Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристика и обоснование математического объекта исследования 9
1.1. Механизм процессов в струйно-эмульсионных реакторах 9
1Л Л. Процесс и агрегат типа струйно-эмульсионный реактор 9
1.1.2. Зонные модели 12
1.2. Гарнисаж в металлургических агрегатах 17
1.3. Обоснование математического объекта исследования 20
1.3.1. Задача формирования и поддержания гарнисажного слоя 22
1.3.2. Задача теплоотводапри формировании и поддержании гарнисажа 24
1.3.3. Система циркуляционного охлаждения 27
L3.4. Постановка задачи создания комплексной модели системы гарнисажного охлаждения. 27
1.3.5. Постановка задачи математического моделирования процессов формирования и поддержания гарнисажа 30
ГЛАВА 2. Типы моделей для решения поставленных задач 32
2.1. Формирование гарнисажа - теплопередача с фазовым переходом 32
2.2. Теплоотдача при течении жидкости в трубах 38
2.3. Расчет гидравлических напоров и коэффициентов местных сопротивлений 44
2.4. Термодинамические модели структурной стабилизации 49
ГЛАВА 3. Математические модели и численные методы 62
3.1. Математические модели формирования гарнисажного слоя 63
3.1.1, Стационарная двухмерная модель 63
3 1.2, Динамика формирования гарнисажа 66
3,1.3. Модель теплового пограничного слоя 71
ЗЛА Модель гидродинамического омывания гарнисажного слоя 76
ЗЛ,5, Процессы структурной стабилизации в гарнисаже 87
3,2, Математические модели гидравлической системы охлаждения 96
3.2Л. Модель обеспечения теплоотвода 96
3.2.2. Модель замкнутой разветвленной двухуровневой гидравлической системы 105
ГЛАВА 4. Комплекс программ и результаты исследований 109
4 Л. Программная реализация стационарной двухмерной модели теплопередачи 111
4.2, Программная реализация моделей теплового пограничного слоя и гидродинамического омывания гарнисажного слоя 118
43. Компьютерная система моделирования динамики формирования гарнисажа 123
4.4. Имитационная программа и САПР системы охлаждения 133
4.5. Функциональная структура автоматизированной системы управления охлаждением металлургических агрегатов струйно-эмульсионного типа 144
4.6- Технологические инструкции при ручном режиме работы автоматизированной системы охлаждения и диагностика аварийных ситуаций 149
Выводы по работе 155
Список использованых источников
- Процесс и агрегат типа струйно-эмульсионный реактор
- Теплоотдача при течении жидкости в трубах
- Модель гидродинамического омывания гарнисажного слоя
- Программная реализация моделей теплового пограничного слоя и гидродинамического омывания гарнисажного слоя
Введение к работе
Актуальность работы, В течение многих столетий существования металлургии основным средством обеспечения стойкости металлургических агрегатов являлась огнеупорная кладка. Однако с повышением интенсивности технологических процессов недостатки такого способа защиты металлургических агрегатов становятся все более очевидны. Это большой расход дорогостоящих огнеупоров, безвозвратные потери в шлак ценного огнеупорного сырья, изменение свойств шлака и возникающие при этом технологические затруднения, а иногда и невозможность реализации некоторых технологий. Альтернативой такому способу защиты агрегатов является целенаправленное формирование и поддержание гарнисажного слоя, что позволяет устранить все три отмеченных выше недостатка, однако, это достигается за счет дополнительных потерь тепла, которые, в принципе, могут быть минимизированы. Решение этих задач невозможно без адекватных математических моделей, описывающих динамику образования и смыва гарнисажа в увязке с процессами теплоотвода и утилизации тепла. Особенно актуальна эта задача для вновь создаваемых высокоинтенсивных струйно-эмульсиоииых металлургических процессов.
Диссертационная работа выполнялась в соответствие с планами госбюджетных НИР по следующим научным направлениям: Производственные технологии. Технологические совмещаемые модули для металлургических мини-производств. Топливо и энергетика. Энергосберегающие технологии; Производство электроэнергии и тепла на органическом топливе.
