Численный анализ взаимодействия паровой завесы и газовоздушного облака Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 614.8.084

Р. Р. Насибуллин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПАРОВОЙ ЗАВЕСЫ И ГАЗОВОЗДУШНОГО ОБЛАКА

Ключевые слова: Опасные вещества, распространение облака вещества, защитная паровая завеса, технологические печи,

концентрация.

В работе был проведен численный анализ эффективности защитной паровой завесы. Полученные результаты расчета были сравнены с результатами физического эксперимента.

Keywords: hazardous substances, spreadac loud of substance, protectiveste am curtain, process sfurnaces, concentration.

In this work the numerical analysis effectiveness of the protective steam curtain was carried out. The obtained calculation results were compared with results of physical experiments.

Введение

Рассматриваемые в данной статье паровые завесы представляют собой защитные ограничивающие устройства [1], которые можно отнести к завесам теплового типа, где, в отличие от завес, описанных в работе [2], вместо нагретого воздуха используется высвобождаемый под избыточным давлением горячий водяной пар. Наружная паровая завеса предназначена для предотвращения проникновения к технологическим печам или к их отдельным опасным элементам "облака" горючей парогазовоздушной смеси при аварии на технологической установке [3].

Паровая завеса, как правило, формируется с помощью системы паропроводов с выполненными на верхней их стороне вдоль всей длины трубопровода отверстиями. Для наружной паровой защиты печей используют перегретый водяной пар технологического назначения от паропроводной сети предприятия [3].

Описание эксперимента

С целью проверки достоверности разработанной нами математической модели, описывающей паровую завесу и

распространяющуюся в атмосфере примесь, было выполнено сравнение результатов расчета модели с результатами экспериментального исследования, отраженными в работе [4]. Экспериментальные исследования проводились на специально подготовленной площадке с помощью оборудования, схематично изображенного на рис. 1.

ФОрСуйЙН П1(Ш*ОЙ ••■*№

Metro m**p(

J \ Парома «аааса

I/ Форсуимм --- -

угланмслый rai

8ипу(вна» устройство

Поа*рммост» »млн у^р^йстао. 8ид сбоку

ТО

Рис. 1 - Схематическое изображение экспериментальной площадки

Веществом, распространяющимся в направлении ветра в приземной области, был выбран углекислый газ. СО2 подавался в атмосферу в количестве 15,6 литров в секунду при помощи выпускного устройства, состоящего из баллонов, содержащих газ, устройства, выравнивающего газовые потоки и выпускного портала, имеющего размеры 20*20см. Ветер, движущийся со скоростью 1,5 м/сот выпускного устройства в сторону завесы, создавался с помощью специального вентилятора. Паровая завеса создавалась при помощи трубопровода, содержащего пар под избыточным давлением и направленных вертикально вверх, прикрепленных к верхней части трубопровода форсунок, непосредственно выпускающих наружу пар. Внутренний диаметр форсунок был равен 8 мм, расстояние между форсунками 20 см. Измерение концентрации СО2 проводилось на расстоянии 1 метра после завесы, на высоте 5 см над уровнем земли, в вертикальном направлении и направлении вдоль завесы.

Описание математической модели исследуемых процессов

Геометрическая форма и размеры моделируемой области полностью соответствуют изображенной на рис. 1 экспериментальной площадке. Все параметры и свойства эксперимента приняты в расчет путем введения соответствующих исходных данных и граничных условий.

Результаты моделирования получались путем численного решения полной системы трехмерных нестационарных уравнений Рейнольдса, переноса массы и энергии, замыкаемых Realizable k-е моделью турбулентности [5]. Численное решение дифференциальных уравнений осуществлялось при помощи CFD программы Fluent. На входе в расчетную область задавался массовый расход воздуха, соответствующий скорости потока, равному 1,5 м/с, на выходе из расчетной области задавалось нулевое избыточное давление. На гранях расчетной области, расположенных

перпендикулярно потоку ветра, устанавливалось условие симметрии. Для воспроизведения паровой завесы на нижней грани расчетной области, в месте, где она должна функционировать, была выделена последовательность окружностей размерами,

соответствующими диаметрам форсунок, выпускающих водяной пар под давлением. Для этих выделенных окружностей был установлен соответствующий давлению в форсунке массовый расход пара.

В качестве начальных турбулентных параметров потоков газа были выбраны гидравлический диаметр и интенсивность турбулентности, определяемые по уравнениям [5]: 4А

°н =-

н р

где - гидравлический диаметр потока, м; А -площадь поперечного сечения потока жидкости, м; Р - смоченный периметр поперечного сечения потока, м.

/ =

и

сред

где I - интенсивность турбулентности, %; и -пульсационная скорость потока, м/с; исред -осредненная скорость потока, м/с; РеПн - число

рейнольдса движущегося потока;

Согласно методике [б], определим характер истечения пара через форсунки с помощью

критериев: р

— = 0,34 - для давления пара в форсунке, Рг

равного 3 кгс/см2; р

— = 0,2 - для давления пара в форсунке,

2

равного 5 кгс/см2;

где Р0 - давление окружающей среды, Па; Я2 -

давление пара в форсунке, Па;

г 2 у/ У-) 1 — 1 = 0,54

1у +1)

где у - показатель адиабаты пара, приблизительно одинаковый для обоих значений давления пара, и

соответствует величине 1,31.

