Содержание к диссертации
стр.
ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 9
Глава I. ЭЖЖРИШТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЩОВАНШ
. ФАКЕЛА И ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА В ПЛАМЕННЫХ
ПЕЧАХ 13
Экспериментальные и теоретические исследования факела 13
Методы расчета диффузионного факела . 16
Расчеты конвективного теплообмена 29
Методы расчета радиационного
теплообмена 30
* 1.5. Выводы и задачи исследования 35
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ
ФАКЕЛОВ ДВУХПРОВОДНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГОРЕЯОК
НА ОГНЕВОМ СТЕНДЕ 37
Описание стенда 37
Методика проведения эксперимента 44
Методика измерения скоростей 44
Измерение температур в камере
стенда 47
2.2.3. Метод определения концентрации
газа 52
2.2.4. Методика определения тепловых
потоков на стенки камеры стенда.... 53
Результаты эксперимента 54
Выводы по главе 2 65
стр.
Глава 3. РАСЧЕТ ОГРАНИЧЕННЫХ ДИФФУЗИОННЫХ ФАКЕЇЇОВ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ТОРЖОК 66
Постановка задачи 66
Расчет диффузионного факела в горелоч-
ном туннеле горелки 68
Расчет диффузионного факела в камере сгорания 72
Начальные и граничные условия в расчетах факела методом эквивалентной задачи теории теплопроводности 76
Метод решения. Конечно-разностная аппроксимация дифференциальных уравнений 78
Алгоритм расчета факела промышленных горелок 80
Проверка адекватности математической модели диффузионного факела 85
Эксперимент Хабиба и Уаитлоу .... 87
диффузионный факел промышленных горелок 89
Диффузионный факел сильной стесненности 96
3.8. Выводы по главе 3 105
Глава 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ФАКЕ
ЛА ДНЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛО
ОБМЕНА 106
Зональная схема расчета сложного теплообмена 106
Расчет теплообмена излучением 109
Расчет конвективного теплообмена между зонами 115
стр.
Расчет источника (стока) тепла в зонах.... 117
Расчет тепловых потерь ограждениями
печи в окружающую среду 118
Алгоритм расчета сложного теплообмена зональным методом 119
Проверка адекватности комплексной математической модели расчета сложного теплообмена 123
Выводы по главе 4 128
Глава 5. СОВЕРШЖСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
ВО ВРАЩАЩИКСЯ ПЕЧАХ РТУТНОГО ПРОИЗВОДСТВА 131
Краткая характеристика технологии производства ртути 131
Конструкция и анализ работы вращающихся
печей ртутного производства 133
5.3. Математическая модель спутного составного
диффузионного факела. Выбор рациональной
конструкции промышленной многосопловой
горелки 135
5.4. Выводы по главе 5 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .150
ЛИТЕРАТУРА 153
ПРИЛОЖЕНИЕ 171
ОБОЗНАЧЕНИЯ
А- А: па - коэффициент радиационного обмена;
q. - поглощательная способность j-t зоны;'
q 5 - степени диссоциации ОО2 и Н^О ;
а-. Ь\ - коэффициенты прогонки;
ас ,6С - коэффициенты аппроксимации Ср =f (Т) ;
A j, bj, С]., S^ - коэффициенты разностного уравнения;
дВ:,- - кол-во горючего, сгоревшего в і-й зоне;
С, -5F— - концентрация (массовая доля); &то - восстанов-кг ленная горючего; С'ок - восстановленная окислителя; Сф- восстановленная на фронте факела; СГ0]:) - горючего ; Сок - окислителя; С - продуктов сгорания; CL - 1-го компонента;
CL, -^— - изобарная теплоемкость; СРд - 1-го компонента;
У КГ* К
4 С« ш - продукты сгорания; ( - на фронте факела; С - эмпирическая константа зависимости ? =f(x) ',
C-L: , м - высота пика 1-го компонента;
Вк, м - диаметр камеры, печи;
F - функция, имеющая смысл характеристик потока;
F - относительная характеристика потока;
F - относительная избыточная характеристика потока; F-. . м3 - площадь L-ой зоны;
L 1
