Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками
Выполнено численное моделирование разогрева футерованной камеры регенеративными горелками. Совместно решались задачи турбулентного движения газа, лучисто-конвективного теплообмена и нестационарной теплопроводности кладки камеры. Рассмотрены варианты расположения горелок в нижней части камеры и на бо...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Datum: | 2006 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61441 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками / А.В. Сибирь, С.И. Решетняк, В.Й. Губинский // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 5. — С. 41-46. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61441 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Сибирь, А.В. Решетняк, С.И. Губинский, В.Й. 2014-05-05T14:31:57Z 2014-05-05T14:31:57Z 2006 Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками / А.В. Сибирь, С.И. Решетняк, В.Й. Губинский // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 5. — С. 41-46. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61441 621.783.2:669.95 Выполнено численное моделирование разогрева футерованной камеры регенеративными горелками. Совместно решались задачи турбулентного движения газа, лучисто-конвективного теплообмена и нестационарной теплопроводности кладки камеры. Рассмотрены варианты расположения горелок в нижней части камеры и на боковых стенах. Показано преимущество нижнего расположения регенеративных горелок. Виконано чисельне моделювання розігріву футерованої камери регенеративними пальниками. Спільно вирішувалися задачі турбулентного руху газу, променево-конвективного теплообміну і нестаціонарної теплопровідності кладки камери. Розглянуто варіанти розташування пальників у нижній частині камери і на бокових поверхнях камери. Показано переваги нижнього розташування регенеративних пальників. The numerical simulation of lined chamber heating by regenerative burners was carried out. The problems of turbulent gaseous flow, radiant-convective heattransfer and transient heat-conduction of chamber's wall were solved jointly. The variants of burners arrangement in the lower part of the chamber and on its profile planes were studied. The advantage of lower arrangement of regenerative burners was shown. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками Numerical simulation of heat-transfer in a chamber heated by regenerative burners Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками |
| spellingShingle |
Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками Сибирь, А.В. Решетняк, С.И. Губинский, В.Й. Тепло- и массообменные аппараты |
| title_short |
Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками |
| title_full |
Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками |
| title_fullStr |
Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками |
| title_full_unstemmed |
Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками |
| title_sort |
моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками |
| author |
Сибирь, А.В. Решетняк, С.И. Губинский, В.Й. |
| author_facet |
Сибирь, А.В. Решетняк, С.И. Губинский, В.Й. |
| topic |
Тепло- и массообменные аппараты |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные аппараты |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Numerical simulation of heat-transfer in a chamber heated by regenerative burners |
| description |
Выполнено численное моделирование разогрева футерованной камеры регенеративными горелками. Совместно решались задачи турбулентного движения газа, лучисто-конвективного теплообмена и нестационарной теплопроводности кладки камеры. Рассмотрены варианты расположения горелок в нижней части камеры и на боковых стенах. Показано преимущество нижнего расположения регенеративных горелок.
Виконано чисельне моделювання розігріву футерованої камери регенеративними пальниками. Спільно вирішувалися задачі турбулентного руху газу, променево-конвективного теплообміну і нестаціонарної теплопровідності кладки камери. Розглянуто варіанти розташування пальників у нижній частині камери і на бокових поверхнях камери. Показано переваги нижнього розташування регенеративних пальників.
The numerical simulation of lined chamber heating by regenerative burners was carried out. The problems of turbulent gaseous flow, radiant-convective heattransfer and transient heat-conduction of chamber's wall were solved jointly. The variants of burners arrangement in the lower part of the chamber and on its profile planes were studied. The advantage of lower arrangement of regenerative burners was shown.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61441 |
| citation_txt |
Моделирование теплообмена в камере, отапливаемой регенеративными горелками / А.В. Сибирь, С.И. Решетняк, В.Й. Губинский // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 5. — С. 41-46. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT sibirʹav modelirovanieteploobmenavkamereotaplivaemoiregenerativnymigorelkami AT rešetnâksi modelirovanieteploobmenavkamereotaplivaemoiregenerativnymigorelkami AT gubinskiivi modelirovanieteploobmenavkamereotaplivaemoiregenerativnymigorelkami AT sibirʹav numericalsimulationofheattransferinachamberheatedbyregenerativeburners AT rešetnâksi numericalsimulationofheattransferinachamberheatedbyregenerativeburners AT gubinskiivi numericalsimulationofheattransferinachamberheatedbyregenerativeburners |
| first_indexed |
2025-11-26T23:27:19Z |
| last_indexed |
2025-11-26T23:27:19Z |
| _version_ |
1850780276881358848 |
| fulltext |
5. Krupp Z., Chobanian A.V., Brecher P.I. The in
vivo transformation of phospholipids vesicles to a parti;
cle resembling HDL in the rat // Biochem. and Biophys.