Цель работы. Решение комплекса задач формирования и поддержания гарнисажа в металлургических агрегатах струйно-эмульсионного типа непрерывного действия на основе создания моделей и комплекса программного обеспечения,
В рамках поставленной цели выделены задачи.
Разработать математические модели и исследовать процессы взаимодействия среды и гарнисажа, определить характерные параметры пограничного слоя.
Разработать математические модели формирования гарнисажа; исследовать динамику его формирования при различных конструктивных параметрах стенки агрегата; произвести прогноз возможного состава гарнисажа при длительной эксплуатации агрегата.
Разработать математические модели и методику расчета сложных гидравлических сетей для системы охлаждения агрегата, обеспечивающей надежное поддержание гарнисажа.
На основе разработанных моделей создать комплекс программ для исследования процессов формирования гарнисажа, а также оптимизации конструктивных параметров системы гарнисажного охлаждения, имитации и диагностики аномальных ситуаций.
Методы выполнения работы. Методы математического моделирования и вычислительного эксперимента, численные методы решения дифференциальных уравнений и систем уравнений, методы объектно-ориентирован но го программирования для разработки многопоточных приложений, современные компьютерные технологии и системы.
Научная новизна диссертации.
Дана постановка и обоснование задачи создания комплекса математических моделей процессов формирования и поддержания гарнисажа применительно к агрегатам струйно-эмульсиоиного типа.
Разработан комплекс математических моделей процессов формирования и поддержания гарнисажа, состоящий из следующих взаимосвязанных моделей:
модель формирования гарнисажа, отражающая процессы затвердевания расплава в их взаимосвязи с гидродинамическими и тепловыми процессами, протекающими в пограничном слое, а также с учетом фазовых и химических превращений веществ;
имитационная модель сложной многоуровневой гидравлической системы ох
лаждения, отличающаяся тем, что одновременно решаются задачи распределе
ния напоров и теплоотвода для каждого охлаждающего элемента.
3. Разработан комплекс программного обеспечения, позволяющий решать во взаимосвязи следующие задачи:
исследование динамики формирования гарнисажа и температурных полей в змеевиковых охлаждающих элементах;
исследование и оптимизация гидравлических, тепловых процессов в гарни-сажной системе охлаждения;
имитация аномальных ситуаций.
Достоверность представленных в работе результатов и выводов, полученных при проведении вычислительных экспериментов, подтверждена тестированием численных методов, а также сравнением расчетных данных с измерениями, полученными на специально встроенном в стенку опытно-промышленного агрегата охлаждающем элементе.
Практическая значимость. На основе разработанных моделей и результатов исследования создан комплекс программного обеспечения, который может быть использован для:
исследования процессов формирования гарнисажа в агрегатах струйно-эмульсионного типа и аналогичных им;
диагностики аномальных ситуаций в системах гарнисажного охлаждения;
целей обучения студентов и повышения квалификации обслуживающего персонала;
автоматизированного проектирования систем гарнисажного охлаждения агрегатов струйно-эмульсионного типа.
Реализация результатов. Результаты исследований на математических моделях и комплекс программ гарнисажного охлаждения использованы:
при создании крупномасштабной опытной установки нового непрерывного
металлургического процесса, реализованной в конвертерном цехе ОАО "За-
п сибметком би нат";
при проектировании системы охлаждения пилотной установки технологиче
ского мини-модуля на основе агрегата типа СЭР совместно с машинострои
тельным заводом "Сибэлектротерм", г. Новосибирск и институтом "Сибирский
сантехпроект", г. Новокузнецк.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по направлению "Металлургия" и по специальности "Информационные системы и технологии".
