CC BY
10
ISSN 2410-6070
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА»
№ 8-1 / 2022
порядок подачи мостовых конструкций и элементов моста к преграде, места их размещения на берегу;
расположение подъездных путей к местам выгрузки средств механизации и мостовых конструкций. Список использованной литературы:
1. Владимирский С.Р. Системы механизации строительства мостов,- СПб.: Папирус, 1998.
2. Владимирский С.Р. Современные методы проектирования мостов,- СПб.: Папирус, 1998.
3. П. М. Саламахин, Л. В. Маковский, В. И. Попов и другие; под ред. П. М. Саламахина. «Инженерные сооружения в транспортном строительстве.», учебник для студентов высших учебных заведений / — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 352 с.
© Курбатов М.Ю., Овчинников В.В., Скоробогатая А.С., 2022
УДК 536.3.535.34
Садыков А.В.,
д.т.н., доцент НХТИ (филиал) ФГБОУ ВО «КНИТУ» г. Нижнекамск, РФ
ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ ОТ РАСПОЛОЖЕНИЯ ГОРЕЛОК
Аннотация
Рассматривается сложный теплообмен в радиантной камере цилиндрической трубчатой печи. Математическая модель содержит двумерные уравнения сохранения энергии, переноса излучения, движения, неразрывности, к-е модели турбулентности и двухшаговой модели горения метана. Рассчитаны поля локальных характеристик сложного теплообмена в радиантной камере.
Ключевые слова
Трубчатая печь, теплообмен, излучение, горение, турбулентность
Трубчатые печи достаточно широко применяются в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. В радиантных камерах трубчатых печей происходят сложные физико-химические процессы. Тепло реакционным трубам преимущественно передается излучением от факела, поверхностей огнеупорной футеровки и частично конвекцией от продуктов сгорания. Расположение горелок в радиантной камере оказывает влияние на распределения тепловых потоков к трубчатому змеевику и температуры по длине труб.
В качестве объекта исследования выбрана радиантная камера цилиндрической трубчатой печи типа ВА-301, используемой на нефтеперерабатывающих заводах для нагрева сырья реактора. Упрощенная схема радиантной камеры печи представлена на рис. 1. Размеры радиантной камеры: высота 12,89 м, радиус 2,2 м. По периметру радиантной камеры на расстоянии И = 2,074 м от оси печи установлен однорядный трубчатый экран. С внутренней стороны стены камеры футерованы каолиновой ватой. В проектном варианте в поду печи на определенном расстоянии от оси симметрично расположены 8 горелок диффузионного типа.
Рисунок 1 - Упрощенная схема радиантной камеры и система координат: 1 - футеровка, 2 - трубчатый экран, 3 - горелки, 4 - факел
Симметричное расположение горелок, а также наличие осевой симметрии позволяют рассматривать задачу в двумерной постановке. Малый диаметр реакционных труб по сравнению с размерами камеры и малый шаг между ними позволяют заменить трубный ряд сплошной непрозрачной для излучения лучевоспринимающей поверхностью, проходящей по осям труб. Эффективные степень черноты 8эф и отражательная способность Гэф такой стенки вычисляются по формулам, приведенным в [1]. Отдельно расположенные горелки заменяются кольцевой щелью, ширина которой рассчитывается из условия равенства площади щели и суммарной площади выходных амбразур 8 проектных горелок диффузионного типа.
Математическая модель задачи радиационно-конвективного теплообмена содержит стационарные уравнения энергии, переноса излучения, движения, неразрывности, модели турбулентности, модели горения и граничные условия к ним.
Поле температур находится решением уравнения энергии
dT дТ д
cp + Ри~ = —
dz
дг dz
V T dz
+ 1 —
г дг
(Х + Хт ) г dT дг
+ Qv - divqp
(1)
Здесь и, V- компоненты вектора скорости V по осям г, г соответственно; р - плотность дымовых газов; ер - изобарная теплоемкость; А, Ат - коэффициенты молекулярной и турбулентной теплопроводности соответственно; Т =Т(г,г) - температура в точке М с координатами 1, г; (Зу- объемная
плотность тепловыделения в результате горения топлива; а - вектор плотности интегрального по спектру
р
лучистого потока тепла. Дивергенция лучистых потоков находится решением уравнения переноса излучения (УПИ).
Поле скоростей находится путем решения уравнений движения и неразрывности потока совместно с уравнением состояния
du du dp д
pu--Ipu— = ——I--
dz dr dz dz
du du dp d
pu--Ipu— =---1--
dz dr dr dz
r
r
du 2
\\
2---divV
dz 3
М"эф V v
^ (du duY
jj
1 d .
+ " — ( Фэф r dr
r du dü^
— + —
dr dz
л
^ эф
V
+
vdr dz
jj
1 d
+--
r dr
rn эф
Дэф
V
2 -- - divV r 3
I /2, d(pu) 1 d(rpu)
dz
r dr
= 0, p =
p
RT,
2 dU-2 dvV dr 3
I /1 >
\\
jj
У (2)
J
(3)
где Цэф = Ц + Цт - коэффициент эффективной вязкости; ц, Цт - коэффициенты молекулярной и турбулентной вязкости соответственно; р - давление дымовых газов в радиантной камере; Цсм -молярная масса смеси дымовых газов; fi, /2 - массовые силы.
Для замыкания уравнений движения (2) используется ks модель турбулентности. Горение метана рассматривается в рамках двухшаговой модели. Скорость химической реакции определяется моделью вихревой диссипации. В качестве рабочего газа используется воздух, в качестве газообразного топлива -природный газ, состоящий в основном из метана.
