Введение к работе
Актуальность темы. Основной тенденцией развития современных теплотехнологий является снижение их ресурсо- и энергоемкости, удельных затрат на производство продукции за счет повышения эффективности работы технологических установок.
Промышленные печи входят в состав многих технологических установок и в значительной степени влияют на их технико-экономические показатели.
Наиболее перспективным способом повышения эффективности и улучшения технико-экономических показателей как новых, так и реконструируемых печей является интенсификация процессов сложного теплообмена, увеличение плотности тепловых потоков к тепловоспринимающей поверхности. Однако для реализации этого способа, без снижения надежности работы и качества получаемого продукта, необходимо знать характер распределения по поверхности нагрева фактических результирующих зональных и локальных тепловых потоков (теплонапряжений) и степень их соответствия технологически допускаемым теплонапряжениям. Неудовлетворительное соответствие фактических и допускаемых теплонапряжений может вызвать локальные перегревы отдельных участков тепловоспринимающей поверхности, что приводит к аварийным остановкам и ремонтным простоям технологических установок, снижению их надежности и значительному экономическиму ущербу.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что совершенствование тепловых режимов и конструкций промышленных печей неразрывно связано с разработкой методов расчета детальных характеристик сложного теплообмена в рабочих камерах.
Анализ современного состояния научной проблемы показал, что для исследования и расчета сложного теплообмена в промышленных печах наиболее перспективным является зональный метод. Однако разработанные к настоящему времени варианты зонального метода не удовлетворяют возросшим требованиям к точности и детальности расчета тепловых характеристик.
Поэтому развитие и совершенствование зонального метода в направлении создания математических моделей и алгоритмов расчета сопряженного теплообмена в технологических печах различных производств, локальных тепловых характеристик в объеме и на ограждениях, корректного учета оптических свойств факелов и продуктов сгорания, определения зональных оптико-геометрических характеристик излучения при изменении оптических свойств печей на переменных режимах их работы с формированием нового методологического подхода к математическому моделированию и исследованию тепловой работы промышленных печей является актуальной научной проблемой, требующей решения.
Объектами исследования являются промышленные печи радиационно-конвективного типа с выраженным зонным подводом теплоты, такие как трубчатые печи нефтехимической, нефтеперерабатывающей и нефтегазовой отраслей промышленности, конвейерные печи хлебопекарной промышленности, а также открытые факельные установки для сжигания сбросных газов.
Предметом исследований является сложный, сопряженный теплообмен в промышленных печах.
Цель работы: Повышение энергоэффективности теплотехнологий за счет совершенствования методов расчета, режимов работы и конструкций промышленных печей на основе моделирования зонального и локального сопряженного теплообмена.
Задачи исследования:
1. Разработка зональной математической модели сложного теплообмена с учетом всех видов переноса, источников и стоков теплоты.
2. Разработка универсального метода имитационного вероятностно-статистического метода моделирования взаимного радиационного теплообмена в многозонных системах с учетом сложной геометрии объемных и поверхностных зон, в том числе тепловоспринимающих поверхностей в виде трубных экранов.
3. Развитие зонального подхода к расчету радиационной составляющей теплообмена в печах на основе коррекции зональных оптико-геометрических характеристик при изменении оптических свойств геометрической модели печи на переменных режимах ее работы.
4. Разработка методического подхода к корректному учету оптико-радиационных свойств продуктов сгорания и других сред в рамках зонального метода.
5. Разработка метода расчета локальных характеристик сложного теплообмена в печах в рамках зонального подхода. Разработка методики и алгоритма расчета локальной теплонапряженности по периметру труб в экранированных топках.
6. Разработка математических моделей и методик решения сопряженных задач сложного теплообмена в технологических трубчатых и хлебопекарных печах в рамках коррекционного зонального метода.
