CC BY
23
УДК (669-97):66.099.2
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В СТАЦИОНАРНОЙ УСТАНОВКЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПРИ РАДИАЛЬНОМ
РАСПОЛОЖЕНИИ ФАКЕЛА
© 2014 г. Е.С. Каменецкий, Г.И. Свердлик, Н.С. Орлова, В.Н. Хостелиди
Каменецкий Евгений Самойлович - д-р физ.-мат. наук, доцент, зав. отделом математического моделирования, Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алния. Тел. (8672) 53-22-61. E-mail: esk@smath.ru
Свердлик Григорий Иосифович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технологические машины и оборудование», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет). Тел. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory.Sverdlik@gmail.com
Орлова Наталья Сергеевна - мл. науч. сотрудник, Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания, Тел. (8672)53-55-72. E-mail: norlova.umi.vnc@ gmail.com
Хостелиди Виктор Николаевич - аспирант, кафедра «Технологические машины и оборудование», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет). Тел. (8672)40-73-58.
Kamenetsky Evgeny Samoylovich - Doctor of Physico-Mathematical Sciences, assistant professor, head of department «Mathematical Modeling», South Mathematical Institute of VSC RAS and RNO-A. Ph. (8672) 53-22-61. E-mail: esk@ smath.ru
Sverdlik Grigory Iosifovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «manufacturing Machinery And Equip-ment», North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute (State Technical University). Ph. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory.Sverdlik@gmail.com
Orlova Natalya Sergeevna - Junior Researcher, South Mathematical Institute of VSC RAS and RNO-A. Ph.(8672)53-55-72. E-mail: norlova.umi.vnc@gmail.com
Khostelidi Viktor Nikolaevich - post-graduate student, department «Manufacturing Machinery And Equipment», North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute (State Technical University). Ph. (8672)40-73-58.
Разработана методика расчета температурного поля в барабанном агрегате горячего окомкова-ния. Представлено сравнение результатов расчетов по предложенной методике с полученными экспериментальными данными. Показано, что предлагаемая методика удовлетворительно описывает температурные поля в агрегате.
Ключевые слова: методика расчета; экспериментальная установка; газовая горелка; барабанный агрегат горячего окомкования; лучистый теплообмен.
Methodology for calculation of the temperature field in drum unit hot pelletizing was developed. Comparison between calculation results of the proposed methodology and obtained experimental data are presented. Shown that the proposed methodology describes the temperature fields satisfactorily.
Keywords: methodology for calculation; experimental equipment; gas burner; drum unit hot palletizing; radioactive heat transfer.
На кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (Государственный технологический университет)» разработана конструкция барабанного агрегата горячего окомкования [1], который предназначен для совмещения процессов окомкования и обжига окатышей. По сравнению с раздельными процессами окомкования и последующего обжига совмещенный процесс в одном агрегате имеет следующие преимущества: сокращение числа агрегатов и повышение качества окатышей за счет отсутствия разрушения их части при транспортировке (особенно при перегрузке).
В агрегате создаются зоны рекомендуемой последовательности технологических операций: получения сырых окатышей, сушки, подогрева, обжига и охлаж-
дения за счет размещения блока горелок внутри агрегата на определенном расстоянии от разгрузочного конца. Для проектирования агрегата необходима разработка методики расчета температурного поля внутри агрегата и, особенно, в зоне расположения блока горелок. В связи с тем что для определения рекомендуемых параметров конструкции агрегата необходимо исследование процесса теплового нагрева сыпучего материала, было проведено теоретическое и экспериментальное исследование распределения температуры на внутренней поверхности трубы в ее нижней части (под горелкой) и верхней части (над горелкой).
Теоретические расчеты сравнивались с результатами экспериментального исследования на созданной лабораторной установке (рис. 1). Модель агрегата была выполнена в виде стальной трубы 3 с размерами
DхL = 0,305 м х2,1 м. Внутри трубы располагалась газовая горелка 4, соединенная с газовым баллоном 6. Горелка имеет возможность перемещаться. Эксперименты были проведены при фиксированном расположении горелки. При этом горелка располагалась на расстоянии 1,25 м от входа и, соответственно, на расстоянии 0,85 м от выхода из трубы. Воздух внутрь трубы подавался вентилятором 5 типа УМА - 15S2S, на входе которого была заслонка для регулирования скорости воздуха. Скорость воздуха замерялась на выходе из трубы крыльчатым анемометром 1, установленным на торце трубы. Температура в различных точках внутри трубы замерялась термопарой 2 типа ТХА/1-2388К Кл.2, соединенной с потенциометром 7 типа Ж ВП1 - 503.
