисті потоки для зон з відомою температурою при заданих коефіцієнтах цk,j і ступенях чорноти. Інша програма створена з метою визначення цk,j між кладкою, дзеркалом ванни і факелом, що давало змогу провести розрахунки при зміни геометричних параметрів факелу. Створену модель було використано для дослідження процесів променистого теплообміну в робочій зоні печі, а отримані результати - при удосконаленні пальникових пристроїв.

Суттєвий вплив на ефективність роботи печей має стійкість вогнетривких матеріалів варочної зони. На даний час у літературі відсутні відомості про розробку універсальної методики і програмного забезпечення для визначення термохімічної стійкості вогнетривів, зокрема стінового брусу ванни печі. Для розрахунку корозійного руйнування вогнетривів варильного басейну на рівні скломаси розроблено уточнену інтегральну математичну модель стійкості з урахуванням залежності швидкості руйнування вогнетриву від температури і інтенсивності зовнішнього охолодження. При розробці моделі враховували рекомендації М.В.Захарікова і О.М.Попова для розрахунку служби вогнетривів у скловарних печах. Створена математична модель відрізняється використанням експоненціальної залежності швидкості корозійного руйнування вогнетривів від температури стінки басейну, в ній також врахована залежність коефіцієнта теплопровідності матеріалу від температури.

Система рівнянь теплопередачі для визначення температури на внутрішній tв і зовнішній tн поверхнях вогнетривкого бруса ванни печі має вигляд:

Значення коефіцієнтів теплопередачі визначали як:

Рішення системи (11) реалізовано при заданих параметрах tс, tо - температура скла і повітря; Lб - товщина бруса; А0, В0, В0* - константи, що визначають термічний опір пристінного шару скла; б - коефіцієнт теплообміну на зовнішній поверхні бруса ванни. При визначенні tв і tн виконувалось ітераційне уточнення коефіцієнта теплопровідності е і коефіцієнта променистого теплообміну бл. Тривалість кампанії печі визначається стійкістю стінового огородження басейну, яка залежить від швидкості корозійного руйнування бруса товщиною L як . Період стійкості Tп стінового бруса представлено як інтеграл:

де Lб і Loсm - початкова і залишкова товщина стінового бруса.

Швидкість руйнування вогнетривів W визначається температурою внутрішньої поверхні стінки варильного басейну і описується рівнянням Арреніуса W=e в залежності від констант А*, В* для вогнетривких матеріалів та сорту скла, поточної температури tв*=t+273 і температури внутрішньої поверхні стінки tв. Тривалість кампанія печі визначається періодом стійкості стінового бруса (13), у якому поточна температура tв може бути знайдена з системи рівнянь (11). Інтеграл стійкості (13) представлено як:

де tВі - температура внутрішньої поверхні стінки басейну при відомому режимі теплопередачі відповідає поточній товщині стінки Li. Результати розрахунку періоду стійкості (14) були порівняні з опублікованими даними Фервонера О., Берндта К. (рис. 5). Розбіжність склала від 6 до 20%, що свідчить про можливість застосування моделі для розрахунків руйнування вогнетривів.

Для визначення працездатності панелей СВО і діагностики температурних режимів на основі методу кінцевих елементів, розроблено методику і створено пакет програм для рішення двомірної задачі теплопровідності. Диференційне рівняння теплопровідності в загальному виді представлено в вигляді

з граничними умовами першого і третього роду для розрахункового об'єкта, який складався із двох основних масивів - безпосередньо елемента панелі СВО і вогнетривкого бруса змінної товщини. Температура поверхні елемента, що контактувала з розплавом, приймалась відповідно сорту скла. Інтенсивність теплообміну в трубах панелі і з боку зовнішньої поверхні визначали по відповідним критеріальним залежностям. Панелі СВО являли собою конструкції, окремі елементи яких виготовлялись з чотирьох матеріалів з різними теплофізичними властивостями. Їх працездатність визначається розподілом і рівнем температур у бетоні панелі на різних стадіях експлуатації скловарної печі. Застосування розробленої програми забезпечило можливість проведення розрахункового експерименту для дослідження температурних полів в панелі СВО при відповідній товщині вогнетривкої кладки, яка змінює свої розміри в процесі експлуатації.

