Введение к работе
Актуальность проблемы, Низкие коэффициенты полезного топлгаоислоль-зоваиия и значительные объемы экологически вредных выбросов в производстве строительных материалов, металлургии и химической промышленности обусловливают необходимость совершенствования тэллотехяологических процессов з промышленных печах, котлах- утилизаторах, энерготехнологическщ котлах я других теплотйхиолоппесип установках. Эта важнейшая инженерная задача может быть решена лишь при наличии расчетных методов, позволяющих с яомоїцью электронных вычислительных мании (ЭВМ), математического моделирования и вычислительного эксперимента надежно прогнозировать параметры газодинамических и тенломасссобменных процессов, составляющих в своей совокупности режимы тепловой работы теплотехнологичесюгх устшюзох.
Научная проблема, роїпєквая в диссертации, возникла из-за отсутствия в настоящее время достаточно точных методов математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена, пріп-одітх для решения іш -женерных задач расчета и оптимизации теплотехнологическнх установок. Полуэмпиричесхие и дифференциальные методы расчета радиационного теп -лообмена не обеспечивают необходимой точности расчетных результатов, в то время как зональные методы математического моделирования радиационного теплообмена, являшпгеся численной реализацией на ЭВМ алгоритмов решения интегральных уравнений переноса излучения, ваходят лшдь ограниченное применение в инженерной практике из-за чрезмерно большого объема вычислений и плохой методической совместимости с алгоритмами численного решения дифференциальных уравнений движения газов и копвекппшого пара-поса теплоты.
Работа выполнялась в 1982-1984 годах в рамках задания 02.04.01.02 Мішстройматериалов СССР ив 1993-J 994 годах в соответствии единым заказ-нарядом Госкомитета РФ по высшему образованию по теме 1,11.93 БелГТАСМ. В1990-1991 годах выполнялись заказы ПО 'Белзяергомаш" и НПО Цевтроэнергоцветмет по разработке методов расчета радиационного теплообмена в котлах-утилизаторах сернохислотных и медеплавильных производств.
Цель работы заключается в создании и научном обосновании достаточно., точных аяаліпичесия и численных методов математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена для решения инженерных задач расчета и оптимизации тепловой работы теплотехнолоппеских установок с учетом веизотермичности газообразной среды, турбулентного движения газов и горения топлива.
Научная новизна. Разработаны новые методы математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена в теплотехнологнче -ских установках на основе нового научного подхода, использующего принцип суперпозиции излучения неограниченной неизотермической среды и дополнительного излучения границ.
Впервые найдено разложение интенсивности излучения в неограниченной среде в ряд, что позволило выполнить его почленное интегрирование по телесному углу и впервые получить точные дифференциальные выражения для потока излучения в форме ряда, Уточнено дифференциальное уравнение переноса излучения и сформулированы более точные граничные условия, учитывающие анизотропность излучения. Составлены интегральные выражения для дополни -тельного излучения границ. В итоге создав новый расчетный метод совместных потоков излучения. На его основе выполнен вывод новых расчетных формул для степени черноты оеизотермической среды и впервые получены расчетные уравнения радиационного теплообмена для неизатермнческой селективной среды в приближении антисерого спектра.
Впервые разработана приближенная аналитическая теория прямоточного диффузионного фахела, включающая расчетные уравнения для количества транспортируемого воздуха, мгссового расхода и концентрации несгореашего топлива, длины факела и Конфигурации зовы горения, а также температуры газообразной среды в различных поперечных сечениях факела. Составлен алгоритм математического моделирования параметров, температуры и теплоотдачи диффузионного фахела, учитывающий неизотермнчиость струйного течения.
Раїрабоші новый алгоритм численного решения дифференциальных урав -нений движения вязкой среды, обеспечіюающшї безусловную устойчивость вычислительной схемы. Уточнены закономерности турбулентного переноса им -
пульса и теплоты з пристенной области и найдены сообщающие полуэмпирические зависимости для турбулентной вязкости и турбулентного числа Прандт-ля. Разработан новый численный метод математического моделпроваши радиационного и комбинированного теплообмена в теплотехнологшоехж установках, сочетающий относительную простоту алгоритмов численного интетрігро-вания дифференциальных уравнений и точность, свойственную решениям интегральных уравнений переноса излучения.
