Введение к работе
Актуальность. Индустриальные печи, использующие природный газ, применяются с незапамятных времён. Однако в настоящее время с полной уверенностью можно сказать, что процессы турбулентного течения и химического взаимодействия газов, кинетика горения и теплообмен в промышленных печах изучены ещё не достаточно хорошо. До недавнего времени изучение таких процессов в промышленных агрегатах в основном велось экспериментально-эмпирическим путем.
С усилением конкуренции на международном рынке и в связи с экономическим положением некоторых отраслей промышленности были сформированы условия для дальнейшего совершенствования методов изучения процессов, происходящих в промышленных высокотемпературных аппаратах. 8 свою очередь, ужесточение норм на вредные выбросы в атмосферу может существенно изменить привычные рамки организации и управления технологическим процессом. Так, в стеклоплавильной промышленности наметилась четкая тенденция использования кислородных горелочных устройств вместо привычных горелок, работающих на воздухе. Регулирование по вредным выбросам может также существенно сказаться на процессе теплопередачи внутри печи. Эффективном использовании топлива, процессе загрузки и подачи сырья и т.д. Очевидно, что возникает необходимость создания более Эффективного метода комплексного изучения процессов в промышленных печах.
В настоящее время практически существуют три основных метода исследования высокотемпературных промышленных агрегатов. Первый метод - проведение измерений на работающей печи. Второй - физическое моделирование на лабораторных установках. Третий - математическое моделирование основных узлов системы. На практике применяются все три основных метода также, как и некоторые другие способы исследования. Однако затраты, связанные с применением первых двух методов, а также трудности переноса результатов исследований с масштабных моделей в лабораторных условиях на промышленные установки затрудняют оптимизацию процессов и конструкций печей. Кроме того, так называемые «холодные» исследования в лабораторных условиях не пригодны для
изучения, например, лучистого теплообмена внутри высокотемпературной промышленной печи. Только с развитием компьютеров и более детальным изучением и математическим описанием сложных физико-химических процессов турбулентного горения стало возможным проводить исследования промышленных печей с помощью математического моделирования.
Таким образом, третий метод является важным дополнением, а иногда и единственно возможным способом, позволяющим исследовать физико-химические процессы в промышленных печах, а также оптимизировать их конструкции.
Цель работы. Создание математической модели как инструмента для проведения анализа сложного теплообмена и газодинамики в газовой среде промышленных высокотемпературных печей.
Научная новизна. Впервые создан пакет математических моделей, позволяющих анализировать процесс сложного тепломассообмена в промышленных высокотемпературных печах, использующих большое количество кислородных горелочных устройств. При этом учитывается:
-
химия процесса горения путём введения одноступенчатой или многоступенчатой систем химических реакций;
-
турбулентность течения газов путем использования «к-е» модели турбулентности;
-
диссоциация при высоких температурах путём учёта температурной зависимости удельной теплоёмкости смеси газов;
-
лучистый теплообмен путём использования метода средних потоков (СП) или метода дискретного переноса излучения (МДПИ).
Полученный пакет моделей позволяет прогнозировать распределение полей скоростей, температур и концентраций составляющих газа в газовом пространстве высокотемпературных промышленных печей. Особенностью разработанного пакета моделей является возможность использования результатов расчёта на стадии проектирования печи для оптимизации
конструкции, выбора местоположения горепочных устройств и распределения мощности факелов для получения продукта заданного качества с минимальными затратами.
Автор защищает:
-
Созданный пакет математических моделей для расчёта сложного тепломассообмена в высокотемпературных промышленных печах.
-
Результаты расчётов, использующих созданные модели на примере различных промышленных стеклоплавильных печей.
Практическая ценность. В результате работы создан пакет
математических моделей, позволяющих рассчитывать поля скоростей, температур и концентраций химических составляющих газа для отдельно взятого факела, и для газового пространства высокотемпературных печей, использующих, как воздух, так и чистый кислород в качестве окислителя природного газа.
Для расчёта сложного теплообмена и газодинамики внутри газового пространства высокотемпературной печи, в зависимости от поставленной задачи, могут быть использованы различные, предлагаемые автором, модели. Так например, полная трёхмерная модель даёт наиболее полный объём информации, но требует длительного времени для её получения. Упрощённые модели позволяют проводить сравнительные расчёты в достаточно короткие сроки с удовлетворительной точностью, но ограничены по объёму рассчитываемых параметров.
Апробация работы. Результаты работы неоднократно использовались для проведения расчетов газового пространства стеклоплавильных печей и печей плавки алюминия для заказчиков фирмы Air Products and Chemicals, Inc. Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах APCI и Института Теплофизики СО АН России, а также ряде международных конференций и представлены в пяти публикациях:
-
Gershtein V. Y. Glass Furnace Combustion Space Modeling Using FLUENT Version 3.03 and FLUENT Version 4.11. Proceedigs of Fluent Int. user's group conference, Burlington, VT. October 5-7, 1993.
-
Gershtein V. Y. 3D Combustion Space Model of the Glass Furnace. Russian Journal of Engineering ThermophysicSj і/ 4\, мз 19(j1
-
Gershteln V. Y. Mathematical Model of Complex Heat Transfer in the Industrial Furnace. Thermophysics and Aeromechanics. 1995,^2, Ыг
-
Hoke В. С Jr. and Gershtein V. Y. The Influence of the Glass Melt Boundary Condition on Combustion Space Model Temperature Predictions for an Oxy-Fuel Melter. American Ceramic Society, proceedigs of the annual Meetig & Exposition 1995.
-
Hoke В. С Jr. and Gershtein V. Y. Improved Predictions by Coupling Combustion Space and Glass Melt Models. Proceedings of the III. Inernational Seminar on Mathematical Modeling of Glass Melting Furnaces, Ostrava, Chech Repablic, 26-28 May 1995.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 109 рис., 5 таблиц, библиография -56 наименований. Общий объём диссертации 204 стр.