Технические науки/1. Металлургия.

 

К.т.н. Налетов В.А., магистрант Онянова О.В.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева,

г. Москва, Российская Федерация

Результаты компьютерного моделирования теплоотдачи в отопительных каналах печей коксования с искусственной турбулизацией потока

 

Искусственная турбулизация потока для целей интенсификации процессов теплоотдачи является в настоящее время одним из наиболее перспективных способов повышения эффективности процесса и широко представлена в научной литературе [1-5]. При этом отмечено, что более существенное повышение коэффициента теплоотдачи за счет искусственной турбулизации наблюдается в условиях ламинарного и переходного режимов течения рабочих сред. В области развитой турбулентности эффективность применения искусственной турбулизации снижается, поскольку темп роста гидравлического сопротивления сравним или превалирует над темпом ростом теплоотдачи.

В качестве объекта исследования был выбран отопительный канал (вертикал) печи коксования, в котором дымовые газы, полученные в результате сгорания коксового газа, передают теплоту стенке и далее коксовому пирогу. В качестве допущения при расчетах принималось, что сгорание происходит мгновенно на входе в отопительный канал, движение газов в котором соответствует ламинарному течению рабочей среды.

В последнее время для анализа гидродинамических режимов применяются методы вычислительной газовой динамики – CFD-расчеты (Computational Fluid Dynamics). Применение таких расчетов позволяет учесть большое число факторов, влияющих на теплообмен. Основные погрешности при использовании таких моделей сводятся к минимуму.

Анализ гидродинамики в канале с искусственной турбулизацией потока проводился с использованием комплекса ANSYS FLUENT. Для оценки влияния искусственной турбулизации на газодинамические и тепловые характеристики использовалась модифицированная (realizable) модель турбулентности k-ε, которая отличается от стандартной модели альтернативной формулой для турбулентной вязкости и модифицированным уравнением для скорости диссипации ε. Данные уравнения используются совместно с уравнениями Рейнольдса (RANS) и уравнением состояния идеального газа. Для вычисления параметров потока у стенки с искусственной турбулизацией были использованы улучшенные пристеночные функции, которые описывались двухзонной моделью.

Результаты оценки коэффициентов теплоотдачи сравнивались с данными, полученными по эмпирическими уравнениям, и на основании принятой модели расчета для канала без искусственной турбулизации.

В табл. 1 приведены используемые в расчетах геометрические характеристики отопительного канала.

Таблица 1 – Параметры отопительного канала (конусностью пренебрегаем)

Ширина отопительного канала, мм

580

Длина отопительного канала, мм

359

Высота (полезная) отопительного канала, мм

4000

Толщина стенки отопительного канала, мм

105

 

Состав дымовых газов приведен в табл. 2.

Таблица  2 – Состав продуктов горения в объемных и массовых %:

Состав

CO2

O2

N2

H2O

Объемные %

5,740

7,205

72,315

14,739

Массовые %

9,105

8,310

73,015

9,570

 

Расход дымовых газов в отопительном канале равен 114,784 м3/ч. Температура стенки со стороны газа принимается равной 1523 К (1250 °С).

Данные по оценке коэффициента теплоотдачи от газа к стенке для отопительного канала без искусственной турбулизации были рассчитаны  на основе литературных данных и по принятой модели и приведены в табл. 3.

 

Таблица 3 – Коэффициенты теплоотдачи конвекцией для отопительного канала без искусственной турбулизации

 

Расчетные зависимости

Коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м2∙К)

1.                Зависимости из [6]:

 ;

Для справки: Re =1360,665; Pr = 0,7094;

dэ=0,4434; μ = 6,18 10–5 Па∙с;
μст = 5,5225 10–5

2,0677

2.                Зависимости из [7]:

3,3703

 

3. По принятой математической модели

 

4,1682

 

В работе рассматривался способ искусственной турбулизации за счет применения кирпичной кладки с выступами особой формы, расположенными с различным шагом: на каждом элементе кирпичной кладки, через один или через два элемента.

На рисунке 1 представлены используемые в расчетах геометрические характеристики выступов – турбулизаторов, которые должны быть отформованы на элементах кирпичной кладки отопительного канала.

Рисунок 1 – Размеры турбулизаторов:  d – высота выступа принята равной 6,5 мм (1/100 от высоты элемента кладки);

t – шаг, равный соответственно: 65 мм, 130 мм или 195 мм

 

В табл. 4 представлены результаты расчета коэффициентов теплоотдачи от газа к стенке при различном шаге расположения турбулизаторов.

 

Таблица 4 – Рассчитанные значения коэффициентов теплоотдачи

Шаг турбулизаторов t, м

-

0.065

0.13

0.195

Высота турбулизаторов d, м

-

0.0065

0.0065

0.0065

Перепад давления по высоте, Па

–0.7308

–0.7897

–0.7621

–0.7598

α, W/(m2 K)

4.1682

5.2256

7.0933

5.0772

Примечание: Расчеты проводились на фрагменте отопительного канала одинаковой высоты (390 мм). Значение коэффициента теплоотдачи для канала без турбулизации, рассчитанное по принятой модели, взято из табл.3.

 

Как следует из табл. 4, перепад давления по высоте для случая с искусственной турбулизацией увеличивается с 1,4% (шаг 195 мм) до 5,3% (шаг 65 мм) за счет возрастающего сопротивления потоку газа.

Механизм увеличения теплоотдачи обусловлен разрушением ламинарного пристеночного слоя за счет образования вихрей за каждым турбулизатором. При этом наибольшее увеличение коэффициента теплоотдачи наблюдается для варианта искусственной турбулизации с шагом 130 мм – через один элемент кирпичной кладки.

 

Литература

1.       Калинин, Э.К. Интенсификация теплообмена в каналах / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо. — М.: Машиностроение, 1990. – 200 с.

2.       Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Исследование предельной интенсификации теплообмена в трубах за счёт искусственной турбулизации потока// Теплофизика высоких температур. - 2002. 5 5(47) Сентябрь-Октябрь September-October 2015 Publishing House INGN ISSN 2411-3654 Отраслевые аспекты технических наук - Т. 40. - No6. С. 958-963.

3.       Воронин, Г.И. Эффективные теплообменники / Г.И. Воронин, Е.В. Дубровский.— М.: Машиностроение, 1973. – 95 с.

4.       Мигай, В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования / В.К.  Мигай. — Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 262 с.

5.       Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Предельная интенсификация теплообмена в трубах за счет искусственной турбулизации потока// Инженерно-физический журнал.- 2003. - Т. 76. - No1. С. 46-51.

6.       Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков, А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов.10-е изд. Л.: Химия, 1987. – 576 с.

7.       Справочник коксохимика. Т. V. Автоматика, паротеплоснабжение, ремонтная служба. – М.: Металлургия, 1966. – 453 с.