У четвертому розділі представлено результати досліджень робочих процесів в скловарних печах, зокрема променистого теплообміну, наведено дані по вдосконаленню паливних пристроїв та режимів роботи системи регенеративного підігріву повітря, які виконано з метою підвищення ефективності використання природного газу на опалення печі.

Відзначимо, що значна кількість скловарних печей обладнані пальниками, у яких розміри факелу не відповідають розмірам робочого простору варильної зони печі, що приводить до нераціональних витрат палива.

З використанням розробленої математичної моделі виконано дослідження променистого теплообміну в робочому просторі скловарної печі №2 МСЗ, визначено вплив зміни режимних параметрів і геометричних характеристик факелу. Встановлено залежність кутових коефіцієнтів при зміні ступеня чорноти кладки і факелу, температури факелу, геометричних розмірів і розташування факела у варильній зоні.

Визначено вплив зміни параметрів факелу на процеси променистого теплообміну у варильній зоні печі. Розрахунковим шляхом було отримано величини теплових потоків, що випромінювались факелом, а також потоків, що падали на дзеркало ванни. Розраховано значення температури склепіння, бічних і торцевих стін при зміні геометричних параметрів факелу. У розрахунках величина результуючих теплових потоків на кладку приймалася постійною, загальна кількість теплоти, яка випромінювалась на кладку, відповідала умовам роботи промислових печей. Відношення ширини факелу до максимальної розрахункової ширини змінювали в діапазоні 0,25<r/rmax<1, що дозволило знайти раціональні розміри факелу. Визначено також вплив зміни ступеня чорноти ванни ев і факелу еф на теплотехнічні параметри варильної зони скловарної печі, досліджено вплив ширини факелу. Виявлено, що при зміні r/rmax від 0,25 до 0,75 доля теплоти на ванну збільшується від 0,812 до 0,912. Показано, що в реальних умовах зміну геометричних характеристик факелу можливо досягти шляхом оптимізації конструкції паливного пристрою.

Досліджено вплив зміни температури факелу від 1500°С до 1650°С на величину теплового потоку, що падає на ванну Qв. Як свідчить характер кривих на рис. 6 (1-Тф=1650оC; 2-Тф=1600 оC; 3-Тф=1550оC; 4-Тф=1500оС), температура факелу є важливим чинником, що суттєво впливає на нагрів ванни. Відносна кількість теплоти, що падає на ванну, з=Qв/Qф збільшується при 0,75<r/rmax<1 на 5,5-7,0%.

Досліджено також вплив зміни геометричних параметрів і розташування факела на ККД варильного простору скловарної печі . Встановлено, що оптимум має місце при ширині факела, близькому до значення r/rmax=0,8.

Отримано дані про зміну температури кладки варильної зони для досліджуваних параметрів. Визначено вплив зміни загальної поверхні факелу в діапазоні від 50 до 150 м2 на інтенсивність променистої складової теплового потоку . Результати розрахунків було використано при розробці рішень по вдосконаленню конструкції і режимів роботи пальників печі шляхом подачі стисненого повітря різного рівня тиску в газовий струмінь для регулювання розмірів факелу. На печі було змонтовано дві групи пальників та проведено дослідження їх роботи. Було зафіксовано зміну структури факелу, що привело до підвищення температури склепіння печі на 10-15°С. Отримані данні було використано для модернізації пальників, були поліпшені умови згоряння палива в робочому просторі печі за рахунок зміни кута розкриття, довжини і настильності факелу, досягнуто зменшення витрати природного газу до 5-7 % на піч при сталій продуктивності. За рахунок додаткового охолодження пальників стисненим повітрям втричі збільшено термін їх експлуатації.

Виконано дослідження режимів роботи регенераторів, визначено вплив зміни їх параметрів на температуру нагрівання повітря. Встановлено, що підвищення температури газів на вході в насадку на кожні 50оС приводить до підвищення температури повітря на виході з насадки приблизно до 30оС. Досліджено роботу регенераторів при зміні швидкості димових газів і повітря в насадці від 0,1 до 0,5 м/с та при зміні температури повітря на вході в насадку. З використанням методу математичної статистики шляхом обробки розрахункових даних отримана залежність середньої температури нагрівання повітря від вхідних параметрів

,

яка дає можливість визначити температуру повітря на виході з регенератора в залежності від значень температури газів і повітря на вході в насадку та швидкості теплоносіїв в каналах регенератора з різними розмірами.