7. Создание зональных геометрических моделей топок трубчатых печей нефтехимической, нефтеперерабатывающей и нефтегазовой промышленности, а также хлебопекарных печей. Проведение математического моделирования зонального и локального теплообмена в выбранных типах печей. Сравнение результатов расчетов с опытными данными.
8. Использование результатов моделирования теплообмена для разработки рекомендаций по совершенствованию тепловых режимов и конструкций технологических печей, повышению их эффективности.
9. Разработка математической модели, методики и алгоритма расчета зонального и локального теплообмена в рабочей зоне вертикальных и горизонтальных открытых факельных установок для утилизации сбросных газов.
10. Технико-экономический анализ эффективности предложенных решений по совершенствованию тепловых режимов и конструкций промышленных печей.
Научная новизна:
1. Предложена зональная математическая модель сложного внешнего теплообмена в камерных печах, учитывающая в явном виде все виды переноса тепла, его источники и стоки для различных видов зон, приведенная к каноническому виду системы нелинейных алгебраических уравнений, удобному для численного решения, а также методология деления рабочего пространства печей на расчетные зоны.
2. Разработан универсальный метод имитационного статистически-вероятностного моделирования взаимного радиационного обмена между зонами с целью вычисления обобщенных угловых коэффициентов в многозонных системах, позволяющий учитывать сложную геометрию факела, стен печи, тепловоспринимающей поверхности (в том числе трубного экрана), селективность излучательных свойств продуктов сгорания и несерость радиационных свойств футеровки и поверхностей теплообмена, переменность вдоль теплового луча коэффициентов поглощения топочной среды.
3. Предложено развитие зонального подхода к расчету радиационной составляющей сложного теплообмена, на основе метода коррекции базовых обобщенных угловых коэффициентов излучения, который позволяет вычислять их однократно для определенных зональной геометрической модели печи и режима ее работы, а затем корректировать при изменении оптических свойств с использованием фундаментальных соотношений между оптико-геометрическими характеристиками лучистого переноса в зональных системах. Коррекционный зональный подход позволяет разделить задачу вероятностно-статистического расчета обобщенных угловых коэффициентов излучения и собственно тепловую задачу расчета температур и тепловых потоков, при этом существенно упростив инженерное применение и повысив вычислительную эффективность зонального метода для исследования переменных тепловых режимов и решения сопряженных задач теплообмена в промышленных печах.
4. В рамках предложенного коррекционного зонального метода разработан подход к учету реальных оптико-радиационных свойств продуктов сгорания, позволяющий коррелировать их спектральные оптические параметры с более надежными данными по интегральной степени черноты, а также учесть излучательную способность объемных (газовых) зон в соответствии с законом Бугера с сохранением традиционной формы записи выражений зонального метода, считающего объемные зоны оптически-тонкими.
5. Разработан метод определения локальных оптико-геометрических характеристик в многозонных моделях рабочих камер промышленных печей, основанный на имитационном моделировании излучения с элементарной площадки на все зоны и переходе от рассчитанных таким способом местных обобщенных угловых коэффициентов к локальным на основании соотношений взаимности. На базе разработанного общего метода предложена методика расчета распределения тепловых потоков по периметру экранных труб.
6. Предложены многозонные геометрические модели промышленных нагревательных трубчатых печей коробчатого и цилиндрического типов. В рамках зонального подхода на основе предложенных математических моделей и численных методов с использованием разработанного пакета прикладных программ проведено математическое моделирование и параметрическое исследование детальных характеристик внешнего теплообмена в печах выбранного типа. Получены новые данные о влиянии вида сжигаемого топлива, длины и светимости факела, схемы отопления, конструктивных особенностей печей на поля температур и результирующих зональных и локальных тепловых потоков. Путем сравнения расчетных и опытных данных подтверждена адекватность предложенных математических моделей.