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
обоснование математического объекта исследования и постановка задач моделирования сложных систем гарнисажного охлаждения;
математические модели динамики формирования и поддержания гарнисажа;
результаты исследований процессов формирования гарнисажа на математических моделях;
методики имитационного моделирования и расчета сложных многоуровневых гидравлических сетей при совместном решении задач гидравлики и теплопередачи;
методика оптимизации конструктивных параметров системы гидравлического охлаждения,
Автору принадлежит: постановка задачи исследований и разработка математической модели формирования и поддержания гарнисажа в металлургических агрегатах струйно-эмульсионного типа; программная реализация имитационных систем на ЭВМ; разработка методики математического моделирования сложных многоуровневых гидравлических сетей и методики оптимизации конструктивных параметров системы гидравлического охлаждения; проведение вычислительных экспериментов и анализ результатов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-ой Всероссийской научно-практической конференции "Информационные технологии в экономике, науке и образовании" (Бийск, 2004 г.); Первой Международной научно-практической конференции "Управление отходами - основа восстановления экологического равнове-
сия в Кузбассе" (Новокузнецк, 2005); Международной научно-практической конференции "Металлургия России на рубеже XXI века" (Новокузнецк, 2005); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (Новосибирск, 2006 г.); Второй Всероссийской научно-практической конференции "Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии" (Новокузнецк, 2006); Третьей международной научно-технической конференции "Современная металлургия начала нового тысячелетия" (Липецк, 2006).
Публикации: результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах. Из них 2 статьи в центральной печати, 1 статья в сборнике статей, 11 материалов научно-технических и научно-практических конференциий.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, изложена на 165 страницах, содержит 64 рисунка, 4 таблицы, список использованных источников составляет 85 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность: научному руководителю направления "Математические модели, автоматизированные обучающие и исследовательские системы, новые металлургические процессы на основе принципов самоорганизации", Заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору В.П. Цымбалу; научному руководителю работы доктору технических наук, профессору С.Н. Калашникову, кандидату технических наук, доценту В.Д. Сарычеву; сотрудникам кафедры информационных технологий в металлургии за внимание и помощь, оказанные при выполнении настоящей работы и обсуждении ее результатов, а также сотрудникам машиностроительного завода "Сибэлектротерм" (г. Новосибирск), института "Сибирский сантехпроект" (г. Новокузнецк) и института теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск) за оценку содержания работы.
Процесс и агрегат типа струйно-эмульсионный реактор
Технологическая схема непрерывного металлургического процесса и агрегата типа самоорганизующийся струйно-эмульсионный реактор (СЭР) [10, 11] представлена на рисунке 1.1.
Система шихтоподачи 1 предназначена для транспортировки, смешения и подачи в агрегат в замкнутом режиме под давлением с помощью дозатора 2 пылевидных шихтовых материалов, что позволяет исключить стадии окомко-вания, присущие большинству известных металлургических процессов, и использовать большую реакционную поверхность пылевидных материалов.
Главным назначением реакционной камеры 3 является создание газовзвеси с большим (и изменяющимся) объемным газосодержанием, сжигание с недостатком кислорода (конверсия иди газификация) природного ГЗ-ЇЗ( мазута шт пшеутольного тошіиба, ныведенхш промесса s сально неравновесное состояние и содержание высокого потенциала, давления реакционных газов, что достигается благодаря использованию эффекта критического истечения д.ау» фа: ной среды в канале 4 в сочетании с изменением ; «содержания а камере 3 вследствие торможения н ускорения химических реакций с газошдеяением.
Рафинирующий отстойник 5 предназначен, прежде всего, для разделения металлической И шлаковой состаиляющнх к оффекгикното протекание н газошлаковой эмульсии гетерогенных Физико-химических процессов. При 3YOM метатл накапливается з КОХЕВІЇЇЬІЇЇ-ЇІСЙ 8, а шлак, ІЗ виде эмульсии или галоЕізвеои. выталкивается через канал 6 с сепаратором газа в гранулятор . В связи с .высоким .сазосодержаннен; .змульсии індак Н грануляторе получается вксокопорис-тъзк, что удобно для грануляции и последукипей технологической переработки, например, в цементной или титановой промышленности (при переработке ТІЇ» таномагнетнтошх руді.
В новом непрерывном металлургическом процессе реализованы основные принципы самоорганизации [12- 18], среди которых можно выделить следующие.
1. Создание условий, обеспечивающих выведение процесса в существенно не равновесное состояние.
К таким условиям можно отнести следующие: - реализация конструкции агрегата (объемлющей системы), обеспечивающей поддержание повышенного давления и осциллирующей характер процесса; - использование свойства критического истечения двухфазных сред для самозапирания реактора; - создание предельно больших поверхностей реакций (диспергирование и эмульгирование); - выбор соотношений и режимов подачи энергоносителей и шихтовых материалов, обеспечивающих существенное превышение окислителей или восстановителей над равновесным состоянием.