- интегральный обобщенный разрешащий угловой коэффициент с зоны І на зону і ;
>0\ J-^iuiciu, WQg'
,^- -расход: &пг горючего, G-np- окислителя; с
относительный массовый расход восстановленного горючего;
производительность печи;
интегральный коэффициент поглощения 1-й зоны;
коэффициент теплопередачи от кожуха камеры (печи) в окружающую среду;
- число узлов разностной сетки по "| ;
длина: 1к- камеры (печи); н г - носика горелки;
молекулярная масса 1-го компонента;
число опытов;
число узлов:разностной сетки по х;
давление; PpQ - парциальное давление окислов Ж^; Pg о ~ парциальное давление водяных паров;
Q, - источник: Qttjjq - энергии диссоциации газа; Q^ - низшей
рабочей теплоты сгорания топлива; Qqq и Цд низшей рабочей теплоты сгорания СО и Но соответственно;
Q ЬТ - тепловой поток: Q?. - радиационный с зоны I на
зону j ; Q^L - конвективный между поверхностной
1І»
зоной I и примыкающей к ней объемной зоной; Qt; ~ конвективный между соседними объемными зонами; Qn0T,i - результирующий через стенку печи;
QM . - суммарный результирующий на материал в зоне; Qn,i ~ за счет внешних источников энергии; R , м - радиус; R - камеры (печи);
—Ш _ универсальная газовая постоянная;
КмольК
Эф, м - эффективная длина пути луча;
к - температура: ТГ01Э - горючего; Тфр -на фронте
факела; Тср - средняя по сечению камеры; TQK -
окислителя; Т0 - окружающей среды;
U ,—~- - аксиальная составляющая вектора скорости;
UQ|- на срезе газового сопла; UQ2- на срезе воздушного сопла; VL , м3 - объем I- ой зоны;
X 2?f - аксиальная, радиальная и угловая координаты;
dL - коэффициент: dK- конвективной теплоотдачи:
d - избытка воздуха; о(.рел - релаксации;
ол- лучистой теплоотдачи; ^-на1Э - теплоотдачи
в окружающую среду;
Д* - точность расчета температуры;
S» - толщина і-и стенки;
6 - степень черноты; со - интегральная степень
черноты COgj 8ц о ~ интегральная степень черноты Н2О; 8нат) - корпуса печи; gL- 1-й зоны; - коэффициент теплопроводности; Л\- стенки печи;
- динамический коэффициент вязкости;
кинематический коэффициент вязкости;
продольная координата в лианеризованном пространстве : $ - для динамической задачи; ~f- для тепловой задачи; fc - для диффузионной задачи;
- плотность;
коэффициент излучения абсолютно черного тела;
отношение приведенных продольных координат для динамической задачи и для тепловой (диффузионной) задачи;
угловой коэффициент с зоны I на зону j ;
угловая координата;
интегральный обобщенный угловой коэффициент с зоны I на зону к;
стехиометрическое число;
- число Буссельта; J\lu _ - для трубного течения;
Ku (X) - на расстоянии X от горелки;
критерий Прандтля; Psr - для газового потока при температуре газа; Pgw - для газового потока при температуре стенки;
критерий Рейнольдса; Re ФТ1 - для трубного течения.
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС определена перспектива развития народного хозяйства страны в XI пятилетке, намечена программа ускорения научно-технического прогресса и на этой основе повышения эффективности всего общественного производства и качества продукции. В связи с этим необходимо решить ряд важных задач в металлургии и металлургической теплотехнике, в частности.
В области печестроения и эксплуатации печей черной и цветной металлургии решение поставленных задач достигается рациональным, высокопроизводительным использованием существующих и повышением качества проектирования вновь сооружаемых агрегатов и элементов их конструкции.
Система отопления является, без сомнения, одной из главных систем печеного агрегата. Точный расчет и проектирование системы отопления служат надежной гарантией соблюдения технологии, экономичности и "экологичности" работы печи.