1
2 3 4
5
/ / / / 0
11 / V ^r-rf
ji
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Далее подробно представлена методика расчета распределения температуры вдоль трубы на ее внутренней поверхности.
При расчетах теплообмена в факельных печах вводится допущение: участие в излучении принимает не весь газ, находящийся в объеме, а ограничивающая его воображаемая поверхность. Принимается, что излучение этой поверхности эквивалентно излучению газового объема [2]. Форма факела представлялась в виде цилиндра малого диаметра [3]. Средний диаметр факела по результатам наблюдений равен 0,02 м, длина факела (соответствует высоте цилиндра) равна 0,2 м.
Поскольку температура по длине факела существенно изменяется, примем, что факел состоит из 4 цилиндров одинаковых размеров (высота каждого цилиндра равна 0,05 м, диаметр равен 0,02 м). В каждом цилиндре свое среднее значение температуры пламени, полученное в результате экспериментальных измерений. Температура факела также замерялась термопарой. В первом цилиндре, ближайшем к соплу, из которого выходит газ, значение температуры соответствует 600 оС, во втором соседнем цилиндре -585 оС, в третьем - 560 оС, и в последнем четвертом цилиндре - 425 оС.
В литературе [3] указано, что вогнутую или выпуклую излучающую поверхность в теплотехнических расчетах можно заменить эффективной излучающей поверхностью, на которую опирается вогнутая или выпуклая поверхность. Эффективной поверхностью
для каждого цилиндра малых размеров является прямоугольник, получающийся при диаметральном сечении. Таким образом, предполагалось, что источниками излучения являются четыре прямоугольные площадки. Каждая площадка имеет свое среднее значение температуры пламени.
Согласно [3, 4] поток энергии, излучаемый элементарной площадкой (площадкой малых размеров) в полусферу, определяется по формуле:
е - Ч Ю0 Г р,
где С0 - постоянная (С0 = 5,67 Вт/(м2К4)); е - степень черноты (коэффициент излучения); ТГ - температура
(пламени) на поверхности элементарной площадки, К;
2
р - площадь элементарной площадки, м .
Соответственно поток энергии, излучаемый эффективной поверхностью в окружающее пространство (в сферу), вдвое больше, чем Q.
Поток излучения, падающий от поверхности конечных размеров на элементарную площадку Р (рис. 2) на стенке трубы, можно определить по следующей формуле [3]:
- QlФlP ,
где Ql - поток излучения, излучаемый поверхностью конечных размеров в окружающее пространство; ф1Р -локальный угловой коэффициент излучения.
Так как в экспериментах пламя факела достигало дна трубы и предполагалось, что ось цилиндра и дно трубы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, то для определения локального углового коэффициента использовалась следующая формула [3]:
Ф1P =
FP
2п2 xl
«ш2 р;
где х - минимальное расстояние от точки А (центра элементарной площадки Р) до оси цилиндра, м; РР -площадь площадки Р, м2; I - длина факела (соответствует высоте цилиндра), м; в - угол, в пределах которого источник излучает в точку А , рад (рис. 2).
о-
Г '
Рис. 2. Геометрические построения для определения локального углового коэффициента излучения линейного источника на элементарную площадку при их нахождении во взаимоперпендикулярных плоскостях
7
l
Предполагалось, что с нагреваемой поверхности осуществлялся теплоотвод в воздух, движущийся в трубе. В связи с этим, пренебрегая переносом тепла вдоль трубы и теплоотводом с ее внешней поверхности, можно записать стационарное уравнение:
QlP =а(Тр - Тв )FP, (1)
где а - коэффициент теплоотдачи за счет конвекции. В уравнении (1) неизвестными являются температура на поверхности элементарной площадки Тр и температура воздуха ТВ. Согласно экспериментальным данным, температура воздуха в установке меняется в пределах примерно от 20 оС (на входе в трубу) до 100 оС (на выходе из трубы). Поэтому в расчетах использовались эти два граничных значения температуры воздуха. Причем принималось, что до горелки ТВ = 20 оС, а после нее ТВ = 100 оС. Таким образом, уравнение (1) можно решить относительно неизвестной Тр в зависимости от координаты х.
Экспериментальное исследование проводилось при разных значениях скорости воздуха 0,36, 0,42 и 0,5 м/с. На рис. 3 представлены результаты сравнения экспериментальных данных и расчетов по распределению температуры на внутренней поверхности трубы в ее нижней части (под горелкой) вдоль координаты х при скорости воздуха 0,5 м/с.