Res. Commun. – 1976. – 72, № 4. – Р. 1251–1258.
6. Martin F.J., McDonald R.C. Lipid vesicle;cell
interactions // J. Cell. Biol. – 1976. – 70, № 4. – Р.
515;526.
7. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Липидный бис;
лой биологических мембран. М.: Наука, 1982, 224 с.
8. Красильников В.Н., Несмелов А.И. Липосо;
мы: структура, свойства, производство. – “Мас;
ложировая промышленность”. № 2, 1999.
9. Марголис Л.Б., Бергельсон Л.Д. Липосомы и их
взаимодействие с клетками. – М.: Наука, 1986, 240 с.
10. Дискретно�импульсный ввод энергии в
теплотехнологиях / А.А. Долинский, Б.И. Ба;
сок, С.И. Гулый, А.И. Накорчевский, Ю.А. Шурч;
кова – К.: Институт технической теплофизики
Национальной Академии Наук Украины, 1996. –
204 с.
11. Wilschut J., D zg nes N., Fraley R., and
Papahadjopoulos D. Stadies on the mechanism of
membrane fusion: kinetics of calcium ion induced
fusion of phosphatidylserine vesicles followed by a
new assay for mixing of aqueous vesicle contents //
Biochemistry 1980, 19, P. 6011–6021.
Получено 14.02.2006 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 5 41
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Виконано чисельне моделювання
розігріву футерованої камери регенера+
тивними пальниками. Спільно вирішува+
лися задачі турбулентного руху газу,
променево+конвективного теплообміну і
нестаціонарної теплопровідності кладки
камери. Розглянуто варіанти розташу+
вання пальників у нижній частині камери
і на бокових поверхнях камери. Показано
переваги нижнього розташування реге+
неративних пальників.
Выполнено численное моделирова+
ние разогрева футерованной камеры
регенеративными горелками. Совместно
решались задачи турбулентного движе+
ния газа, лучисто+конвективного тепло+
обмена и нестационарной теплопровод+
ности кладки камеры. Рассмотрены
варианты расположения горелок в ниж+
ней части камеры и на боковых стенах.
Показано преимущество нижнего распо+
ложения регенеративных горелок.
The numerical simulation of lined cham+
ber heating by regenerative burners was
carried out. The problems of turbulent
gaseous flow, radiant+convective heat+
transfer and transient heat+conduction of
chamber's wall were solved jointly. The vari+
ants of burners arrangement in the lower
part of the chamber and on its profile
planes were studied. The advantage of
lower arrangement of regenerative burners
was shown.
УДК 621.783.2:669.95
СИБИРЬ А.В., РЕШЕТНЯК С.И., ГУБИНСКИЙ В.Й.