Совокупность теоретических положеній, разработанных в диссертации, может рассматриваться как новое достижение в развитии методов математн -ческого моделирования радиационного и комбинированного теплообмена в ин -женерных задачах расчета и оптимизации теплотехнолопгческих установок,
ловтор_защшіает:
-
новый научный подход к расчету потоков теплового иэлучеши как суперпозиции излучения неограниченной среды и дополнительного излучения, возникающего на границах рабочего объема теплотехнолопгческш устройств;
-
способ разложения в ряд интенсивности излучения в неогранігчениой поглощающей или ослабляющей среде и дифференциальные выражения в форме ряда для плотности потока излучения и лучистой температуры;
-
новый расчетный метод совместных потоков иэлучеши, уточненные дифференциальные уравнения переноса излучешн в неограниченной среде, граншные условия и шггегральные выражения для дополшпельного излучения границ;
-
аналитический метод математического моделирования одномерных задач радиационного теплообмена в приближении антисерото спектра применительно к теплотехнологическим установкам, включая расчетные формулы для степени черноты иензотермической селективной н запыленной газообразной среды;
-
аналипгчесхую теорию прямоточного диффузионного факела, включая уравнения дли расчета дліош н конфигурации факела, массовых расходов вовлеченного воздуха и носгоревшего тонлігоа, а также сродном знталиши и температуры среды и непорочных сечениях диффузионного факела;
fi) алгоритм математического моделирования параметров и радиацімпіпй теплоотдачи диффузионного факела, учіггиваюгшгй тчпотермнчность '"Р"Л":
-
аналитический метод математического моделирования смешения кисло-родовоздуншых струй с отходящими газами промышленных печей при дожигании горючого технологического уноса;
-
алгоритм PRM численного решения дифференциальных уравнений движения вязкой среды;
-
уточненные полуэмпирические зависимости для турбулентной вязкости и турбулентного числа Прандтля в пристенном вязком и переходном подслое;
10) численный метод SMART математическою моделнроважк радиаци
онного и комбинированного теплообмена в теплотехиологаческих установках.
Практическая ценность работа. Новые методы расчета и математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена создают условия для перехода от недостаточно точных полуэмпирических теплозых расчетов к комплексному математическому моделированию теплозой работы тепло-техиолсгических установок. Аналитические методы математического моделирования радиационного теплообмена пригодны для предварительного отбора рациональных вариантов конструктивных схем и тепловых режимов работы этих установок.
Прикладные возможности разработанных расчетных методов использованы в диссертации для определагем условий оптимизации тепловой работы энерго-технологических котлов и промышленных пзчей, теплотехнологических услозий повышения стойкости футеровки вращающихся печей нрз: обжиге цементного клинкера и расчетного обоснования эффективного способа дожигания в кисло-родовоздушпых струях горючего увоса за печью автогенной планки медных концентратов.
Реализация результатов работы. Разработанные юшенерныа методы рас -чета и математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена применяются конструкторскими и проектными организациями при создании нового теплотехиологическото оборудования. Специальное конструк-торское бюро АО "Белгородский завод энергетического машшостроения", Объединенный ннженерішй коллектив "ЭНЭК" АЛО Центроэнергоцветмет и другие проектные организации выполняют тепловые расчеты эиорготехноло-пгееши паровых котлов и котлов - утилизаторов и определяют проектные ус -лоега дожигашш горючего уноса печей в кнслородовоздушных струях в ради -
лцжянгой камере котлов-утилизаторов с помощью программ на ЭВМ, реа-лнзуюинк расчетные методы, разработанные в диссертации. Институт Юж-гшроцемент применяет метод математического моделігрования параметров и теплоотдачи диффузионного факела при создании горелочных устройств для цементных вращающихся печей. Основные теоретические положения и алгоритмы новых расчетных методов изложены в учебных пособиях и применяются в учебном процессе по специальности 10.08 "Энергетика теплотехнолюпш" в БелГТАСМ.
С помощью разработанных методов расчета радиационного теплообмена обосвована оптимальная конструкцій энерготехнологических паровых котлов для сериохлслотных систем, защищенная авторским свидетельством и патентом. Экономический эффект до 1992 года составил свыше 1 млн. рублей.
Апробатая работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 2-м Мішсхом международном форуме по тепломассообмену (1992 г.), на 14 международных, всесоюзных и всероссийски» и двух региональных научных конференциях, тахих как "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химичесхих производств" (Харьков, 1985), "Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы паровых котлов" (Таллин, 1986), "Радиагдасгашй теплообмен в технике и технологии" (Каунас, 1987), "Проблемы энергетики теалотехволопк1' Москва, 1987), "Современное состояние, проблемы и персяектизы энергетики і технологии в энергостроекш" (Иваново,' 1989), "Теория и практика «ома— іексиой оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании >рганических топлив в энергетике и промышленности" (Ташкент, 1991^, Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехлолопм" (Москва, 991), "Ресурсосберегающие технологий строительных материалов, изделий и инструкций" (Белгород, 1993), "Математические методы в химии и химической ехнологии" (Тверь, 1995). Б программу 3-го Минского международного форума по тепломассообмену (йаЛ 1996 г.) включен доклад по теме дис-ертапші.
Публикации. По матёриалая1 диссертаций опубликовано свыше 40 работ, в ом числе семь научных сіатеіі в1 Центральных и академичесгагх журналах.
Об>ем и структура работы. Материал диссертации изложен на 198 страни-, цаз машинописного текста. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содерзкит 27 рисунков и две таблицы. Библиография имеет 256 наименований.