Визначено вплив температури підігріву повітря на температуру горіння й економію палива в скловарній печі. Проведена оцінка динаміки зміни величини в залежності від параметрів регенераторів. У діапазоні зміни температур газів 1000-1200 оС значення може складати від 20 до 51% в порівняння з роботою печі без підігріву повітря горіння. Визначено, що шляхом зміни режимних і конструктивних параметрів регенератора можливо забезпечити рівень економії палива до 5-7%. Проведені експериментальні дослідження на скловарній печі підтвердили достовірність результатів розрахунків температурних полів у насадці регенератора. На основі виконаних досліджень розроблено рекомендації з підвищення ефективності роботи печі і регенератора, які були використані при реконструкції печі №1 ВАТ “СКЛО”.

У п'ятому розділі обґрунтовано доцільність використання випарного охолодження для ванних скловарних печей, представлені результати щодо створення дослідно-промислової установки на базі ванної печі з СВО.

Як відзначалось, недостатня стійкість стін варильного басейну є обмежуючим чинником для збільшення тривалості кампанії скловарних печей, що приводить до значних капітальних витрат на їх ремонт. При цьому погіршуються техніко-економічні показники скляного виробництва.

Аналіз публікацій і досвіду експлуатації промислових агрегатів дозволив розглянути, узагальнити і сформулювати положення, які послужили науково-технічним обґрунтуванням для використання випарного охолодження скловарних печей. На основі цього було запропоновано для скловарної печі, що виплавляла алюмоборсилікатне скло, для підвищення стійкості ванни використати СВО з плоскими елементами з вмонтованими в них вертикальними трубчастими екранами.

Для оцінки рівня теплових втрат і визначення впливу випарного охолодження на витрачання палива були використані опубліковані дані по режимах роботи скловарної печі даного типу. Визначено теплові втрати через кладку стін басейну скловарних печі через руйнування вогнетривів. Для варіантів повітряного і випарного охолодження, використовуючи значення складових теплових потоків Qi, з рівняння балансу знайдено додаткові витрати газу ДВг на компенсацію теплових втрат .

Для даної печі розрахункова величина ДВг при використанні СВО склала 5,8 % від витрати палива на піч. Відзначимо, що використання випарного охолодження замість повітряного може забезпечити значну економію електроенергії тому, що потужність електродвигунів вентиляторів може становити до 60-120 кВт. При повітряному охолодженні в робочий простір печі надходить частина холодного повітря, що приводить до необхідності додатково збільшувати витрату палива. Рядом авторів відзначена загальна економія палива при роботі печі з випарним охолодженням на рівні 7% і економія електроенергії. Важливим аргументом на користь застосування випарного охолодження є можливість використання для потреб підприємств отриманої пари. Таким чином, використання СВО дає можливість збільшити міжремонтний термін при економії вогнетривких матеріалів для кладки стін печі. Виконані техніко-економічні розрахунки для застосування випарного охолодження стосовно даної промислової скловарної печі показали доцільність його використання для підвищення терміну експлуатації печі.

За допомогою створеної математичної моделі досліджено режими роботи панелі з вогнетривким брусом різної товщини, а також при руйнуванні жаростійкого бетону панелі. Визначено розподіл та перепади температур ДТ в панелі при температурі скла на поверхні бруса на рівні Тск=1100-1400 оС. Виконані розрахунки свідчить про те, що при наявності перед елементом СВО вогнетривкого брусу зафіксовано температури на стику матеріалів 135-145оС. При руйнуванні брусу на 50% температура на стику вогнетривів і бетону панелі сягає 160-1800С. При повному руйнуванні брусу має місце контакт розплаву безпосередньо з поверхнею бетону елемента, температура бетону в міжтрубному просторі сягає 150-350оС (рис. 9). Установка ізоляції між бетоном і сталевим корпусом є доцільною тому, що температура корпусу стабілізується на рівні 40-600С. Результати досліджень підтвердили працездатність запропонованої конструкції панелей СВО.

Викладено технологічні особливості створення оригінальної дослідно-промислової скловарної печі з СВО. Відпрацьовано методичні і технологічні питання виготовлення, монтажу і експлуатації СВО з елементами плоскої форми. Розроблено методику проведення промислових досліджень на дослідно-промисловій печі з СВО, виконані роботи з виготовлення і установки термодатчиків, розроблено вимірювальну схему.