2. Реализация принципа подчиненности процессов взаимодействия на микрочастицах (каплях, пузырьках, твердых частицах) параметру порядка в реакторе-осцилляторе. Это осуществляется путем пульсации давления в системе через достижение критической скорости истечения, изменение газосодержания и взаимодействие со средой (подвод-отвод).
3. Распределение процессов и термодинамических потенциалов в двух реакторах.
Качественно характер изменения термодинамического потенциала (например, величины отклонения системы от равновесия) представлен на рисунке 1.2.
В первом реакторе осуществляется выведение процессов в сильно неравновесное состояние. Во втором реакторе реализуется преимущественно свободное движение системы к равновесию.
Агрегат предназначен для переработки шлама, окалины, графита и других пылевидных материалов и отходов. Производительность установки для технологии прямого восстановления по схеме руда и пылевидные отходы сталь 2-7 кг/с.
Анализ основных механизмов процессов, протекающих в рассмотренном выше агрегате, дает основание полагать, что в связи с последовательным характером превращений исходных веществ, протекающих в ряде физически или функционально локализованных объемах, наиболее адекватным подходом к структуризации всего достаточно сложного механизма является пространственно-зонный принцип декомпозиции.
Рассмотрим интерпретацию этого подхода для выделенных зон пока на качественном уровне (см. рисунок 1.3),
Зона 1. Сжигание природного газа с недожогом и его частичная конверсия.
Зона 2. Образование псевдогомогенной газовзвеси, начало прогрева и восстановления оксидов. По отношению к зоне 1 эта зона выступает как демпфирующая и стабилизирующая составляющая. Но, в принципе, в этой зоне могут развиваться концентрационные волны диффузии и кинетики в радиальных направлениях, и волны сжатия, сгенерированные зоной 1.
Зона 3. Соединительный канал, через который движется двухфазный поток (газовзвесь). Здесь продолжаются процессы горения жидкого топлива и газа на поверхности частиц и процессы восстановления оксидов, а также деструкция твердого углерода. Важной задачей, с практической точки зрения, здесь является оценка степени превращения поданной в первый реактор шихты за время пребывания в зонах 1-3.
Но определяющим процессом в зоне 3, безусловно, является газодинамика двухфазного потока: волны сжатия и разрежения (одномерная задача) и распределение скоростей по сечению канала (двухмерная задача) с выходом на пристенные скорости, так как от этого зависит толщина гарнисажа и его стойкость.
Зона 4. Внедряющийся во взвешенную эмульсию двухфазный поток. Эту зону, по-видимому, можно рассматривать с одной стороны, как модель идеального смешения, с другой стороны, как динамический аналог провальной решетки, которая на высоко турбулизованных вихрях (и за счет волн расширения нагревающегося газа) держит зону 6, которую можно рассматривать как псевдо-ожиженный слой в виде турбулизованной пены и газовзвеси твердых частиц.
Теплоотдача при течении жидкости в трубах
Гидродинамические условия развития процесса. При вынужденном движении жидкости внутри трубы различают [26] два режима течения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях движения жидкости. При скоростях потока, больших некоторого значения и кр, режим течения переходит в турбулентный. Для различных жидкостей и трубопроводов критическая скорость различна. Режим течения жидкости определяется по величине числа Re - w d/v. Если Re меньше критического iteKp, то режим течения ламинарный. При движении жидкости в трубах ReKp - 2-10 . Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях Йе 1-10 - Диапазон изменения Re от 2-Ю3 до 1-Ю4 соответствует переходному режиму течения.