Национальная металлургическая академия Украины
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРЕ,
ОТАПЛИВАЕМОЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫМИ ГОРЕЛКАМИ
a – степень черноты;
Ср – теплоемкость при постоянном давлении;
E – эмпирическая константа;
G – производство турбулентной кинетической
энергии;
I – интенсивность излучения;
k – кинетическая энергия турбулентности;
kг – коэффициент поглощения газа;
L – характерный размер входного сечения, м;
n – направление по нормали;
P – давление;
Pr – число Прандтля;
qp – радиационный тепловой поток;
r – радиус–вектор;
T+ – нормированная температура;
Ti – интенсивность турбулентности;
U, V – составляющие скорости;
– нормированная скорость;
– динамическая скорость;
x, y – координаты;
– нормированное расстояние;
yp – расстояние от стенки по нормали;
py u
y
τ+ =
ν
uτ = τ ρ
pU U u+
τ=
Состояние вопроса
Применение регенеративного отопления в
промышленных печах различного типа позволя;
ет добиться глубокого использования энергии
топлива [1]. Однако замена на действующих аг;
регатах традиционных систем отопления на реге;
неративную систему часто вызывает затруднения
из;за необходимости согласования с уже уста;
новленным оборудованием и существующей тех;
нологией. Например, в садочных нагревательных
печах регенеративные горелки во избежание пе;
регрева или оплавления нагреваемого материала
чаще всего устанавливают в верхней части боко;
вых стен камеры. Это приводит к неравномерно;
му тепловыделению по высоте камеры и ухудша;
ет качество нагрева. Одним из возможных путей
решения этой проблемы является расположение
регенеративных горелок в поду печи, что имеет
свои достоинства и недостатки [2]. Математичес;
кое моделирование теплообмена в камере при
высокотемпературном подогреве воздуха в реге;
нераторах применялось, например, в [3,4]. В этих
работах в основном исследовались характеристи;
ки процесса сжигания топлива и образования
вредных выбросов. Влияние же места установки
горелочных устройств и их характеристик на рав;
номерность разогрева футеровки камеры, а также
на равномерность температурного поля камеры
не рассматривалось. Для получения такой оцен;
ки было выполнено компьютерное моделирова;
ние разогрева футерованной камеры нагреватель;
ной печи для двух схем, показанных на рис. 1.
Описание задачи
Для каждой из схем отопления решалась зада;
ча сопряженного теплообмена в камере в процес;
се ее разогрева. При этом были приняты следую;
щие основные допущения: 1) топливо полностью
сгорает в горелке и в разогреваемую камеру по;
ступают продукты сгорания с постоянной темпе;
ратурой; 2) движение газа и теплообмен рассмат;
риваются в вертикальном сечении камеры,
проходящем через ось каждой горелки; 3) харак;
теристики турбулентного движения вязкого газа
определяются RNG k;ε моделью; 4) газ, заполня;
ющий камеру, является серым и нерассеиваю;
щим; 5) теплопроводность кладки камеры рас;
сматривается только в направлении нормали к ее
поверхности. Математическая постановка задачи
приведена ниже.
Модель движения вязкого газа в камере.
Уравнения движения и неразрывности для га;
за имеют вид:
, (1)
, (2)
. (3)
Граничные условия. На входной границе задает;
ся значение нормальной составляющей скоро;
стиUвх. На твердой поверхности задаются усло;
42 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 5
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
ε – скорость диссипации кинетической энергии
турбулентности;
κ – эмпирическая константа;
λ – теплопроводность;
μeff = μ + μt – эффективная динамическая вяз;
кость;
ρ – плотность;
σ0 – постоянная Стефана – Больцмана,
τ – напряжение сдвига на стенки;
Ω – направление испускаемого излучения;
ξ – степень развития кладки.
Подстрочные индексы:
b – черное тело;
eff – эффективное значение;
t – турбулентный параметр;
l – ламинарный параметр;
кл – параметр, отнесенный к кладке;
ср – среднее значение.
вия непротекания и прилипания потока. На вы;
ходной границе задаются значения нормальных
производных скорости , .
Модель турбулентности. Для нахождения тур;
булентной вязкости используется RNG k;ε мо;
дель турбулентности [5], согласно которой турбу;
лентная вязкость определяется по формуле:
. (4)
Значения k и ε определяются из уравнений:
, (5)
, (6)
где константы имеют значения Сμ = 0,0845,
αk = αε = 1,39, С1ε = 1,42, С2ε = 1,68.
Переменная определяется из следующего
уравнения:
, (7)
где , , .
Граничные условия:
– на входной границе задаются k и ε, значение
которых определяется по следующим формулам:
; . (8)
– на выходной границе:
. (9)
– для определения значения k и ε возле твер;
дых поверхностей используется двухслойный за;
кон стенки [6]:
; (10)
Уравнения (5) – (6) возле стенки не решаются,
а значения k и ε и значение напряжения на стен;
ке находятся по формулам:
; ; . (11)
Уравнение энергии для газа в камере.