у у-1)

Так как .10-

2 у +1

массовая скорость

истечения определяется выражением:

Я, -Р2 у

2 у + 1

У+1) У-1)

где q - массовый расход пара, кг/с £ - площадь

отверстия форсунки, через которую происходит

2

выход пара наружу, м ; р2 - плотность пара при температуре и давлении в паропроводе, кг/м3; ц -коэффициент истечения.

Плотность потоков пара и воздуха определялась по уравнению состояния идеального газа [5]:

Р

ЯТ'

где р - плотность вещества потока, кг/м3; Р-давление потока вещества, Па;Я - универсальная

Р = ■

газовая постоянная,

Дж

кг ■ моль ■ К

; Т - температура

потока, К.

Результаты численного моделирования и сравнение их с экспериментом

В первом эксперименте подавался углекислый газ и измерялась концентрация без действующей завесы в установившемся состоянии, то есть фиксировалась та концентрация газа, которая не изменялась со временем. Далее, во втором эксперименте, при вышеуказанных условиях включалась паровая завеса с давлением пара в форсунках, равном 3 кгс/см2. Также фиксировалась установившаяся во времени концентрация газа за завесой. Третий эксперимент в точности повторял второй, с разницей лишь в давлении пара в форсунках, равных в данном случае 5 кгс/см2.

Основные исходные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные исходные данные эксперимента, принятые при численном моделировании

Параметр эксперимента Значение

Расход выпускаемого в атмосферу СО2, л/с 15,6

Скорость ветра, м/с 1,5

Массовый расход пара, кг/с При давлении 3 кгс/см2 0,0187

При давлении 5 кгс/см2 0,0306

Температура пара, К При давлении 3 кгс/см2 406

При давлении 5 кгс/см2 425

Диаметр форсунок, мм 8

Расстояние между форсунками, мм 20

Результаты численного расчета и измеренные экспериментальные значения отражены на рисунках 2, 3 и 4.

Рис. 2 - Значения концентрации СО2 в поперечном (левый рисунок) и вертикальном (правый рисунок) направлениях, измеренные в случае неактивной завесы. Сплошная линия - это значения, полученные численным методом, точки - экспериментальные значения

<

2 1 Ж ! ■

1-Ö—1— 1,3 1,5 1,7 1,9 У, M

Рис. 3 - Значения концентрации СО2 в поперечном направлении, измеренные при действующей завесе. Сплошная линия отражает значения, полученные численным методом, точки - экспериментальные значения; черный цвет указывает на давление пара в форсунке, равном 3 кгс/см2, серый - 5 кгс/см2

метра после завесы. Указанная на рисунках 2, 3, 4 ось У обозначает направление вдоль завесы, перпендикулярное направлению ветра. Ось Z -направление вверх от уровня земли, С - измеренная концентрация СО2, моль/моль, выраженная в процентах.

Вывод

Из рисунков 2, 3, 4 можно видеть, что разница в результатах между экспериментальными данными и расчетными лежит в пределах 15%. Это приемлемый показатель погрешности, поэтому вышеописанную численную модель можно использовать для дальнейших исследований эффективности паровых завес.

Литература

1. Насибуллин Р.Р. Методы и средства ограничения распространения облаков опасных веществ при аварийных выбросах и проливах. / Насибуллин Р.Р., Галеев А. Д., Поникаров С.И. // Вестн. Казан.технол. ун.-та. - 2013. - Т. 16 -№.4. - С.221-213.

2. Насибуллин Р.Р. Газовоздушные завесы, формируемые свободноконвективными турбулентными воздушными струями. / Насибуллин Р.Р., Галеев А.Д., Поникаров С.И. // Вестн. Казан.технол. ун.-та. - 2014. - Т. 17 -№.20. - С.180-182.

3. Инструкция по проектированию паровой защиты технологических печей на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности (утв. зам. министра нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности Л.А.Бычковым от 21 сентября 1976 года № 7/6/1827).

4. Kimio Sato. Gas screening effect caused by steam curtains. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2, 209-214, (1989).

5. Fluent Inc. Fluent 6.1 // User's Guide. - Lebanon, 2003.

6. Приказ МЧС РФ от 10 июля 2009 г. N 404 "Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах".

Рис. 4 - Значения концентрации СО2 в вертикальном направлении, измеренные при действующей завесе. Сплошная линия отражает значения, полученные численным методом, точки - экспериментальные значения; черный цвет указывает на давление пара в форсунке, равном 3 кгс/см2, серый - 5 кгс/см2

Измерения концентрации проводились в местах, указанных на рисунке 1, на расстоянии 1

© Р. Р. Насибуллин - аспирант кафедры Машин и аппаратов химических производств Казанского Национального Исследовательского Технологического университета, [email protected]; А. Д. Галеев - кандидат технических наук, доцент кафедры Машин и аппаратов химических производств Казанского Национального Исследовательского Технологического университета, [email protected]; С. И. Поникаров - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Машин и аппаратов химических производств Казанского Национального Исследовательского Технологического университета, [email protected].

© R. R. Nasibouliin, graduate student of the department chemical productions machines and apparatuses of mechanical faculty of Kazan National Research Technological University, [email protected], A. D. Galeev, ph.D., Associate Professor of the department chemical productions machines and apparatuses of mechanical faculty of Kazan National Research Technological University, [email protected]; S. 1 Ponikarov, doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department chemical productions machines and apparatuses of mechanical faculty of Kazan National Research Technological University, [email protected].