Робочі елементи СВО після зборки, гідравлічних випробувань екранів і бетонування були встановлені із зовнішньої сторони кладки по периметру басейну (рис. 10). На рисунку цифрами визначено: 1 - скломаса; 2 - зона руйнування вогнетривів; 3, 4 - кладка стін; 5 корпус панелі СВО; 6 - шар термоізоляції; 7, 15 - верхній і нижній колектор; 8, 17 - патрубок; 9 - вихід пароводяної суміші; 10 - труби екрану 11, 13, 14 - термодатчики; 12 - наповнювач панелі; 16 - вхід води; 18 - подина. Два циркуляційних контури утворено системою опускних і підйомних труб, що з'єднують барабан-сепаратор, конденсатор і всі елементи панелі. Робота СВО передбачена при наявності споживачів пари і при їх відсутності, коли вся пара буде спрямована у конденсатор. Відпрацьовано технологію монтажу СВО з урахуванням наявних конструкцій і металевого каркаса печі. Таким чином, у результаті виконаного комплексу робіт була розроблена і уперше реалізована в промислових умовах технологія використання СВО з плоскими панелями для стін варильного басейну скловарної печі.

Після проведення пуско-наладочних робіт була введена в експлуатацію дослідно-промислова установка на базі ванної печі з СВО варильного басейну.

Виконано експериментальні дослідження температурних режимів роботи основних робочих елементів СВО і скловарної печі. У результаті проведеного обстеження з використанням дослідних даних і результатів розрахунку теплового балансу визначено основні показники роботи скловарної печі. На рис.11 наведені експериментальні дані, що характеризують динаміку прогріву панелей СВО в режимі пуску печі. Вони свідчать про вплив термічного опору бруса стін на режим прогріву панелей СВО. Причому характер зміни температурного режиму панелі відповідав рівню підйому температури у варильній зоні печі. Через сім діб після початку пуску температура з зовнішньої сторони панелі досягла 500С. Прогрів панелі, як видно з характеру кривих 3 і 4, завершився через 11-12 діб.

Визначено вплив роботи парогенеруючих елементів СВО на рівень температур в огородженні варильного басейну. Термопари, що розташовані на відстані 30 мм від зовнішньої поверхні панелі, стабільно показувала температуру в діапазоні 70-80оС. При проведенні вимірів під час експлуатації печі термопари на внутрішній поверхні панелей зафіксували температури на рівні 700оС. Для стаціонарного режиму роботи печі характерними для визначення теплового стану охолоджуваних панелей є показання від 300 до 560 0С для термопар, які розташовані у середині елемента. Відзначимо, що різний ступінь руйнування вогнетривів і матеріалу панелі сприяв локальному підвищенню температурного рівня для окремих елементів.

Для відпрацювання режиму останову дослідно-промислової печі практичний інтерес представляє динаміка зниження температури в елементах СВО при останові печі (рис. 12). Значення температур, що зафіксовані термопарами, показали, що через 12 годин максимальна температура панелей знизилася до рівня 400-480оС, мінімальний рівень температур складав менше 250оС. При всіх режимах показання термопар, розташованих біля зовнішньої стінки, становили близько 100 0С, тоді як температура зовнішньої стінки панелей залишалася на рівні 40-50 0С. Отримані розрахунковим шляхом максимальні рівні температур з різницею до 8-11% підтверджено даним експериментальних випробувань.

Експериментальні дослідження, які проведено на дослідно-промисловій установці, показали ефективність застосування СВО з плоскими панелями для стін варильного басейну скловарної печі, про що свідчать наведені в таблиці 1 техніко-економічні характеристики печі.

Шляхом використання плоских панелей СВО досягнуто підвищення стійкості стін варильної зони, також вдалося істотно знизити температуру зовнішньої поверхні стін печі, збільшити міжремонтний період.