. (12)
2uττ =
ρ
3
p
u
y
τε =
κ
2u
k
C
τ
μ
=
0,75 1,5
0,07
С k
L
με =
0,012β =0 4,377η =k εGη =
( )0*
1 1 3
1 /
1
C Cε ε
η − η η
= −
+ βη
*
1C ε
2
t
k
Cμμ = ρ
ε
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 5 43
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 1. Схемы отоплений камер печи:
а) с центральным нижним отоплением; б) с верхним боковым отоплением.
Граничные условия. На входной границе задает;
ся значение температуры на входе Tвх. На выход;
ной границе задается значение нормальной про;
изводной температуры . На твердых
поверхностях задается значение теплового пото;
ка, определяемого по формуле:
, (13)
где ;
.
Модель переноса излучения в камере. Входящая в
уравнение энергии (12) дивергенция радиацион;
ного теплового потока в произвольной точке га;
зового объема камеры может быть определена,
если известна угловая интенсивность излучения
I (r, Ω) в этой точке:
. (14)
Распределение I (r, Ω) может быть найдено из
решения уравнения радиационного переноса [7]:
. (15)
Граничные условия, задаваемые на внутрен;
них поверхностях камеры:
(16)
Результирующий тепловой поток излучением
на кладку определяется как:
. (17)
Распределение температур в кладке камеры рас;
считывается из решения одномерного уравнения
теплопроводности для каждой из стенок камеры.
(18)
Граничные условия:
– на внутренних поверхностях камеры
(19)
– на внешних поверхностях камеры
. (20)
Начальные условия. В начальный момент вре;
мени вся кладка имеет температуру T0 кл.
Методика решения
Рассматриваемая задача сопряженного тепло;
обмена решалась путем расщепления по физиче;
ским процессам движения, лучистого теплооб;
мена в камере, конвективного переноса тепла
газа и теплопроводности стенок камеры.
Для нахождения значений U, V, k, ε, T внутри
камеры использовался метод контрольного объе;
ма. Уравнения (1) – (3) аппроксимировались с
помощь комбинированной разностной схемы с
использованием равномерной шахматной сетки.
Полученная система уравнений решалась с по;
мощью алгоритма SIMPLE [8]. Аналогичный
подход применялся для аппроксимации уравне;
ний турбулентности и уравнения энергии. Для
решения уравнения радиационного переноса
применялось приближение S4 метода дискрет;
ных ординат [9]. На каждом шаге по времени для
получения сопряженного решения рассмотрен;
ных задач выполнялся ряд итераций до достиже;
ния заданной минимальной погрешности.
Результаты моделирования
При моделирования разогрева камеры с цент;
ральным нижним расположением горелки и верх;
ним боковым их расположением были приняты та;
кие размеры: B = 5 м, H = 3 м, S1 = 0,6 м,
S2 = 0,3 м, H1 = 0,5 м, F1 = F2 = 0,3 м. В камеру по;
ступают продукты сгорания смеси коксового и до;
менного газа с теплотой сгорания 8,2 МДж/м3. Их
температура на входе в камеру равна Tвх = 2000 К.
Из;за технологических ограничений на максималь;
ную скорость повышения температуры кладки ка;
( ) 4
0
0
,
рез
кл кл кл
n
q а I r d T
′⋅Ω <
⎛ ⎞
′ ′= ξ Ω Ω − σ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
∫
( ) ( ) ( )
0
1
,кл
кл b
n
a
I r a I r I r d
′⋅Ω <
− ′ ′= + Ω Ω
π ∫
( ) ( ) ( ),
,г b
dI r
k I r I r
dr
Ω
⎡ ⎤= − Ω⎣ ⎦
44 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 5
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
×
×
меры разогрев осуществляют в несколько стадий с
постепенным повышением расхода газа (теплоно;
сителя) в процессе разогрева. При моделировании
процесс разогрева разбивался на три периода по
максимальной температуре поверхности кладки.
I период: , расход теплоноси;
теля составит – 0,118 м3/с,
II период: , расход
теплоносителя – 0,335 м3/с,
III период: , расход
теплоносителя – 0,552 м3/с.
Материал кладки стен, пода печи и ее крыш;
ки – шамот (класс А).
Интервал изменения направления движения газа для
всех вариантов отопления был принят равным 180 с.
