CC BY
45
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10/2017 ISSN 2410-6070
НХТИ (филиал) ФГБОУ ВО «КНИТУ» г.Нижнекамск, Российская Федерация
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТОПОЧНОЙ КАМЕРЫ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ МЕТОДОМ
Аннотация
Рассматривается сложный теплообмен в радиантной камере трубчатой печи коробчатого типа. Математическая модель содержит двумерные уравнения переноса излучения, энергии, движения, неразрывности, к—е модели турбулентности и двухшаговой модели горения метана. Рассчитаны поля локальных характеристик сложного теплообмена в камере радиации.
Трубчатые печи находят широкое применение в нефтехимической промышленности. В радиантных камерах этих печей происходит ряд сложных физико-химических процессов. Тепло реакционным трубам в основном передается излучением от пламени, раскаленных поверхностей огнеупорной футеровки и частично конвекцией от продуктов сгорания топлива.
Исследования проведены для трубчатой печи конверсии природного газа типа БПК-9000 со сводовым сжиганием газообразного топлива. Топочная камера печи состоит из 5 радиантных секций, образованных 4 рядами вертикально расположенных реакционных труб и боковыми стенками печи. Ширина центральных секций равна 2м, боковых секций - 1,42м. Длина радиантной камеры - 11,1м. Общее количество труб 128, диаметр 134x12 мм, обогреваемая длина - 11,7м. На своде радиантной камеры симметрично относительно трубчатых экранов расположены 65 горелок - 5 рядов по 13 горелок (по одному ряду на каждую секцию). Упрощенная схема части средней секции радиантной камеры приведена на рис. 1.
I X
Рисунок 1 - Упрощенная схема части средней секции камеры радиации: 1 - трубчатый экран; 2 - шахта
для отсоса дымовых газов; 3 - факел; 4 - горелки.
Ключевые слова
Трубчатая печь, теплообмен, излучение
Z
з -
1
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10/2017 ISSN 2410-6070_
Рассматриваемая печь характеризуется малой шириной топочной камеры по сравнению с ее длиной и высотой. Изменение параметров потока по длине z (рис. 1) намного меньше, чем по ее ширине у и высоте х. Поэтому задача радиационно-конвективного теплообмена рассматривается в двумерной постановке. Малый диаметр реакционных труб по сравнению с размерами камеры радиации и малый шаг между ними позволяют заменить трубный ряд сплошной плоской стенкой, проходящей по осям труб. Эффективные степень черноты Вэф и отражательная способность Гэф такой стенки обычно вычисляются по формулам, приведенным в [1]. Для решения задачи использован дифференциальный метод, который подробно описан в [1, 2]. Учитывается переменность теплофизических свойств. Ряд горелок на своде заменяется сплошной узкой щелью с поперечным сечением, равным общей площади амбразур всех горелок, расположенных в одном ряду.
Математическая модель задачи содержит стационарные уравнения энергии, переноса излучения, движения, неразрывности, k-s модели турбулентности, модели горения, а также граничные условия к этим уравнениям. Приведем основные уравнения для средней секции. Вертикальная плоскость, проходящая по осям горелок, является плоскостью симметрии. Поэтому достаточно рассмотреть половину средней секции. Распределение температур в топочной камере находится в результате решения уравнения энергии
дТ дТ д
cp + cp =
г дх г ду дх
(х+хт )дг
дх
д + —
ду
ду.
+ Qv - divqp. (1)
Здесь и, и - компоненты вектора скорости V по осям Ох, Оу соотвественно; р- плотность дымовых газов; Ср - изобарная теплоемкость; Л, А,т - коэффициенты молекулярной и турбулентной теплопроводности соответственно; Т=Т(х,у) - температура в точке с координатами х,у; Qv - объемная плотность тепловыделения в результате горения топлива; д - вектор плотности интегрального по спектру лучистого
потока тепла.
Для нахождения распределения (Д. в объеме средней секции решаются дифференциальные уравнения двухшаговой модели горения метана. Объемная мощность лучистых потоков сНу с/^ в уравнении
(1) определяется путем решения уравнения переноса излучения (УПИ). На поверхности нагрева граничное условие к УПИ ставится с учетом диффузного излучения и отражения от стенок. Для решения УПИ используется S4 - приближение метода дискретных ординат (МДО). МДО для двумерной прямоугольной геометрии подробно рассмотрен в [3].
Поле скоростей находится в результате решения осредненных уравнений движения и неразрывности
ди ди дрд ди 2 - 5 ди до
ри — + ри— = -— + — (М-эф(2— - -+ — (цэф(— + —)) + /х,
дх ду дх дх ^ дх 3 ду ду дх
Эо до др д ди Эо д Эо 2 -
ри — + ри— = -— + — (М-эф (— + Т"» + Т" (М-эф (2 — " ~ + /2,
дх ду ду дх ду дх ду ду 3
д(ри) | 5СРЦ) = 0
дх ду '
где Цэф = ц + Цт; ц, Цт - коэффициенты молекулярной и турбулентной вязкости соответственно; р -давление дымовых газов в топочной камере; /1, / - массовые силы [1]. Состояние дымовых газов рассматривается в приближении идеального газа.