Таблиця 1. Режимні параметри роботи печі з СВО

Використання плоских панелей для ванної печі дозволяє зменшити витрати вогнетривких матеріалів на кладку стінового огородження за рахунок зменшення їх товщини, можливого збільшення площі варильної зони. Зафіксовано утворення гарнісажу на поверхні труб екранів, товщина якого для алюмоборсилікатного скла склала від 8 до 13 мм, що дозволило підвищити маневреність агрегату, реалізувати неодноразово режими пуску і останову печі з мінімальними витратами вогнетривів. Була відпрацьована технологія виготовлення і монтажу в промислових умовах плоских панелей СВО для стін ванни без демонтажу металевого каркаса скловарної печі. Позитивним фактом є можливість зменшення витрати вогнетривких матеріалів для кладки варильного басейну при використанні СВО із плоскими панелями за рахунок зменшення товщини вогнетривкої кладки на 30-40%. Одночасно в 6-8 разів зменшились витрати електроенергії в порівнянні з використанням повітряного охолодження, досягнуто зниження питомої витрати природного газу на опалення агрегату на 215,5 м3/т скла. Таким чином, відкривається можливість створення енерготехнологічного комплексу для виробництва скла і водяної пари, який може бути використано на потреби підприємства. Отримані дані послужили основою для подальшого удосконалення систем охолодження скловарних печей.

У шостому розділі наведено результати досліджень по підвищенню ефективності роботи систем повітряного та випарного охолодження скловарних печей, розглянуто можливості енерготехнологічного комбінування на їх основі. Охолодження варильного басейну визначено як спосіб збільшення терміну експлуатації скловарної печі. Для дослідження режимів роботи повітряного охолодження варильного басейну скловарної печі використано розроблену математичну модель, яка дозволяє з урахуванням процесів теплопередачі і руйнування вогнетривів визначити період стійкості при різній інтенсивності охолодження. Про адекватність розробленої моделі свідчать дані, які представлено на рис. 13. Відхилення розрахункових даних від експериментальних даних В.М. Будова стосовно корозійного руйнування бакора-33 склало на рівні 4-8 %. Моделювали корозійне руйнування вогнетривів при температурі скла tск=1400оС і при обдуванні бруса струменем повітрям при ширині сопла b=15-20 мм.

Розрахунковим шляхом визначена стійкість різних стінових вогнетривів (бакор-33, бакор-41, ХАЦ-30) в залежності від інтенсивності повітряного охолодження. При природному і малоінтенсивних режимах охолодження (<75 Вт/(м2K)) стійкість бруса лінійно залежить від коефіцієнта тепловіддачі. Застосування інтенсивного повітряного охолодження з >150 Вт/(м2K) істотно підвищує стійкість вогнетривів. Визначено вплив вихідної товщини бруса Lб (від 50 до 300 мм) на величину періоду стійкості вогнетривів для режимів з різною інтенсивністю охолодження (рис.14).

Встановлено, що інтенсивне повітряне охолодження приводить до підвищення періоду стійкості вогнетривів бруса в 3-5 разів. Використання понадінтенсивного режиму охолодження при рівні >300 Вт/(м2K) (випарне охолодження) забезпечує підвищення стійкості в 10-12 разів у порівнянні з режимом без примусового охолодження.

Отримані результати свідчать про необхідність обгрунтованого вибору вогнетривких матеріалів і режимів охолодження з урахуванням техніко-економічних показників роботи скловарних печей і систем охолодження. На основі рішення задачі розрахунку періоду стійкості і теплопередачі сформульована та вирішена задача чисельного визначення оптимального режиму повітряного охолодження басейну і оптимальної тривалості кампанії скловарної печі з урахуванням питомих економічних показників. Розглянуто використання різних цільових функцій, що являють собою величину прибутку, повні і питомі додаткові фінансові витрати внаслідок застосування примусового охолодження з урахуванням вартості капітального ремонту печі. Задачу вибору оптимального режиму охолодження зведено до пошуку закону зміни коефіцієнта тепловіддачі, який мінімізує питомі витрати або максимізують питомий прибуток за повну кампанію печі.

Визначення питомих додаткових витрат за кампанію печі Тп+Тр, пов'язаних із застосуванням примусового охолодження і холодним ремонтом:

де S1 - вартість втрат теплоти, що відводиться системою охолодження за кампанію печі Тп; S2 - капітальні й експлуатаційні витрати на розробку, виготовлення, монтаж і експлуатацію системи охолодження; S3 - інші додаткові експлуатаційні витрати за компанію печі, безпосередньо не пов'язані з роботою системи охолодження (теплові втрати); S4 - вартість холодного ремонту печі; S5 - витрати, пов'язані з тепловими втратами при розігріві й зупинці печі; S6 - непрямі витрати, пов'язані із втратою прибутки через зупинку печі на ремонт. Прибуток може бути віднесено до робочої кампанії Тп або до повної кампанії Тп+Тр.