Приведенные законы распределения скоростей по сечению трубы справедливы лишь для так называемого гидродинамически стабилизированного движения. Стабилизация наступает не сразу, а на некотором расстоянии от входа в трубу. На этом участке характер движения и распределение скорости претерпевают большие изменения. Процесс стабилизации профиля скоростей происходит следующим образом. Вблизи входного сечения на поверхности трубы образуется динамический пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается по мере увеличения расстояния от входа в трубу. На некотором расстоянии от входа в трубу происходит смыкание слоев и течение приобретает стабилизированный характер. На рисунке 2.3 схематически показано такое развитие процесса. Если число Re = w-d/v меньше критического, то на всем протяжении гидродинамического начального участка стабилизации течение в пограничном слое имеет ламинарный характер (рисунок 2.3, а). Когда Re Лекр, вблизи входного сечения сначала формируется ламинарный пограничный слой, который затем переходит в турбулентный, и после смыкания турбулентных пограничных слоев устанавливается стабилизированное турбулентное течение жидкости (рисунок 23, б). При этом у самой поверхности, в очень тонком вязком подслое, течение сохраняет ламинарный характер.
Длина гидродинамического начального участка стабилизации потока при ламинарном режиме определяется соотношением /,,=0,05- (2.15) т. е. значение /„ тем больше, чем выше число Re. При турбулентном течении величина /н слабо зависит от Re и составляет примерно In 15d. (2.16)
Следует заметить, что в данной работе речь будет идти только о турбулентном течении жидкости, так как в этом случае создаются более благоприятные условия для теплоотдачи. При турбулентном режиме [26, 49] движения перенос теплоты внутри жидкости осуществляется в основном путем перемешивания. При этом процесс перемешивания протекает настолько интенсивно, что по сечению ядра потока температура жидкости практически постоянна. Резкое изменение температуры наблюдается лишь внутри тонкого слоя у поверхности.
Первым наиболее подробным и правильно поставленным экспериментальным исследованием теплоотдачи при турбулентном режиме течения газов является работа Нуссельта [26,48], При обработке данных он впервые применил теорию подобия и получил обобщенную зависимость. В дальнейшем было проведено большое количество новых исследований с различными каналами и разного рода жидкостями в широком диапазоне изменения основных параметров. На основе анализа и обобщения результатов этих исследований для расчета средней теплоотдачи установлена зависимость [50] Ыиж = 0,021-0 43 iPrJPr Si, (2.17) где Деж=\ус1/Уж;
Ргж= vja Prc vjac; где индексы "ж" и V означают, что физические свойства выбираются по средней температуре жидкости и стенки соответственно ;w - скорость движения жидкости; d - диаметр трубы; v - кинематический коэффициент вязкости; а -коэффициент температуропроводности. За определяющую температуру здесь принята средняя температура жидкости входящее выходящее /л , Q\ Ж » U-IOJ а за определяющий размер - эквивалентный диаметр dm равный учетверенной площади поперечного сечения канала, деленной на его полный (смоченный) периметр, независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене 4r4// и, где /— площадь поперечного сечения канала; и - полный периметр канала. Для труб круглого сечения эквивалентный диаметр равен геометрическому,
Коэффициент j учитывает изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы. Если l/d 50, то Є = 1. При l/d 50 необходимо учитывать влияние теплового начального участка.
Множитель (PrJPrc)025 представляет собой поправку, учитывающую зависимость физических свойств теплоносителя (в основном вязкости) от температуры, В зависимости от направления теплового потока эта поправка может быть как больше, так и меньше единицы.
Расчет теплоотдачи в изогнутых трубах производится по формулам для прямой трубы с последующим введением в качестве сомножителя поправочного коэффициента Єя, который для змеевиковых труб определяется соотношением ед=1+1,77чйй, (2.19) где R — радиус змеевика; d — диаметр трубы.
В змеевиках действие центробежного эффекта на интенсификацию теплоотдачи распространяется на всю длину трубы. В поворотах же и отводах центробежное действие имеет лишь местный характер, но его влияние распространяется и дальше. За счет увеличения турбулентности потока в последующем за поворотом прямом участке трубы теплоотдача всегда несколько выше, чем в прямом участке до поворота.
Модель гидродинамического омывания гарнисажного слоя
Упрощенно механизм протекающих процессов в эмульсионном реакторе колонного типа выглядит следующим образом [82]. В нижнюю часть реактора на границу между уровнем металла в копильнике и столбом газошлакометал-лической эмульсии, поступает из первого реактора газовзвесь с объемным газосодержанием 98 - 99%. Для упрощения задачи предполагаем, что несущий газ является продуктом неполного сжигания в кислороде реформированного природного газа. При этом считаем, что водород сгорает в первом реакторе, а во втором реакторе газ в основном состоит из СО и С02. Основной технологической задачей в этом реакторе является восстановление оксида железа, например в результате следующих химических реакций FeO + CO = Fe + C02 (1) С02 + О2С0 (2) СО + 0,507 = СО, (3) FeO + C+0,5O2=Fe + CO2 (4).
