На прикладі обертової печі 4x60м розглядається питання підвищення теплового опору футерівки шляхом використання фасонного вогнетриву і встановлення в утворені комірки теплоізоляційного матеріалу, що зменшує втрат тепла через корпус, масу футерівки та печі в цілому і підвищити ефективність передачі тепла матеріалу. Розроблена математична модель, програмне забезпечення та виконані числові розрахунки які дозволяють визначити температурні поля в футерівці з теплоізоляційним елементом та обґрунтований вибір відповідного теплоізоляційного волокнистого матеріалу. Визначено, що теплові втрати через корпус печі в навколишнє середовище зменшуються на 18–24%. За рахунок підвищення теплового опору футерівки можливо інтенсифікувати процес передачі тепла матеріалу на 1.5-8% безпосередньо в робочому об’ємі. Наявність комірок з додатковою теплоізоляцією сприяє виникненню теплових пульсацій, що мають осцилюючий характер та позитивно впливають на інтенсифікацію - та масообмінних процесів, що в загальному випадку сприяє підвищенню продуктивності теплового агрегату. Суттєвою перевагою вказаного рішення є той фактор, що підвищення енергоефективності печі не вимагає додаткових витрат палива, підвищення температури або збільшення ентальпії продуктів горіння. Результати розрахунку приведені в електронному додатку до статті у вигляді відео файлу.

Rotating heat units, or rotary kilns, are widely used in many industries where they are used for heat treatment of bulk materials. The efficiency of use largely depends on the reliable operation of the main structural elements. This is especially true of the lining of the furnace, the reliability of which significantly affects the performance, safety and long-term and reliable operation of the furnace unit. Therefore, the work devoted to the improvement of the theoretical model of heat exchange in a rotary kiln is extremely relevant as it contributes to the intensification of its work and makes it possible to implement more intensive modes of operation of the heat unit.The calculation of the temperature regime in the lining of the rotating furnace and filled with the processed material is performed. The differential equation for no stationary thermal conductivity is used. Numerical calculation is performed iteratively using the finite difference method according to an explicit scheme. AutoLisp programs in the AutoCAD environment are used to visualize and display graphical information. The movement of the material is modelled by changing the value of the heat transfer coefficient to the inner surface of the lining in the place where it is located. This takes into account the movement of the material along the inner surface of the lining. The change in position depends on the speed of rotation and the amount of material. The shift of the material layer by the angle Δφ occurs after determining by iteration the total time period for which the indicated displacement occurs.At the beginning of the rotation of the furnace, the temperature of the lining area free of material is evenly heated to the maximum value. After contact of the lining with the material begins the redistribution of temperatures in the surface layers. The inner surface of the lining of the furnace is heated by a gas stream, and when it gets under the layer of material - is cooled to 1246 °C, compared with the initial 1465 °C. At the time of exit, the temperature of the lining rises quite rapidly, after which the temperature rise slows down. After one revolution, the lining reaches the initial temperature level. This phenomenon explains the essence of the process of heat recovery by lining. In general, the amplitude of temperature fluctuations on the outer surface of the lining is 218.7 °C. At the same time intensive change of temperatures promotes emergence of the largest gradients and accordingly thermal stresses especially in a zone where there is a processed material. The depth of penetration of the variable temperature into the lining is defined as the ratio at which the amplitude of temperature fluctuations is 0.01 from the amplitude of oscillations on the surface. It is possible to determine that in this case the temperature change occurs at a depth of up to 70 mm, with a total lining thickness of 230 mm. The layers of the lining, which are deeper, have significantly smaller temperature fluctuations.Determining the intensity of heat flow allows to characterize the influence of technological parameters of the unit on the temperature and thermal regime of the lining and the rotary kiln as a whole. Analysis of the data of temperature fields and heat flux shows that the output to the quasi-stationary heat regime occurs after 4-5 revolutions of the furnace.The result of this research is the development of a mathematical model, algorithms and software for calculating and studying the process of non-stationary heat transfer in the lining of rotating units. Numerical calculations are performed and the evolution and distribution of temperatures and heat fluxes in the lining are determined. The depth of penetration and the amplitude of alternating temperature fluctuations that lead to the destruction of the surface layer of the lining refractorines due to thermal stresses are determined.The results of the calculation are also given in the electronic appendix to the article in the form of video files.