Для уравнений движения на твердой границе ставятся условия «прилипания» и «непроницаемости». На входном сечении задается скорость истечения газов, определенная исходя из расхода топлива на топочную камеру, коэффициента избытка воздуха и других исходных данных. На твердой границе диффузионный поток кинетической энергии турбулентности полагается равным нулю. На плоскости симметрии ставится условие симметрии. Для уравнения энергии, уравнений модели горения, модели турбулентности на входном участке ставится граничное условие первого рода. На выходе из топки задается граничное условие второго рода. Для уравнения неразрывности на выходном сечении задается нулевое избыточное давление покидающих топку дымовых газов. На поверхности свода, пода, шахты для отвода
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10/2017 ISSN 2410-6070_
дымовых газов для уравнения энергии ставится условие адиабатности. Для уравнения энергии на поверхности нагрева задается граничное условие первого рода.
Для получения дискретных аналогов уравнений сохранения использован метод контрольных объемов. При аппроксимации уравнений применена разностная сетка «шахматного» типа. В расчетах использована неравномерная сетка.
В топочной камере в основном излучают и поглощают энергию CO2, H2O и сажистые частицы. Для вычисления интегрального по спектру коэффициента поглощения газообразных продуктов сгорания использована модель взвешенной суммы серых газов [4]. Наши программы позволяют рассчитывать лучистые тепловые потоки с использованием модели широкой полосы. В таком случае УПИ решается для каждой полосы и лучистые потоки определяются суммированием по спектральным полосам. Степень черноты наружной стенки реакционных труб принята равной 0,9, при которой эффективная степень черноты Вэф=0,74. Степень черноты футеровки равна 0,67.
По нормативному методу выполнен расчет ряда интегральных параметров. Эти значения использованы в дальнейшем в качестве исходных данных. Исходные данные для расчета радиационно-конвективного теплообмена: расход воздуха в радиантную камеру 14,807 нм3 /с; скорость газов на входе в камеру радиации 5,069 м/с; начальная температура горения топливной смеси 882 °С.
Рассчитаны поля локальных характеристик радиационно-конвективного теплообмена и аэродинамики в камере радиации. Некоторые из полученных результатов приведены ниже. На рис.2 показаны изотермы в объеме топочной камеры. Наибольшие температуры продуктов сгорания получаются в области горения топлива. Большая часть объема камеры заполнена продуктами сгорания, температура которых уменьшается от 1770K до 1400K. Температура дымовых газов уменьшается в направлении шахты для отвода газов и составляет 1170K на перевале. Доля конвекции в тепловом балансе составляет 7%.
Список использованной литературы:
1. Садыков А.В. Методика расчета сопряженного теплообмена в трубчатой печи производства водорода в рамках дифференциального метода // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2013. №7-8. С.3-11.
2. Абдуллин А.М. Численный метод определения температуры излучающей стенки в трубчатых печах // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2012. №11-12. С.30-39.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10/2017 ISSN 2410-6070_
3. Садыков А.В. К расчету лучистых тепловых потоков в прямоугольных областях методом дискретных ординат // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2016. №3-4. С.13-21.
4. Smith T. F., Shen Z.F., Friedman J.N. Evaluation of Coefficients for the Weighted Sum of Gray Gases Model // J. Heat Transfer. 1982. №104. P. 602-608.
© Садыков А.В., Абдуллин А.М., 2017
УДК 539.3
Д.Е. Страхов
к.т.н, доцент КГАСУ, г.Казань, РФ Е-mail: strachovde@ mail.ru Сахапова А.И. студент 3курса КГАСУ, г.Казань, РФ E-mail: wertea@yandex.ru
ОБЪЕМНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЯХ
Аннотация
Данная работа посвящена исследованию возможности эффективного применения программного комплекса Лира-САПР, для решения нетиповых задач с использованием объемных конечных элементов.
В данном исследовании проводится анализ несущей системы здания Пожарной каланчи в городе Сарапул, являющейся памятником архитектуры федерального значения.
Ключевые слова
Реконструкция, расчетные модели, объёмные конечные элементы, расчетные комплексы, кирпичные своды.
На сегодняшнее время метод конечных элементов является самым распространенным инструментом, лежащим в основе значительного большинства современных программных комплексов (таких как ЛИРА-САПР, MicroFe (микрофе) , STARK ES (старк) и т.д). Разнообразие решаемых задач обеспечивается большим количеством библиотек конечных элементов, включающих стержневые, пластинчатые и объемные элементы.
В большинстве современных задач, по определению усилий в несущих элементах, при расчетах инженерных конструкций, используют стержневые и пластинчатые элементы. Использование данных элементов позволяет с довольно точно определять внутренние усилия в элементах, при достаточно малом соотношении габаритов сечения к длине конструктивного элемента. Однако, существует определенная область практических задач в которых пластинчатые элементы недостаточно полно отражают напряженно-деформированное состояние исследуемых конструкций. К таким задачам можно отнести:
- задачи в которых габариты сечения сопоставимы с длинами элементов (объемные сложные ростверки, толстые стены в основаниях высотных зданий и так далее.);
- задачи в которых используется ортотропный материал (кладка стен, обычная и клееная древесина, композиционные материалы).
Решения данных задач известны, как методами численного моделирования конструкции различной конфигурации [1; 2], так и экспериментальным изучение механизмов разрушения в том числе и кирпичных сводов [3; 4]. Программное обеспечение лидеров отрасли широко использует различные типы конечных