Основным элементом системы отопления печи являются сожига-тельные устройства. И среди них, безусловно, первое место по применению в металлургии занимают горелки для сжигания газа.
Современный уровень развития производства предъявляет к га-зогорелочным устройствам ряд требований, таких как простота конструкции и ее технологичность, возможность широких пределов регулирования и работы на газе с различней теплотой сгорания, обеспечение устойчивых параметров газового факела и др.
Большинству этих требований удовлетворяют горелки без предварительного смешения, нашедшие применение в печах металлургичес-
- 10 -кого, огнеупорного, цементного и других производств.
Широкое распространение указанного типа горелок требует разработки надежных методов расчета создаваемых ими турбулентных диффузионных факелов. На основе этих расчетных методик производится в дальнейшем определение параметров внешнего и внутреннего теплообмена в печи.
Сложность решения поставленной задачи обусловлена комплексным взаимовлиянием процессов, имещих место в факеле (турбулентности, диффузии, химической кинетики, теплообмена и др.). Существующие же в настоящее время, с одной стороны, эмпирические и одномерные схемы расчета, позволяющие определять лишь интегральные характеристики факела (длину, эжектирующую способность и др.), а с другой стороны, математические модели, оонованные на решении уравнений Навье-Стокса, отличающиеся повышенной сложностью и требующие большого количества эмпирических данных, не могут удовлетворять инженерным задачам. Отсутствует и сколько-нибудь подробное экспериментальное исследование факела, создаваемого промышленныгш горелками.
В то же время, применение простых, но несущих достаточно полную информацию о факеле методов расчета на основе так называемой эквивалентной задачи теории теплопроводности, дает вполне удовлетворительные результаты. Этому в значительной степени способствует высокий уровень современной вычислительной техники.
В связи с вышеизложенным, автор ставит следующие задачи;
а) создать математическую модель турбулентного диффузионно
го факела промышленных горелок для условий огневых камер и
печей различной стесненности;
б) на основе разработанной модели факела построить схему
расчета сложного теплообмена в цилиндрических камерах и печах;
- II -
в) провести экспериментальные исследования факелов промыш
ленных горелок на огневом стенде с целью проверки адекватности
математической модели факела и теплообмена;
г) разработанную математическую модель использовать для мо
дернизации горелки и совершенствования процессов сжигания газа
во вращающейся печи Хайдарканского ртутного комцината.
Автор ставит также задачу реализации разработанной математической модели в вычислительных программах, ориентированных на математическое обеспечение единой системы ЕС ЭВМ и отвечающих требованиям надежности и удобства в эксплуатации.
Работа выполнена на кафедре теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства Московского института стали и сплавов и на Каменском опытном заводе ВШО "Союзпромгаз" в 1979-1983 гг. по научному направлению кафедры "Исследование теплообмена и аэродинамики в металлургических печах черной и цветной металлургии".
В диссертации разработана математическая модель турбулентного диффузионного факела, создаваемого промышленными горелками в цилиндрических камерах и печах. Модель факела служит основой для создания методики расчета сложного теплообмена, основанной на зональной схеме. Параметры диффузионного факела рассчитаны с учетом диссоциации продуктов сгорания. Математические модели реализованы в Фортран-программах, ориентированных на математическое обеспечение ЕС ЭВМ. Экспериментально исследована структура факела и его теплоотдача в огневом стенде С-50 Каменского опытного завода при испытании промышленных горелок серии ДВС.
С помощью математической модели факела и теплообмена даны рекомендации по реконструкции горелки и выбран рациональный режим переработки ртутного сырья во вращающихся печах Хайдарканского
- 12 -ртутного комбината. Внедрение модернизированных горелок позволило усовершенствовать тегшературныи режим в печах, сократить расход природного газа и уменьшить количество отходящих газов, содержащих ртуть. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы на четырех печах Хайдарканского ртутного комбината составил ІІ2759 руб. в год.
Автор выражает благодарность ассистенту Ивановского энергетического института к.т.н. Бухмирову Вячеславу Викторовичу за ценные советы и консультации по численным методам решения задач гіщродинамики и тепломассопереноса.
- ІЗ -
