Последние новости
   Главная arrow Предложения arrow Теплотехнический аудит arrow Математическое моделирование тепло-аэродинамических процессов
Ознакомиться
 

Декабрь 2016:  Выполнены работы по замене футеровки нагревательной камеры печи и 2-х подов термических печей...

Замена футеровки нагревательной камеры печи

 

Ноябрь 2016:  Строительно-монтажный участок компании приступил к мобилизации Объекта и обустройству бытового городка на Объекте "Строительство испытательного стенда"...

Мобилизация Объекта "Строительство испытательного стенда"

 

Сентябрь 2016: Выполнены и сданы под сушку работы по футеровке реакторов и регенераторов установки производства изобутилена ...

Торкретирование промышленных аппаратов
 

Июль 2016:  Выполнены работы по усилению несущих металлоконструкций административно-бытового корпуса на Объекте в МО... ...

Изготовление и монтаж несущих металлоконструкций административно-бытового корпуса
 

Июнь 2016: Выполнены работы по ремонту футеровки КУ Г-420...

Ремонт футеровки КУ Г-420

 

Май 2016:  Специалисты нашего СМУ приступили к активной фазе работ по футеровке аппаратов новой установки дегидрирования изобутана (фотоотчет)...

Строительство новой установки дегидрирования изобутана

Подробнее...
 

Апрель 2016:  Выполнены работы по остановочным ремонтам футеровки тепловых агрегатов...

Остановочный ремонт футеровки печи плавки алюминия

 

Подробнее...
 

Март 2016:  Выполнен ремонт футеровки мусоросжигательного котла ...

Ремонт футеровки мусоросжигательного котла

 

Февраль 2016:  Капитальный ремонт (полная замена) футеровки двух 12-ти тонных миксеров выдержки алюминиевых сплавов...

Капитальный ремонт футеровки миксеров выдержки алюминиевых сплавов

 

Январь 2016:  Начаты работы по укрупнительной сборке и монтажу дымовой трубы Н=40м с внутренней термокислотоупорной футеровкой ...

Проектирование и строительство металлической дымовой трубы с внутренней футеровкой

 

Декабрь 2015:  Ремонт кирпичной дымовой трубы Н=59м с установкой внутреннего газоотводящего ствола...

Ремонт кирпичной дымовой трубы Н=59м с установкой внутреннего газоотводящего ствола

Подробнее...
 

Ноябрь 2015:  Ремонт сборной ж/б дымовой трубы Н=60м от стекловаренной печи с демонтажем/монтажом элементов...

Ремонт сборной железобетонной дымовой трубы Н=60м   

Подробнее...
 
Ознакомиться
Подробнее...
 
Математическое моделирование

ЗАО «СОЮЗТЕПЛОСТРОЙ ИНЖИНИРИНГ»

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ НА ТЕМУ:

"МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛО-АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ"

ВВЕДЕНИЕ

Характеристики процессов, происходящих при работе печных агрегатов, можно определить экспериментальным и расчетным путем. В первом случае инструментом исследователя являются измерительные приборы, во втором - математическая модель, реализуемая на персональном компьютере.

С помощью экспериментального исследования на полномасштабной установке можно определить поведение объекта в натурных условиях. Зачастую такие полномасштабные опыты в промышленных условиях либо чрезмерно дороги, либо просто невозможны. Альтернативой является физическое моделирование на лабораторной установке. Однако по ряду причин, например, неизотермичность среды в реальных объектах, не удается обеспечить полного подобия явлений на модели и в объекте, что снижает ценность полученных результатов и придает им приближенный характер.

Последние годы характеризуются быстрым развитием направления теплотехники, связанного с математическим моделированием рабочего процесса промышленных печей. Помимо уже указанных и общеизвестных причин это связано с относительно невысокими финансовыми и временными затратами для проведения расчетов по сравнению с физическим моделированием, бурным развитием вычислительной техники, и, наконец, с совершенствованием существующих и разработкой новых численных методов.

В связи с этим качественно изменился подход к математическому моделированию: если ранее основной частью исследователей упор делался на создание собственных, узкоспециализированных, а вместе с тем и сильно ограниченных, моделей, то в данный момент на рынке программного обеспечения имеются достаточно совершенные и универсальные программно-вычислительные комплексы (ПВК), на основе которых могут быть созданы модели реальных объектов, в том числе промышленных печей.

CFD-комплексы (от англ. Computational Fluid Dynamics - вычислительная гидро-газодинамика) традиционно успешно используются в таких областях как автомобильная и авиационная промышленность. И хотя область промышленной теплотехники отличает своя специфика, а это, как правило, высокая температура, тепловыделения от горения топлива, окисления шихты или за счет электроэнергии, турбулентное движение газообразных и жидких сред, сложный, т.е. конвективный и радиационный, теплообмен, в данный момент с уверенностью можно говорить о том, что и здесь наметился прорыв в освоении и применении ПВК для решения насущных задач.

Хорошо отлаженная и гибкая структура ПВК, легко перестраиваемая в соответствии с потребностями пользователей, позволяет объединить научные исследования с проектно-конструкторской практикой.