7. Разработаны зональные математические модели сопряженного теплообмена в реакционных трубчатых печах пиролиза и каталитической паровой конверсии углеводородов. Предложенное зональное описание внешнего теплообмена включает формулировку сложных граничных условий сопряжения на поверхности реакционных труб. Предложенные модели внутреннего тепломассообмена позволяют учесть сложные физико-химические процессы в продуктовых трубах-реакторах. Для процесса пиролиза разработана двухзонная модель трубчатого реактора, которая по сравнению с моделью реактора идеального вытеснения более корректно учитывает процессы, происходящие в ядре и в пристенном пограничном слое сырьевого потока. Предложены многозонные геометрические модели реакционных печей, учитывающие позонный подвод тепла к трубной поверхности нагрева за счет изменения длины и выгорания настильных диффузионных факелов или изменения распределения топлива по рядам беспламенных (плоскопламенных) излучающих горелок. Проведено математическое моделирование сопряженного теплообмена, учитывающее конструктивные и режимные особенности печей. Получены новые данные по распределению температур факела и продуктов сгорания по высоте и ширине топок, тепловым потокам, падающим на отдельные участки поверхности нагрева, температурам стенки реакционных труб, а также характеристикам внутреннего реагирующего потока по его длине. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показало их хорошее согласование.
8. Впервые разработана зональная математическая модель сопряженного теплообмена в энерготехнологической пекарной камере конвейерных хлебопекарных печей, включающая зональное описание внешнего сложного теплообмена в излучающе-поглощающей парогазовой среде, дифференциальное описание внутреннего тепломассообмена в выпекаемом изделии и граничные условия сопряжения на поверхности загруженного печного конвейера. Для внутренней задачи предложено дифференциальное описание двухфазного переноса тепла и влаги в скелете и порах хлеба, что более адекватно учитывает особенности процессов выпечки. С использованием математической модели сопряженного теплообмена в хлебопекарных печах получены данные об изменении температур греющих каналов, газовой среды пекарной камеры, верхней поверхности выпекаемых изделий, а также плотности теплового потока и его составляющих по длине печного конвейера.
9. Впервые предложена математическая модель, методика и алгоритм расчета зонального и локального теплообмена в рабочей зоне вертикальных и горизонтальных открытых факельных установок для сжигания сбросных газов. Модель учитывает процессы формирования газовых факелов и выгорание топлива по их длине. Методика расчета позволяет определять степень черноты и температуру факельных зон, а также распределение локальной плотности лучистых тепловых потоков на поверхности грунта в зоне действия факела.
Практическая значимость и реализация работы:
1. Разработанные математические модели, методики, алгоритмы и пакеты прикладных программ переданы для внедрения и используются при проектировании технологических и факельных установок нефтехимической, нефтеперерабатывающей и нефтегазовой промышленности в проектных организациях «ВНИПИгаздобыча» (г. Саратов), «ВНИИнефтемаш» (г. Москва), «ВНИПИнефть» (г. Москва), ОАО «Алитер-Акси» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Экскорт» (г. Новочеркасск) и др.
2. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований зонального и локального теплообмена в нагревательных и реакционных трубчатых печах, а также разработанные на их основе рекомендации использованы при наладке и оптимизации режимов работы печи пиролиза бензина типа SRT-II этиленовой установки ЭП-450 ОАО «Нижнекамскнефтехим», при реконструкции печей типа ББ1 Норильского ГРС с целью увеличения их тепловой мощности, при совершенствовании режимов работы трубчатой печи каталитической паровой конверсии метана ППР-600 установки производства аммиака ОАО «Воскресенские минеральные удобрения», при анализе схем отопления и режимов эксплуатации печи ЦД4 установки первичной перегонки нефти АВТ-6 Новополоцкого НПЗ.
3. Полученные результаты использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А, при подготовки инженеров по специальностям «Энергетика теплотехнологий», «Промышленная теплоэнергетика», «Машины и аппараты химических производств», «Машины и аппараты пищевых производств».
