Научная статья на тему 'Математическое моделирование температурных полей фрагмента футеровки трубчатой вращающейся печи'

Математическое моделирование температурных полей фрагмента футеровки трубчатой вращающейся печи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
68
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ / ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ / MATHEMATICAL MODELING / HEAT FLOWS / TUBULAR KILNS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шариков Ю. В., Маркус А. А.

Разработана математическая модель для описания распределения тепловых потоков в футеровке трубчатой вращающейся печи. Выполнено решение модели с использованием специализированного программного пакета и показано, что предложенная футеровка позволяет существенно снизить тепловые потери в окружающую среду.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MATHEMATICAL MODELING OF THERMAL FIELDS IN A FRAGMENT OF THE LINING OF ROTARY KILN

Mathematical model for describing thermal fields in a fragment of the lining has been evaluated. The solution of the model has been carried out with using software package ANSIS 14.0. It has been shown that suggested lining allows to reduce heat losses to environment.

Текст научной работы на тему «Математическое моделирование температурных полей фрагмента футеровки трубчатой вращающейся печи»

Экспертная система прошла апробацию и показала хорошие результаты. Разработанная система удобна в использовании и интуитивна понятна. К достоинствам разработанного приложения также следует отнести возможность пополнения и обновления базы данных и модифицируемость самого приложения.

Литература

1. Использование семиотического подхода к представлению знаний для построения модели логической структуры учебного материала / Т.В. Зайцева, С.В. Игрунова, Н.П. Путивцева, О.П. Пусная, Е.В. Нестерова // Научные ведомости БелГУ - 2011 -№13(108), выпуск 19/1. - С. 143-149.

2. Этап концептуализации [Электронный ресурс] URL: Ы!р:/^1ккт'И;от.гиЛ^ех^р/Этап_концептуализации (дата обращения 12.03.2014).

3. Учебник по C++Builder [Электронный ресурс] URL: http://artides.org.ru/docum/builder/6.php (дата обращения 20.02.2014).

Шариков Ю.В.1, Маркус А.А.2

'Профессор, доктор технических наук, 2аспирант, Национальный минерально-сырьевой университет «ГОРНЫЙ»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ФРАГМЕНТА ФУТЕРОВКИ ТРУБЧАТОЙ

ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

Аннотация

Разработана математическая модель для описания распределения тепловых потоков в футеровке трубчатой вращающейся печи. Выполнено решение модели с использованием специализированного программного пакета и показано, что предложенная футеровка позволяет существенно снизить тепловые потери в окружающую среду.

Ключевые слова: математическое моделирование, тепловые потоки, трубчатые печи.

Sharikov I.V. 1, Markus A.A.2

Professor, Doctor of Science (Chem.Engng.), 2Post graduate Student, Nationa mineral resource university (mining university) MATHEMATICAL MODELING OF THERMAL FIELDS IN A FRAGMENT OF THE LINING OF ROTARY KILN

Abstract

Mathematical model for describing thermal fields in a fragment of the lining has been evaluated. The solution of the model has been carried out with using software package ANSIS 14.0. It has been shown that suggested lining allows to reduce heat losses to environment.

Keywords: mathematical modeling, heat flows, tubular kilns.

One of the main factors determining the thermal efficiency of the kilns, are the values of heat resistance lining, which are used in the rotary kilns. The heat losses through the body of the kiln to the environment reach 10 ... 15% of the total heat of combustion [2,4].

The absence of a durable heat-resistant material with good thermal insulation properties to a large extent determined the direction of the work to create a lining with high thermal resistance through the introduction of additional fibrous insulation material, which is achieved by changing the shape of the refractory. Heat insulator can be fibrous structure, such as mullite-silica wool with inorganic additives, basalt fiber and similar structures that can be used at temperatures up to 1600 ° C. In this case, between the refractory and the oven is formed cells filled insulation material [2, 7, 8].

The greatest decreasing of heat loss in the furnace environment and weight lining can be achieved through the installation of shaped refractory materials in high-temperature zone of the furnace, which also provides a large heat transfer with material and decreased thermal mass unit [8]. On the Fig. 1 is shown the construction of the thermal insulation, which is based on the firebrick cabinet with legs formed by cells. Under mechanical and thermal loads that occur during operation, the reduced form provides better preserve mechanical stability of refractory bricks and ensure high thermal efficiency.

The aim of the study is to investigate the options for mounting a shaped refractory linings of various configurations, taking into account both thermal efficiency and structural reliability.

The task of the research is the need to obtain the temperature fields and the development of methods of calculation of temperature fields in the body of the refractory. Data on the temperature field in the masonry stove obtained based on mathematical modeling.

To estimate the thermal fields apply the heat equation (1), in a Cartesian coordinate system.

7 ^ a2' — qv

dt _ Я дт Cp

д 21Л

д2t д t

dx2 dy dz2

+ -

Cp

(1)

[7,8]

The initial and boundary conditions for the solution of differential equations takes the high-temperature sintering zone of a rotary kiln.