При этом несущий газ, в связи с его большим объёмным содержанием по отношению к конденсированной фазе, может рассматриваться в качестве термостата, то есть имеет место определенное приближение к двухящичнои модели Вант Гоффа.
Фактически в этом агрегате в локальных объёмах имеет место ряд возможных комбинаций физико-химических взаимодействий на поверхностях контактов микрочастиц, в том числе: пузырек СО - оксид железа, твердый углерод - оксид железа, твердый углерод - газ и т.д. Однако на данном уровне задачи рассматривается результирующий эффект усредненного ансамбля всех этих частиц. Следует также заметить, что остальные содержащиеся в шихте и шлаке оксиды (кроме FeO), такие как А1203, Si02, ТЮ2, СаО, рассматриваются как химически неактивные (балластные) по отношению к углероду (до тех пор, пока в системе существуют оксиды железа).
По сравнению с моделью Г.П. Гладышева, где рассматриваются только физико-химические процессы на уровне локальной макрокинетики в предположении квазилокального равновесия, в данном примере, кроме того, одновременно рассматривается задача стационарной газодинамики, в результате чего осуществляется поддержание столба эмульсии восходящими потоками газа. При этом необходимо учитывать также гравитационную составляющую, которая с учетом параболического характера распределения скорости потока (см. рисунок 3.6а) и скольжения "частиц" эмульсии по отношению к несущему газу, играет существенную роль в сепарации частиц железа, образующихся в результате восстановительных процессов на упомянутых выше поверхностях взаимодействий. При этом возможен обратный поток "тяжелых" частиц в пристенном слое агрегата. Гравитационная составляющая играет важную роль также в неравномерности распределения плотности эмульсии и её объёмного газосодержания по высоте агрегата, а с учетом гетерогенности процессов в локальных объемах можно также ожидать усиления неравномерности распределения по высоте отдельных составляющих исходных веществ или продуктов превращений, например, карбидов титана и др.
Интересным моментом может оказаться "вымораживание" некоторых составляющих шлакового гарнисажа в зависимости от их температуры плавления, что может играть существенную роль в процессе самопроизвольного или целенаправленного формирования состава гарнисажа, в том числе в создании так называемого функционально-градиентного гарнисажа (ФГГ). Следует также заметить, что в случае работы агрегата в непрерывно-периодическом режи ме процессы формирования гарнисажа могут оказывать влияние на состав шлака и даже конечного продукта.
Таким образом, мы представили основной механизм протекающих в этом реакторе процессов, упрощенно отраженных на рисунках 3.6 а и 3.6 б.
С точки зрения иллюстрации задач структурной стабилизации необходимо рассматривать параллельно и в то же время взаимосвязано два основных упомянутых выше механизма: макротермодинамический и газодинамический (с учетом гравитационных сил).С позиции макротермодиналшческого механизма для рассматриваемых химических реакций, а также подводимых, отводимых веществ и продуктов реакций необходимо рассчитать энергии Гиббса и энтропии для определенных начальных условий. Затем, следуя определенной логике движения макросистемы необходимо считать приращения термодинамических функций для всех образующихся веществ, остающихся в агрегате и отводимых из него, что позволит получить картину макрокинетики процесса.
Эта картина в определенной степени зависит от второго механизма -взаимодействия газодинамических и гравитационных сил, обуславливающих сепарацию частиц по радиусу агрегата и неравномерное распределение параметров (в том числе концентраций) по высоте.
Прежде чем перейти к рассмотрению сформулированного ГЛ. Глады-шевым макротермодинамического принципа (по аналогии с его примером) предположим, что упомянутая выше газодинамическая модель находится в стационарном состоянии, т.е. в результате уравновешивания газодинамических и гравитационных сил установилось определенное распределение скоростей, концентраций и времени пребывания различных фаз в агрегате. При этом особенно важно подчеркнуть, что плотность эмульсии рэ =/(Н) и газозосодержа-ние смеси ar=f(H) очень существенно меняются по высоте агрегата. Это обстоятельство вместе с другими, упомянутыми выше процессами сепарации, обуславливает очень большие различия по составу взвешенных в газовой фазе конденсированных веществ в нижней и верхней зоне колонного реактора.