УПИ решается методом дискретных ординат (МДО) (S4 - приближение). Вопросы практической реализации МДО с использованием различных приближений, а также совместного решения с уравнением энергии (1) для цилиндрической геометрии детально рассмотрены в [2, 3, 4]. Предполагается, что твердые поверхности диффузно испускают собственное и отражают падающее излучение. В радиантной камере основными излучающими и поглощающими компонентами являются CO2, H2O и сажистые частицы. Интегральный по спектру коэффициент поглощения продуктов сгорания рассчитывается с использованием модели взвешенной суммы серых газов [5]. Эффективная степень черноты поверхности нагрева, определенная по приведенной в [1] методике, равна 0,65.
Для уравнения энергии, уравнений модели турбулентности, модели горения на входном участке ставится граничное условие 1 рода. На оси потока (0z) задается условие симметрии. Для уравнений движения на твердой границе ставятся условия прилипания и непроницаемости. На жесткой стенке для уравнений модели горения задается условие отсутствия потока. Для уравнения энергии на жесткой стенке ставятся граничные условия 1 или 3 рода. На выходе из топки для большинства параметров задается условие нулевого градиента. На твердой границе диффузионный поток кинетической энергии турбулентности полагается равным нулю.
Для решения задачи использован дифференциальный метод, который подробно описан в [2, 3]. Решение задачи проводится по итерационной схеме. В каждой итерации последовательно решаются газодинамическая и тепловая задачи. Учитывается переменность теплофизических свойств дымовых газов в расчетной области.
Дискретные аналоги уравнений сохранения получены методом контрольных объемов. Алгоритм расчета турбулентного течения дымовых газов основан на процедуре SIMPLE и подробно описан в [2].
В расчетах массовый расход горючей смеси, состоящей из природного газа и воздуха, равен 4,797 кг/с. Исходя из расхода топлива на камеру радиации, коэффициента избытка воздуха и других исходных данных, по нормативной методике выполнен расчет ряда интегральных параметров, которые использованы в качестве исходных.
Для уравнения энергии на поверхности нагрева ставится граничное условие 3-рода. Считается, что температура продукта внутри трубы возрастает по линейной зависимости снизу вверх. При этом нижний и верхний пределы температуры задаются исходя из условий работы печи (по значениям температуры
продукта на входе и на выходе из камеры радиации).
Рассмотрено несколько вариантов расположения горелок. Здесь приведены результаты расчетов для двух вариантов. В обоих вариантах входное сечение в топку имеет вид круговой кольцевой щели. В первом варианте середина щели находится от оси радиантной камеры на расстоянии Гг = 1,035 м, а во
втором варианте - на расстоянии Гг = 0,7 м.
На рисунке 2 приведены распределения температуры на поверхности нагрева. Чем ближе расположены горелки к поверхности нагрева, тем выше максимум в распределении температур. В результате распределение температур становится более неравномерным, что в свою очередь может привести к перегреву труб змеевика.
На рисунке 3 показаны распределения поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков к поверхности нагрева при различных расположениях горелок. Интегральные тепловые потоки (радиационные плюс конвективные) к поверхности нагрева в рассмотренных случаях отличаются незначительно. Следует отметить, что в общем тепловом балансе доля передачи теплоты к реакционным трубам за счет конвекции мала (меньше 5%).
г«, к
750
700
650
600
550
35 м м
г' / У ' / 1....../........... ............Ч...........
/ / \ > Чч
-, н, __
0 2 4 6 8 10 г, м
Рисунок 2 - Распределения температуры по длине труб при различных расположениях горелок
кВт
130
90
50
10
/ ____ 15. м и
7/ / / • ........ \ Ч 1......................
\\ ч V
—». _
0 1 4 б Я 10 7..У1
Рисунок 3 - Распределения плотностей лучистых тепловых потоков вдоль трубчатого экрана
при различных расположениях горелок
ISSN 2410-6070
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА»
№ 8-1 / 2022
Результаты параметрических исследований показывают, что размещение горелок газообразного топлива на различных расстояниях от оси радиантной камеры значительно влияет на тепловые характеристики цилиндрической трубчатой печи. Приведенные результаты могут быть использованы при проектировании печей цилиндрического типа, а также при эксплуатации существующих печей аналогичного типа.
Список использованной литературы:
1. Гориславец, С.П. Пиролиз углеводородного сырья / С.П. Гориславец, Д.Н. Тменов, В.И. Майоров // Киев: Наукова думка, 1977. - 305 с.
2. Садыков, А.В. Сложный теплообмен в камерах радиации трубчатых печей: монография / А.В. Садыков, Д.Б. Вафин // Казань: РИЦ «Школа», 2019. -186 с.
3. Садыков, А.В. К решению уравнения переноса излучения методом дискретных ординат в осесимметричной цилиндрической области / А.В. Садыков // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2017. - №7-8. - С. 78-84.
4. Садыков, А.В. Расчет тепловых характеристик цилиндрической печи с использованием разных методов решения уравнения переноса излучения / А.В. Садыков // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2016. - №9-10. - С.43-47.
5. 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., 2022
УДК 614.8
Скоробогатая А.С.
Научный сотрудник ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),
Москва, РФ Овчинников В.В. доктор техн. наук, профессор, Главный научный сотрудник ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),
Москва, РФ Курбатов М.Ю. Научный сотрудник ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),
Москва, РФ
РАЗВИТИЕ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Аннотация
В статье рассматривается развитие мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций, а также выполнения комплекса мероприятий по предупреждению и снижению рисков чрезвычайных ситуаций циклического характера в паводкоопасный и пожароопасный периоды, а также в зимних условиях.
Ключевые слова
Мониторинг, прогнозирование, чрезвычайная ситуация, моделирование, дистанционное зондирование Земли