Г. °С
—SW—
// "
//
/
1-1-1-9—
■: .-: ■: . -: :; : : :; : : : -: : : х, м
Рис. 3. Распределение температуры на поверхности трубы под горелкой
Нулю по оси х на рис. 3 соответствует расположение горелки, кривая 1 соответствует экспериментальным данным, кривая 2 - расчетным. Так как пламя факела в экспериментах достигало поверхности трубы, на графике отмечено значение температуры на поверхности трубы (и на экспериментальной, и на расчетной кривых), соответствующее температуре пламени в этой области.
Кроме того, было проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными температуры на поверхности трубы в ее верхней части (над горелкой). Дополнительное измерение температуры на поверхности трубы над горелкой проводилось с целью более полной проверки методики расчета и
установления факта дополнительного нагрева футеровки промышленного агрегата в верхнем ее положении, что препятствует ее охлаждению и способствует более равномерному распределению температуры в ней. В этом случае в расчетах использовалась формула для определения локального углового коэффициента излучения:
F / \
Vip =Tlb(sin2 Pi - sin2 P2), (2)
где p1 - p2 = р. Геометрические построения для определения локального углового коэффициента излучения и вывод формулы (2) представлены в [3].
На рис. 4 приведены результаты сравнения, полученные при скорости воздуха 0,5 м/с. Как и на предыдущем рисунке, результатам расчетов при отрицательных значениях x соответствуют расчеты, полученные при ТВ = 20 оС, а при положительных значениях x - при ТВ = 100 оС. Обозначения кривых соответствуют обозначениям на рис. 3.
Следует отметить, что в области непосредственно над горелкой и вблизи нее решение уравнения (1) не позволяет получить значение температуры на поверхности трубы, которое бы соответствовало экспериментальным данным. В связи с этим расчетная кривая в этой области -0,1 м < x < 0,25 м была получена путем интерполирования квадратичным полиномом по известным значениям температуры и производных от нее по x, полученным в точках x = -0,1 м и x = 0,25 м.
Т, °С
- ^2 / >
i Ут "V. / X
/ 1 ---♦
i 4
/Г ' I 43
x у 40 у 4
О-
-: f -: - -: : : ; : : - : ■?■ : = х, м
Рис. 4. Распределение температуры на поверхности трубы над горелкой
Из рис. 4 видно, что результаты расчетов, как и на рис. 3, качественно правильно описывают результаты экспериментов по распределению температуры.
Следует отметить, что в области непосредственно над горелкой (вблизи нуля на рис. 4) излучение экранируется форсункой горелки. Об этом свидетельствуют экспериментальные значения температуры, существенно низкие по отношению к расчетным. Такие же результаты наблюдались и в случаях, когда скорость воздуха в трубе была равна 0,36 и 0,42 м/с. При ин-
терполяции учесть этот эффект сложно, и результаты расчетов в этой области значительно завышены по отношению к экспериментальным данным. Последнее не существенно, поскольку окатыши будут перемещаться по нижней поверхности трубы.
Сравнение результатов экспериментов и расчетов, полученных при скорости 0,36 и 0,42 м/с, также показало, что экспериментальным данным температуры на поверхности трубы (в нижней и верхней частях) до горелки лучше соответствуют расчеты при ТВ = 20 оС, а экспериментальным данным после горелки -расчеты при ТВ = 100 оС.
В экспериментальной установке по сравнению с промышленным агрегатом одновременно снижены температура, создаваемая факелом, скорость движения воздуха, и уменьшены размеры установки, что в комплексе должно привести к близости температурных полей экспериментальной установки и промышленного агрегата. Поскольку в расчетах не учитывался теплоотвод в стенку, который будет меньше при наличии футеровки, и результаты расчетов хорошо совпадают с полученными экспериментальными данными, можно ожидать, что наличие футеровки и круговое движение барабана агрегата с низкой частотой вращения не скажутся существенно на температурном поле. Наличие материала также не должно значительно влиять на распределение температуры, так как
Поступила в редакцию
предполагается его использование в малых концентрациях при малых скоростях его движения.
Таким образом, предлагаемый метод расчета температуры стенок трубы дает вполне удовлетворительные результаты и может использоваться для совершенствования конструкции барабанного агрегата горячего окомкования, в частности, для определения положения горелки, обеспечивающего создание необходимых зон.
Литература
1. Пат. 2163645 РФ С22В1/24. Барабанный агрегат для получения обожженных окатышей.
2 Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М., 1982. 512 с.
3. Макаров А.Н. Теория и практика теплообмена в электродуговых и факельных печах, топках, камерах сгорания. Ч. 1: Основы теории теплообмена излучением в печах и топках. Тверь, 2007. 184 с.
4. Теория тепломассообмена: учебник для вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов [и др.]; под ред. А.И. Леонтьева. М., 1979. 495 с.
23 января 2014 г.