Программная реализация моделей теплового пограничного слоя и гидродинамического омывания гарнисажного слоя
На основе матемаїнчесісих моделей приведенных в параграфах ЭЛЗ и 3.1.4 была построена компьютерная система исследования теплового и динамического іюіршшчшш) слоя [52], экранная форма которой представлена на рисунке 4.12. Данная система бшза реализована в среде разработки Windovfe-првложений Borland Delphi 7 с использован нем объек-пш-ориентировиншл-о подхода программирования, ори этом были реализованы следующие классы: TMatr - для выполнения операций с матрицами if векторами, ТТгіалц - УСІ ЕШІГІ-зуемый длі отображения температурных полей, THS - реализуюрдай решение уравнений гидродинамики, TConvectiveHeatTraosfer - реализующий решение уравнения конвективного теплообмена, Решшша задачи гидродинамике: в этой системе возможно как раздельно решением задачи конвеїсгнвного тешюперо носа, так и совместно с ним. Зга система позволяет проследить развитие гидродинамической и тепловой картины в пограничном слое во времени. пример развития процессов и начальной стадии, при згом вт&яьны% условия па тшшртуре таковы, что вся жидкость в начальный момент времени имеет температуру стенки (стенка расположена снизу),, с левой границы втекает поток со сноей температурой. На рисушш 4J3 представлено графическое оюбраженио етабшішировавпшхея тешіоіюго и динамического пограничных слоев.
К достоинствам данной системы можно отнести.
1. Масштабированное отображение графической информации. Имеется возможность совместного отображения данных гидродинамической и тепловой задач,
2. На основе выражений о сходимости методов система автоматически подбирает шаг по времени,
3. Реализовано разделение на отдельные потоки следующих задач: отображение информации, решение дифференциальных уравнений, управление системой. Это позволяет в реальном времени изменять исходные параметры задачи и, не приостанавливая решение дифференциальных уравнений, выводить графическую информацию через заданный промежуток времени.
4. Реализована возможность выгрузки расчетных данных в приложение Excel. Это позволяет производить различное преобразование данных, их обработку и графическое представление наиболее существенных сторон процессов, протекающих в динамическом и тепловом пограничном слое.
Исследования толщины динамического и теплового пограничного слоя
На рисунке 4.14 представлены различные распределения продольной скорости потока в зависимости от числа Re. На этом рисунке также показана зависимость толщины динамического пограничного слоя, рассчитанного на основе эмпирического уравнения (3,24).
Анализируя эти данные можно сказать, что наиболее интенсивно тепловой пограничный слой развивается в начальных точках омываемой поверхности.
При моделировании гарнисажного охлаждения возможны различные ситуации развития динамического и теплового пограничного слоя, поэтому исследование динамики формирования гарнисажа возможно только при использовании данной модели,
Исследование влияния конструктивных параметров на процесс теплопередачи в стенке агрегата и полученная аппроксимирующая зависимость коэффициента эффективной площади теплоотдачи трубы от шага и внутреннего диаметра змеевика (3.72) позволяют с незначительной погрешностью общего решения перейти к одномерному моделированию динамики формирования гарнисажа.
Достоинства такого подхода заключаются в следующем: - одномерная задача моделирования динамики формирования гарнисажа наиболее проста в реализации; - скорость решения в одномерной постановке сравнительно с многомерным моделированием в несколько раз выше, что является немаловажным фактором для исследований.
Кроме того, исследования процессов теплопередачи на двумерной модели показали, что изотермы в слоях 2,3 (рисунок 1.9) имеют линейный характер, поэтому гарнисаж будет формироваться одинаковой толщины вдоль стенки агрегата (по крайней мере, в пределах 3-4 витков змеевиковой секции). Таким образом, переход к одномерному моделированию динамики формирования гарнисажа является обоснованным и наиболее приемлемым.
