авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

Сложный теплообмен в энергетических установках

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Вафин

Данил Билалович

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

01.04.14 теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Нижнекамский химико-технологический

институт Казанского государственного технологического университета»

и ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки РТ Шигапов Айрат Багаутдинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Седелкин Валентин Михайлович

доктор технических наук, профессор Панфилович Казимир

Брониславович

доктор физико-математических наук,

профессор Якимов Николай Дмитриевич

Ведущая организация

ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»

Защита состоится 2009 г. в часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.082.02 при ГОУ ВПО

«Казанский государственный энергетический университет»

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ. Ученому секретарю Совета Д 212.082.02 Гильфанову К.Х.

Тел. (843) 543-86-24. Факс: (843) 543-86-24; 519-42-62

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО

«Казанский государственный энергетический университет»

С авторефератом можно ознакомиться на сайте КГЭУ: http://www.kgeu.ru

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь

совета Д 212.082.02,

д.т.н., профессор К. Х. Гильфанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Перенос энергии излучением играет решающую роль в задачах теплообмена в топках, в камерах сгорания двигателей летательных аппаратов и т.п. Анализ процессов переноса тепла конвекцией и излучением в поглощающей, рассеивающей и излучающей среде приводит к системе дифференциальных уравнений в частных производных газовой динамики и интегрально дифференциальных уравнений переноса излучения, которые должны решаться совместно. Кроме того, в задачах энергетики, химической технологии, в двигателях летательных аппаратов и во многих других случаях приходится рассматривать многофазные течения.

Анализ работ посвященных исследованию излучения двухфазных сред показывает, что достигнуты значительные успехи в определении основных особенностей влияния параметров среды на уровень лучистых потоков. Однако основные работы выполнены использованием решения уравнения переноса излучения в одномерной постановке при равномерном распределении источников излучения по объему. В соплах и камерах радиации печей имеет место существенная неравномерность параметров течения поперек потока, скоростная и температурная неравновесность частиц конденсированной фазы и газообразных продуктов сгорания и большие градиенты газодинамических и радиационных характеристик среды вдоль оси потока.



Основные элементы конструкций современных высокотемпературных трубчатых печей (пиролиза, конверсии, риформинга и прочих) работают на пределе возможностей материалов. Погрешности в оценке локальных значений тепловых потоков, скорости продуктов сгорания в пристеночном слое, температуры стенки труб и футеровки в лучшем случае значительно удорожает, а в худшем существенно снижает срок службы печи. Имеющиеся программные комплексы, базирующиеся на зональных методах решения задач теплообмена, требуют использования большого количества эмпирических данных и не позволяют определить детальные локальные параметры.

Актуальной научной и практической задачей является разработка методов расчета полей локальных характеристик лучисто конвективного теплообмена и аэродинамики в топочных камерах, позволяющих повышению точности и детализации распределений прогнозируемых характеристик теплообмена в объеме камеры и на ограждающих ее поверхностях.

Актуальность темы работы подтверждается также тем, что она была включена в координационный план АН СССР по проблеме 1.9 «Теплофизика и теплоэнергетика» и часть работы выполнялась по хоз. договору с ВНИИНЕФТЕМАШ (г. Москва).

Объектом исследования являются камеры радиации технологических трубчатых печей нефтехимической промышленности и сопла двигателей летательных аппаратов.

Предмет исследований лучистоконвективный теплообмен в высокотемпературных энергетических установках.

Целью работы является разработка метода расчета теплового излучения осесимметричных двухфазных потоков, дифференциального метода расчета сложного теплообмена в камере радиации трубчатых печей нефтехимической промышленности с учетом горения газообразного топлива и турбулентного движения продуктов сгорания, а также анализ влияния многочисленных режимных и конструктивных параметров на сложный теплообмен.

Для достижения цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

разработать методы численного решения уравнения переноса энергии излучения в осесимметричных объемах, а также в объемах прямоугольного сечения, учитывающие отражение и излучение поверхностей, селективность излучения продуктов сгорания, анизотропное рассеяние на частицах и изменение газодинамических и радиационных характеристик среды по излучающему объему;

разработать дифференциальный метод расчета сложного теплообмена в камерах радиации трубчатых печей на основе совместного численного интегрирования двухмерных уравнений переноса излучения, энергии, турбулентного движения продуктов сгорания, k модели турбулентности и уравнений простой модели горения газообразного топлива;

в целях выработки рекомендаций по тепловой защите сопловых блоков, снижению материалоемкости, обеспечению надежности конструкций печей и создания энергосберегающих технологий провести численные параметрические исследования влияния различных параметров потока и ограждающих поверхностей на радиационно конвективный теплообмен.

Научная новизна

1. Предложено выражение для спектрального коэффициента спонтанного излучения двухфазной среды, когда кинетическая температура частиц полидисперсной системы зависит от их размеров. Получены формулы, выражающие коэффициенты разложения индикатрисы рассеяния полидисперсной системы сферических частиц по полиномам Лежандра непосредственно через функции Ми. Разработана математическая модель и метод расчета излучения двухфазных осесимметричных потоков.

2. Разработана математическая модель и дифференциальный метод расчета сложного теплообмена в камерах радиации трубчатых печей, основанный на совместном численном интегрировании уравнений сохранения энергии, компонентов количества движения, неразрывности, k модели турбулентности, одноступеньчатой модели горения и дифференциальных приближений уравнения переноса излучения.

3. Разработан метод расчета сопряженного теплообмена в трубчатой печи паровой конверсии природного газа. Предложен метод, реализующий алгоритм совместного численного решения задачи внешнего теплообмена и расчета внутриреакторных процессов.