Одним из таких программных продуктов является ПВК PHOENICS, созданный под руководством проф. Д.Б. Сполдинга (Лондонский имперский колледж). PHOENICS был создан в 1981 году, является первым CFD комплексом (от англ. Computational Fluid Dynamics - вычислительная гидродинамика) и в настоящее время является одним из лидеров среди аналогичных программных продуктов. В настоящее время PHOENICS в своей работе используют более 1000 научно-производственных предприятий, проектных организаций и учебных заведений.

В основе комплекса лежит численная аппроксимация дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных, выражающих законы сохранения массы смеси и составляющих ее компонентов, импульса, энергии, характеристик турбулентности. Для перехода к расчету геометрическое и временное пространство разбивается на конечное число объемов, путем создания сетки в декартовой, цилиндрической или криволинейной системе координат. PHOENICS автоматически переводит систему дифференциальных уравнений в консервативную систему алгебраических, в соответствии с выбранной сеткой (аппроксимация дифференциальных уравнений). «Консервативность» системы алгебраических уравнений означает, что при ее получении соблюдается физический смысл исходных дифференциальных уравнений.

Наилучшим методом для получения консервативной системы уравнений является метод «контрольного объема», суть которого заключается в следующем: геометрическое (и временное) пространство разбивается на конечное число объемов и для каждого из них записывается баланс субстанции (энергии, импульса, массы и т.д.), т.е. разница величины субстанции поступившей и покинувшей данный объем (за шаг по времени). Понятно, что при этом баланс для каждого контрольного объема в общем случае связан с балансом шести смежных с ним объемов. В расчетной области также устанавливаются граничные условия (например, нулевая скорость на твердых поверхностях, обогреваемая или адиабатная стенка и др.). Полученная таким образом система алгебраических уравнений решается итерационным способом, а результаты решения обрабатываются и представляются в удобном для анализа виде.

Возможности PHOENICS для моделирования:

1. Одно-, двух-, трехмерные течения.

2. Стационарные и нестационарные задачи.

3. Системы координат: декартова, полярная, криволинейная, вращающаяся.

4. Сжимаемые и несжимаемые жидкости.

5. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.

6. Дозвуковые, звуковые, сверхзвуковые течения.

7. Течения в пористых средах с неизотропным (зависящим от направления) сопротивлением.

8. Конвективный, кондуктивный, радиационный, сопряженный теплообмен с библиотекой материалов.

9. Широкая гамма моделей турбулентности для течений при больших и низких числах Рейнольдса (22 модели).

10. Многофазные течения.

11. Модели горения и образования NOx.

12. Создание пользовательских процедур на алгоритмическом языке Fortran и внутренних языках PIL и INFORM.

НАШИ ПРОЕКТЫ

1. Моделирование рабочего процесса печи с выкатным подом для термообработки

роликов МНЛЗ.

Исходные данные для моделирования приведены в таблице 1.

В качестве допущений было принято следующее:

  • из горелки истекает газовая смесь, процесс горения в которой завершен (в камере печи горение отсутствует). Это допущение обосновано использованием в печи скоростных горелок, в камере сгорания которых и происходит сжигание топлива;
  • все тела, участвующие в радиационном теплообмене, являются серыми. Это допущение является обычным в теплотехнических расчетах, вводится для упрощения;
  • футеровка печи является однослойной. Это допущение оправдано близостью теплофизических свойств керамоволокнистых рабочих и теплоизоляционных материалов, применяемых в печи.

В модели учтены следующие основные особенности:

  • турбулентный характер движения газов в печи;
  • конвективный, радиационный, кондуктивный (теплопроводность) теплообмен;
  • на границах твердых тел и газа сопряженный характер теплообмена;
  • зависимости теплофизических свойств всех материалов (в т.ч. газов) от температуры;
  • изменение расхода топлива на печь во времени.

Таблица 1

Основные технические характеристики печи с выкатным подом

Наименование

Значение

Тип изделий

Ролики, валки

Марки нагреваемой стали

24ХМ1Ф

25Х1М1Ф

Максимальная масса садки (с подставками), т

35

Размеры нагреваемых роликов (длина×диаметр), м

2,6×0,38

Размеры рабочей камеры (внутренние), м

7,9×5,53×3,26

Размеры выкатного пода, м

7,5×3,5

Максимальная температура, 0С

960

Регулируемый диапазон температур, 0С

200¸960

Топливо

Природный газ

Тип сожигательных устройств

Горелка скоростная импульсная ГСИ

Максимальный расход топлива, м3/ч

300

Теплота сгорания, кДж/м3

35170

Количество горелок, шт.

12

Давление газа перед горелкой, Па

3100¸3500

Давление воздуха перед горелкой, Па

190¸2000

Максимальный расход воздуха для сжигания, м3/ч

2950

Максимальный объем продуктов сгорания, м3/ч

3250

Состав продуктов сгорания, % об.

O2=0,91

CO2=9,16

N2=71,88

H2O=18,05

Марка огнеупорных изделий

Плиты ШВП-350

Схема печи представлена на рис. 1.

Решение производилось на адаптивной сетке с ее сгущением в местах наибольших градиентов температур. Количество узлов сетки составило 168 432.