На рис. 2а показано поле скоростей при ниж;
нем центральном отоплении в период работы
правой горелки. Из рисунка видно, что при таком
способе отопления возникают две циркуляцион;
ные зоны разной интенсивности, которые оказы;
вают влияние на температуру газа в камере. На
рис. 2б показано температурное поле газа в конце
первого периода. Из рисунка видно, что вблизи
крышки камеры температура газа достигает 1200 K,
у боковых стенок температура близка к 1000 K, а
самым холодным является под камеры, темпера;
тура газов возле поверхности которого < 900 K.
При другом способе отопления возникает одна
большая циркуляционная зона (рис. 3а), что и
обусловливает большой перепад температур по
Kmax
1570п клK T≤ <1270
Kmax
1370п клK T≤ <870
Kmax
870п клT <
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 5 45
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
а б
Рис. 2. Результаты моделирования для камеры с нижним отоплением в конце первого периода разогрева:
а – поле скоростей газа; б – распределение температур в газе.
а б
Рис. 3. Результаты моделирования для камеры с верхним боковым отоплением
в конце первого периода разогрева:
а – поле скоростей газа; б – распределение температур в газе.
высоте камеры с максимальным значением возле
крышки и минимальным у пода камеры (рис. 3б).
На рис. 4а показаны температуры нижней и верх;
ней поверхности камеры при различном располо;
жении горелок. Сплошной линией показано рас;
пределение температур при нижнем отоплении, а
пунктирной – при верхнем отоплении. Из рисунка
видно, что при нижнем отоплении камеры под име;
ет более высокую температуру, чем при верхнем
отоплении. При этом камера с нижним отоплением
прогревается более равномерно, чем с верхним. Об;
щее время разогрева камеры с нижним отоплением
меньше, чем с верхним отоплением (около 10 %).
Выводы
1. С точки зрения равномерности разогрева,
наиболее эффективным является вариант с ниж;
ним отоплением.
2. Время разогрева кладки камеры может
быть сокращено на 10 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сезоненко Б.Д., Орлик В.Н., Алексеенко В.В.
Повышение эффективности использования при;
родного газа при отоплении промышленных печей
регенеративными горелками. Экотехнологии и ре;
сурсосбережение. – 1996. №1. – С. 14–18.
2. Губинский В.Й., Ерёмин А.О., Сибирь А.В., и
др. Работа нагревательного колодца с шариковы;
ми регенераторами // Металлургическая и горно;
рудная промышленность. – 2005. № 1. – С.103–105.
3. Yoshikauz Suwa, Tsuyoshi Yamamoto,
Hideyuki Aoki and Takatoshi Miura. Unsteady State
Numerical Simulation of the High Temperature Air
Combustion by the Nongray Radiative Analysis. Proc.
of 2000 Int. Joint Power Generation Conference.
Miami Beach, Florida, July, 23–26, 2000, pp. 1–5.
4. Weihong Y.; Blasiak W. Combustion perform;
ance and numerical simulation of a high;temperature
air;LPG flame on a regenerative burner. Scandinavian
Journal of Metallurgy, 2004, vol. 33, No. 2, pp. 113–120.
5. Yakhot V., Orszag S.A., Thangam S., Gatski T.B.,
and Speziale C.G. Development of Turbulence Models
for Shear Flows by a Double Technique, Phys. Fluids
A., 1992, Vol. 4, No. 7, pp. 1510–1520.
6. Lauder B.E. and Spalding D.B. The numerical
computation of turbulent flow, Comput. Methods
Appl. Mech. Eng., 1974, Vol. 3, pp. 269–289.
7. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излуче;
нием. М.: Мир. 1975. – 934 с.
8. Патанкар С. Численные методы решения
задач теплообмена и динамики жидкости. М.:
Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.
9. Selcuk N., Kayakol N. Evaluation of angular
quadrature and spatial differencing schemes for dis;
crete ordinates method in rectangular furnaces.
ASME Proceedings of 31st National Heat Transfer
Conference, 1996, Vol. 3, pp. 151–158.
Получено 11.07.2006 г.
46 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 5
ТЕПЛО+ И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
а б
Рис. 4 . Температуры поверхности кладки в конце первого периода разогрева:
а) температуры верхней и нижней поверхности; б) температуры боковых поверхностей.
|