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.

Представлені результати розробки аналітичного методу розрахунку теплового режиму футерівки обертової печі виконаної з фасонних вогнетривів, що мають підвищений тепловий опір. Запропоновану методику доцільно використовувати при розрахунку зміни теплового потоку і теплового опору вогнетривів з додатковою теплоізоляцією, а також для орієнтованої оцінки температурних полів. Вказане рішення дає можливість оперативно виконувати розрахунки технологічного режиму та енергоефективності теплових агрегатів, зокрема в ітераційних процесах визначення раціональних та оптимальних параметрів. Наведено порівняння результатів розрахунку отриманих числовим та запропонованим аналітичним методами. Похибка розрахунків не перевищує 5%. Результати розрахунку приведені в додатку у вигляді відео файлів.

High-temperature thermal units are usually lined with refractory bricks, which ensures a stable process flow, reducing heat loss, and protecting the surface of the body from high temperatures and mechanical damage. In the metallurgical, construction, cement and a number of other industries, high-temperature drum-type thermal units are widely used.The goal is to develop an analytical method for calculating shaped refractories with cells for thermal insulation material. This technique allows you to quickly perform calculations of the technological mode and energy efficiency of thermal units, in particular for iterative processes to determine the rational and optimal parameters of thermal units. The use of finite-element numerical methods significantly increases the term of computational work and imposes increased requirements on computer resources.The results of the development of an analytical method for calculating the thermal regime of the lining of an overturning furnace made of shaped refractories with increased thermal resistance are presented. The proposed method is advisable to use when calculating changes in heat flow and thermal resistance of refractories with additional thermal insulation, as well as for oriented assessment of temperature fields. This solution allows you to quickly perform calculations of the technological mode and energy efficiency of thermal units, including in iterative processes for determining rational and optimal parameters. The comparison of the calculation results obtained by numerical and proposed analytical methods is given. Calculation error does not exceed 5%. The calculation results are presented in the appendix in the form of video files.Solving this problem allows you to explore technological systems using numerical experiments, improve the quality of their design, improve and determine the rational and optimal modes of technological processes and design parameters of the equipment. The developed analytical method for calculating technological modes and energy efficiency of thermal units including rotary kilns with increased thermal insulation of the case.

The object of research is high-temperature thermal units – rotary kilns. Rotary kilns are used in various industries. The specified equipment has high energy consumption, which is due to the operating conditions of the kiln units in compliance with a number of technological requirements for thermal conditions. At the same time, the problem of high energy intensity is aggravated by the low level of useful energy resources. One of the most problematic places is the thermal and operational characteristics of rotary kilns, as well as the use of lining with increased thermal resistance. Physical and mathematical models are used. It is proposed to calculate a rotary kiln for the production of cement with a size of 5x185 m and a capacity of 75 t/h. A mathematical model is obtained for computer simulation of technological processes in rotary cement kilns. The possibilities of reducing fuel consumption by increasing the thermal resistance of the lining of a rotary kiln are considered. The most energy-intensive zones are determined and the effect on the thermal efficiency of using additional thermal insulation in various energy zones in a rotary kiln is analyzed. Calculations and the results of a numerical experiment are presented. The most rational areas for the use of lining with additional thermal insulation are determined. It is found that with the integrated application of the proposed method, fuel consumption in a thermal unit can be reduced by 9 %. And an increase in the thermal resistance of the lining installed in high temperature zones will increase the energy efficiency of the thermal unit. A significant advantage of this method is the fact that an increase in kiln productivity does not require additional fuel consumption, an increase in temperature, or an increase in the enthalpy of combustion products. In the future, it is planned to study the mechanism for establishing a heat-insulating layer in the refractories of the lining, determining their optimal thermal efficiency and stress-strain state to eliminate the possibility of destruction. As well as determining the optimal structural form of the refractory and the cell with thermal insulation.