Полученные в результате расчета данные по изменению температуры садки изделий и печи были сопоставлены с экспериментальными данными. Получено удовлетворительное их соответствие, максимальная относительная ошибка не превысила 8,5% (рис. 2-4).

В результате расчета температуры продуктов сгорания обнаружен достаточно давно известный из практики эффект, который заключается в том, что температура непосредственно газовой фазы выше, чем температура печи в точке измерения. То есть если в точку измерения поместить термопару ее показания будут ниже, чем температура продуктов сгорания в этой точке (см. рис. 4). Для исключения методической ошибки измерения газовой фазы в топливных печах необходимо использовать так называемые аспирационные термопары.

Наиболее наглядно процесс нагрева поверхностей нагреваемых изделий и внутренней поверхности кладки во времени можно представить с помощью gif-анимационных роликов (ролик №1). В качестве примера в ролике №2 изображено изменение изоповерхности температуры во времени (изоповерхность температуры - поверхность в каждой точке которой имеет место одна и та же температура (Т=750 0С)).

Пример изображения

Рис. 1. Схема камерной печи периодического действия

1. Заслонка; 2. Волокнистая футеровка; 3. Выкатной под;

4. Садка валов; 5. Отверстия для отвода продуктов сгорания; 6. Скоростные горелки; 1-5 - термопары, установленные в садке, П1-П6 - контролирующие термопары.

Cледует отметить, что предложенная математическая сложного сопряженного теплообмена в печи периодического действия, учитывает основные происходящие в агрегате процессы: процесс турбулентного движения газов, радиационный, конвективный и кондуктивный теплообмен. Выполненное тестирование ПВК PHOENICS подтвердило высокое качество этого программного продукта и возможность его применения для численного моделирования весьма сложных процессов движения газов и теплообмена в промышленных печах в трехмерной постановке.

Пример изображения

Рис. 2. Изменение температуры металла во времени в точке 1

Пример изображения

Рис. 3. Изменение температуры газовой фазы во времени в точке П4

Пример изображения

Рис. 4. Изменение температуры во времени в точке П2:

1 - расчетная температура спая печной термопары («радиационная» температура),

2 - расчетная температура газовой фазы

2. Течения сильно закрученного потока в вихревой камере.

Экспериментальная установка (см. рис. 5) состояла из цилиндрического канала 3, на входе которого помещалось специальное закручивающее устройство 1. Прошедший через устройство поток воздуха закручивался и попадал в коаксиальную щель 2, а затем в общий канал 3. Торец цилиндрической трубы 3 прикрывался крышкой 4. Измерения средних скоростей авторы /1/ производили с помощью термоанемометра постоянной температуры DISA 55M в трех сечениях по длине рабочего участка: 136 мм, 175 мм и 386 мм (координата отсчитывается от среза коаксиальной щели). Контроль термоанемометрических измерений средних скоростей течения осуществлялся сравнением с данными, полученными с помощью пневмометрического зонда. При этом максимальное различие в определении полной скорости составляло около 5%. Значения расходов воздуха, полученные интегрированием профиля аксиальной компоненты скорости, отличались в различных сечениях не более чем на 3%.

Пример изображения

Рис. 5 Схема экспериментальной установки

1 - тангенциальный завихритель; 2 - коаксиальная щель; 3 - рабочий участок трубы; 4 - торцевая крышка

Авторами работы /1/ отмечается, что предложенная методика термометрических измерений позволяет определить компоненты корреляционного тензора  с точностью около 5% от величины локальной турбулентной энергии. Вместе с тем, в областях с высокой интенсивностью турбулентности (в зоне обратных токов) ошибка измерения , а, значит, и кинетической энергии пульсаций, может достигать тридцати и более процентов.

Измерения проводили при следующих исходных данных:

а) расход воздуха, подаваемого к тангенциальному завихрителю: V=20,9 г/с;

б) длина/диаметр канала: 491/75 мм;

в) высота щели: 3,7 мм.

Расчетным путем получено распределение полей скоростей (рис. 6), давления (рис. 7) и характеристик турбулентности в вихревой камере. Сравнение полученных данных с экспериментальными (рис. 8-9) доказало адекватность предложенной модели.

Пример изображения

Рис. 6. Поле давления в вихревой камере

Пример изображения

Рис. 7. Векторное поле скорости

Пример изображения

Рис. 8 Зависимость аксиальной скорости от радиуса в сечениях трубы в сечении z=136 мм

Пример изображения

Рис. 9 Зависимость аксиальной скорости от радиуса в сечениях трубы в сечении z=175 мм

 ПРИМЕНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ К ПЕЧНОЙ ТЕПЛОТЕХНИКЕ

Пример изображения

Пример изображения 

ЗАО «Союзтеплострой Инжиниринг»

Москва, 15-я Парковая, дом 3а

тел/факс +7 (495) 465-11-30

Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script

http: www.stsing.ru

 
 
 

ЗАО «Союзтеплострой Инжиниринг» © 2006 - 2014  
тел. +7 (495) 465-18-81  
e-mail: marketing@zaosts.ru