I

The temperature on the inner surface and the rotary kiln tin = 1873 °K; the temperature of the environment tenv = 300 К;

79

thermal conductivity of refractory fireclay is defined as a function of temperature cham ( ’ ’ ) ’ , где t -

temperature chamotte refractory material, C

thermal conductivity of basalt fiber 7bas = 0,06 W/(m • °K); density of chamotte pcham = 1800 kg/m3; density of basalt fiber pbas = 200 kg/m3;

convective heat transfer coefficient on the outside of the oven a = 30 BT/(m2 • °K) [4,8].

The thickness of the lining to take in accordance with the technological requirements of the rotary kiln [4,5,8].

The solution of differential equations are derived by means of a software package ANSIS 14.0 using the finite element method. As a generator of a finite element mesh used package ICEM CFD 14.0. The resulting finite element mesh are shown in Figures 2 and 3.

ANSYS

Fig. 2. The finite element mesh for the standard construction lining The number of items 46672, number of nodes 8153, the average size of a finite element 0.02 m

Fig. 3. The finite element mesh lining for new construction The number of items 47693, number of nodes 8124, the average size of a finite element 0.02 m On the basis of (1) The temperature field of fireclay refractory lining in Figure 4, and the new design lining in Figure 5

Fig. 4. The temperature field in the standard construction of the kiln’s lining

80

q = 6427 W/m2 - the heat flux through the external surface

rext= 514 °K - the average temperature on the external surface of the kiln

Fig. 5. The temperature field in the new proposed construction of the rotary kiln’s lining q = 2671 W/m2 - the heat flux through the external surface Text= 389 °K - the average temperature on the external surface of the kiln Based on the thermogram can draw conclusions about the new construction of the lining:

1) By creating a layer of basalt fibers on the outer edge of fireclay lining result in lower temperature of 125 °K.

2) The decrease of the heat flux through the new design lining is 2.4 times less than the standard lining.

3) Application of the new liner design reduces fuel consumption, as reduce heat loss to the environment. This helps reduce harmful

emissions.

4) Application of the new design will reduce the share of the lining of heat loss proportional to the decrease of the heat flux.

References

1. Ходоров Е.А. Печи цементной промышленности. Ленинград, , 1968, 432 c.

2. Чудновский А.Ф., Теплофизические характеристики дисперсных материалов./ Физматгиз, М.,1962, с.323.

3. Кривандин В.А. Теплотехника металлургического производства. Т. 1 / А.В. Кривандин, В.А. Арутюнов, В.В. Белоусов. - М.: Изд. МИСиС, 2002. - 608 с.

4. Линер А. Еремин Н.,Линер Ю.,Певзнер И. Производство глинозема / / М.,Металлургия, 1978, 344с.

5. Steffen W. Hydrogen energy from coupled waste gasification and cement production - a thermochemical concept study / W. Steffen, S. Hamel and W. Krumm // International Journal of Hydrogen Energy. - 2006. - Vol. 31. - Issue 12. - P. 1674-1689

6. U. Kaantee, R. Zevenhoven, R. Backman, M. Hupa. Cement manufacturing using alternative fuels and the advantages of process modeling// Fuel Processing Technology №85. 2004 г. P. 293-301

7. Кривандин В.А., Филимонов Ю.П., Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. / M.: Металлургия, 479 с.

8. Кутутеладзе С.С. Основы теории теплопередачи, М., Атомиздат, 1990,

416 с.

Шариков Ю.В.1 Титов О.В.2

'Доктор технических наук, профессор; 2кандидат технических наук, ассистент Национальный минерально-сырьевой

университет «Г орный»

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ОКИСЛЕНИЯ БИТУМОВ В КОЛОННЫХ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Аннотация

Данная работа посвящена исследованию влияния конструктивных особенностей аппарата окисления на качество битумов. Разработана математическая модель процесса окисления битума. На основе предложенной математической модели было проведено моделирование процессов окисления в секционированном аппарате, исследовано влияния числа ячеек, распределения температур по ячейкам и расхода воздуха в различные ячейки.

Ключевые слова: математическая модель; окисление; битум; колонный аппарат.

Sharikov Y.V.1, Titov O.V.2

'Doctor, professor; 2PhD in technical, assistant National mineral resources university (University of mines)

SIMULATION AND CONTROL OF BITUMEN’S OXIDATION PROCESSES IN BUBBLE TOWERS OF CONTINUOUS

ACTION

Abstract

It has been researched influence of the oxidation unit design features on the process of tars oxidation for the purpose of stable quality bitumen’s production.

The mathematical model of the oxidation of the tars initiated by air has been constructed. The simulation of processes of oxidation in the partitioned device has been spent. It has been researched influences of number of cells, distributions of temperatures on cells and air expense in various cells

Keywords: bitumen; bubble tower; oxidation processes.

It is known that quality of bitumen is influenced by basic three factors: structure of raw materials for oxidation, oxidation conditions of and it’s the choice of equipment, and also structure of commodity bitumen. At present there are various methods of tars oxidation process efficiency increasing, in order to obtain reception bitumen’s, in particular, it is a method of increasing of surface of phases contact of with the development of air devices, use dispersers an air. Optimization of the parameters of technological process and raw materials selection also has positive influence. Further more Application of catalysts of oxidation and oxidizers specially entered into system should be mentioned.

81

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.