На прикладі циклонного теплообмінника обертових печей розглядається питання моделювання процесу розділення гетерогенних систем в циклонних вихрових апаратах. В роботі використовується узагальнена модель розділення аерозольних гетерогенних системи, яка дозволяє досліджувати поводження частинок матеріалу в теплообміннику з можливістю вивчення процесу розділення та траєкторії руху частинок, отримати поле швидкостей і час перебування частинок матеріалу в апараті.

процесів обертових теплових агрегатів. Створена нова модель, яка дає можливість реалізувати системний підхід до аналізу поведінки машин і зробити вибір раціональних параметрів їх роботи в різних експлуатаційних режимах.

Carbon production is widely used in chemical and metallurgic industries. Particularly, electrode mass is used in forming of permanent self baking electrode (Sodenberg`s electrode) in electrical and thermal furnaces of ferrous and non-ferrous metallurgy. Elements of electric furnaces constructions, for instance, electrolysis units, are made of carbon blocks. Manufacturing of such class of products includes multistage technological process and during each stage monolithic product is formed out of powder filler and liquid binder. The given materials have unique physical properties: high thermal conductivity, thermal stress resistance, chemical inertia. That is the reason why it is so widely used in industry. Different methods of measurement of rheological properties of carbon composites were discussed, particularly, it concerns non-Newton liquids, such as Bingham liquid. The method and developed investigation equipment enables us to measure viscosity within wide temperature range. The method is based on locating the spherical body in viscous environment under definite isothermal temperature. It`s possible to measure effective dynamic viscosity up to 107 Pа∙s within temperature range up to 800 oС. Estimated error of experimental research does not exceed 10–15%. Having made the research, thermal dependence on effective factor of dynamic viscosity within temperature range 120–170 oС was found out. It concerns carbon composite materials where coke is used as a binder and thermally processed carbon material are used as a filler

In order to reduce energy consumption in graphitization of electrode products in Acheson furnaces, a method for rapid assessment of the bulk temperature of the furnace core, which is based on the furnace energy balance equation and takes into account active energy loss at the furnace entrance; heat loss from the core surface; heat loss and moisture evaporation; heat loss in the core booster gasification process was developed. The unknown coefficients of the method - the temperature dependences of the effective heat transfer coefficient from the core surface and the proportionality factor, which takes into account active energy loss in the direct core insulation heating, were determined by calculation using the verified numerical model of heat-electro-mechanical state of the Acheson furnace. Analysis of the results showed that the nature of temperature dependence of the proportionality coefficient, which takes into account active energy loss in the direct core insulation heating is similar to the temperature dependence of the specific electrical resistivity of the furnace core (core booster). Verification of the developed method showed good agreement with the numerical simulation results. The developed method was tested in conditions of the electrode manufacturer PJSC "Ukrgrafit", Ukraine and has allowed to reduce specific energy consumption while maintaining the necessary quality level of graphitized products.

We have experimentally studied the thermal and electric state of the Castner furnace, which allows adjusting and verifying the numerical data-based model. The analyzed physical experiment findings show that the billets which contact with a large volume of insulation material within a certain temperature range have a slightly reduced heating rate, which is probably due to the fact that some heat is spent on evaporation and further gasification of the carbon material. We have also found that the use of a ring-shaped inter-electrode gasket affects the temperature distribution in the fore part of the electrode billets since the shape of the gasket allows reducing the temperature difference along the axis of the central pieces. The obtained values of the water temperature spent on cooling of the electrical shunt allowed calculating an effective coefficient for the heat transfer from the surface of the graphite shunt to the cooling belt. The study has proved that the effective heat transfer coefficient has a constant value till the shunt surface temperature reaches the rate of 140 °C. If the temperature exceeds this level, the coefficient value grows because of the lower thermal contact resistance between the cooling belt and the graphite shunt due to the thermal expansion of the latter.

An expression has been developed that generalizes three basic geometric schemes of film deformation (axial, planar, and biaxial extension) and also all intermediate schemes. The system of quantitative identification of nonuniformly biaxially oriented films according to their transverse extension has been tested on six different film types.