4. Предложенные методики расчета среднезональных и локальных характеристик теплообмена могут послужить базой для разработки ведомственных руководящих технических материалов (ВРТМ) и стандартов предприятия (СТП) по проектированию трубчатых печей, подогревателей газа и нефти, хлебопекарных печей, факельных установок для сжигания сбросных газов.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается использованием фундаментальных закономерностей теплофизики и теоретических основ теплотехники. Разработанные математические модели и методики расчета прошли проверку на адекватность путем сравнения результатов моделирования с опытными данными, полученными путем прямых измерений на промышленных печных агрегатах. Различие между расчетными и экспериментальными результатами не превышает 14 % для локальных и 17 % для зональных тепловых потоков. Полученные результаты сопоставлялись также с данными других исследователей.
Положения, выносимые на защиту:
1. Зональная математическая модель сложного теплообмена в камерных печах, а также методология деления рабочего пространства на расчетные зоны.
2. Метод имитационного моделирования взаимного радиационного обмена между зонами геометрических моделей топочных камер (в том числе экранированных) сложной геометрии и усовершенствованный зональный подход к расчету радиационной составляющей теплообмена на основе коррекции базовых обобщенных угловых коэффициентов излучения при изменении оптических свойств зональной системы.
3. Метод расчета локальных характеристик сложного теплообмена в печах и факельных установках, а также методика расчета локальной теплонапряженности по периметру труб в экранированных топках.
4. Математические модели и методики расчета сопряженного теплообмена в технологических печах различных производств: реакционных трубчатых печах пиролиза и каталитической паровой конверсии углеводородов; конвейерных хлебопекарных печах.
5. Математическая модель и методика расчета зонального и локального теплообмена в рабочей зоне вертикальных и горизонтальных открытых факельных установок для утилизации сбросных газов.
6. Результаты численных исследований теплообмена в печах и факельных установках в зависимости от конструктивных и режимных параметров.
7. Результаты сравнительного анализа тепловых режимов технологических печей и рекомендации по совершенствованию их конструкций.
8. Результаты технико-экономического обоснования эффективности предложенных решений по совершенствованию тепловых режимов и конструкций промышленных печей.
Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались на: Седьмой Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991); Международном совещании-семинаре «Теплофизические проблемы промышленного производства» (Тамбов, 1992); Минском международном форуме по тепломассообмену – ММФ-92 (Минск, 1992); 1-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва,1994); 12-th Intern. Cong. of Chem. and Process Eng. CHISA’96 (Praha, 1996); The First European Congress on Chemical Engineering- ECCE-1 (Milano, 1997); Международной конференции «Проблемы эффективного использования энергоносителей и низкосортных топлив в промышленности» (Саратов, 1998); 2-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998); 13-th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA’98 (Praha, 1998); 2-ой Международной научной конференции «Повышение эффективности тепломассообменных процессов и систем» (Вологда, 2000); 4-ом Минском Международном форуме по тепломассообмену ММФ-2000 (Минск, 2000); 14-th International Congress of Cemical and Process Engineering CHISA’2000 (Praha, 2000); Всероссийской научной конференции «Тепло- и массообмен в химической технологии» (Казань, 2000); 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 2001); Международной научно-технической. конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (Вологда, 2001); 4-ой Международной Теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» (Тамбов, 2001); Юбилейной Международной научно-практической конференции «Пищевые продукты XXI века» (Москва, 2001); Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2001); 3-ей Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2002); Научно-методической конференции «Современные научные и информационные технологии» (Энгельс, 2003); Научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЭТИ СГТУ (Энгельс, 2006); Шестой Международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (Тамбов, 2007); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-21» (Саратов, 2008); Научно-практической конференции «Синтез инноваций: направления и перспективы» (Саратов, 2009); Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва,2010); ХХV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-25» (Волгоград, 2012); XIV Минском международном форуме по тепломассообмену – ММФ- XIV (Минск, 2012).
Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 70 печатных работах, в том числе в 17 изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов по работе, списка литературы и приложений.