4. Проанализировано влияние неравномерного распределения концентрации и размеров частиц конденсированной фазы по объему сопла на уровень лучистых потоков от двухфазной среды. Исследовано влияние температурного отставания и процесса кристаллизации частиц Al2O3 на уровень излучения двухфазных продуктов сгорания в соплах.

5. Проведены численные параметрические исследования влияния двухмерного изменения газодинамических и радиационных характеристик гетерогенных продуктов сгорания металлизированных топлив на лучистые потоки в радиальном и осевом направлениях.

6. Исследовано влияние зависимости теплофизических свойств продуктов сгорания от температуры и термогравитационных сил на аэродинамические параметры течения, поле температуры и на результирующие тепловые потоки к трубчатому экрану.

7. Изучено влияние характера тепловыделений в объеме факела на лучисто конвективный теплообмен в печах. Процесс организации выгорания топлива в объеме факела значительно влияет на распределение поверхностных плотностей результирующих лучистых потоков вдоль реакционных труб, на поля температур и скоростей вблизи факела.

8. Изучено влияние эффективной степени черноты трубчатого экрана эф и футерованных стенок на локальные и суммарные результирующие тепловые потоки к поверхности нагрева. Установлено, что селективность излучения продуктов сгорания оказывает существенное влияние на характеристики локального и суммарного теплообмена в топочных камерах, рассмотренных в данной работе трубчатых пе­чей.

9. Проведен сравнительный анализ эффективности рабо­ты камер радиации трубчатых печей при сводовом и настильном режимах сжигания топлива при различных определяющих значениях параметров. Проведены расчеты сопряженного теплообмена в трубчатых печах паровой конверсии углеводородов.

Практическая ценность

1. Проведенные исследования особенностей излучения двухфазных потоков в соплах позволяют выработать требования к композиционным теплозащитным материалам, определить температурный режим элементов конструкции летательных аппаратов, расположенных вблизи среза сопла. Эти данные могут быть использованы при разработке средств обнаружения и наведения, при пирометрии двухфазных потоков.

2. Разработанный пакет программ теплового расчета камер радиации трубчатых печей может быть использован и используется при проектных разработках, а также для анализа эффективности работы существующих аппаратов.

3. Результаты численных исследований влияния многочисленных режимных и конструкционных параметров на радиационноконвективный теплообмен могут быть использованы для принятия решений при проектировании топочных агрегатов, для нахождения путей обеспечения необходимых значений теплонапряженности реакционных труб.

4. Методика расчета излучения двухфазных потоков используется при проведении ОКР изделий разработки ОАО «Казанское ОКБ «Союз»». Разработанный пакет программ расчета теплообмена в камерах радиации трубчатых печей внедрен в расчетную практику и используется в проектных разработках ВНИИНЕФТЕМАШ, г. Москва, используются при анализе эффективности использования топлива, а также при расчете потерь теплоты через теплозащитные материалы топки в Казанском ТЭЦ-2. Метод был использован для теплового расчета топочных камер энергетических установок и печей иного назначения. Результаты работы используются в лекционном курсе «Теплообмен» на кафедре ТОТ ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет».

Достоверность полученных результатов разработанные методы тестированы на ряде модельных задач лучистого переноса энергии, результаты расчетов сопоставлены с данными экспериментальных исследований сложного теплообмена и поля течения в щелевом канале и радиантных камерах трубчатых печей коробчатого типа ППР-1360 и ЗР 150/6. Отличия результатов расчета от экспериментальных не превышает: температуры продуктов сгорания 5%, ло­кальной теплонапряженности реакционных труб 13 %.

Автор защищает

1. Математическую модель и метод расчета излучения двухфазных потоков, учитывающие селективное излучение и поглощение среды, анизотропное рассеяние излучения частицами при неравномерном распределении концентрации, размеров и их температурном отставании от газовой фазы. Результаты численного исследования влияния неравномерного распределения концентрации и размеров частиц, температурной неравновесности фаз и кристаллизации частиц, двухмерности излучающего объема и отражения стенок на уровень излучения гетерогенных продуктов сгорания металлизированных топлив в соплах.





2. Математическую модель и дифференциальный метод расчета сложного теплообмена в камерах радиации трубчатых печей. Алгоритм расчета сопряженного теплообмена в печах паровой конверсии природного газа путем совместного решения задач внешнего и внутреннего теплообмена.

3. Результаты численных исследований лучистоконвективного теплообмена и аэродинамики в камерах радиации цилиндрических и коробчатых трубчатых печей в зависимости от ряда определяющих режимных и конструктивных параметров (размеры камеры, степень черноты трубчатого экрана и футеровки, селективность и уровень излучения продуктов сгорания, температурная зависимость теплофизических и радиационных свойств среды, режимы горения топливовоздушной смеси).

4. Результаты сравнительного анализа эффективности работы топочных камер при настильном и сводовом режимах сжигания топлива. Влияние расположения ярусов горелок при настильном сжигании топлива, направления подачи топливовоздушной струи относительно настильной стены на аэродинамические параметры потока, на локальные и суммарные теплонапряженности трубчатых реакторов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 2-я Всесоюзная конференция «Современные проблемы двигателей летательных аппаратов» (1981), 5-я, 6-я, 7-я Всесоюзная конференция по радиационному теплообмену (1982, 1987, 1991), Всесоюзные заседания секции «Теплообмен излучением» Научного совета по проблеме «Массо- и теплоперенос в технологических процессах» ГКНТ СССР (1988, 1989), Всесоюзная выставка программных комплексов по численному решению задач термомеханики (1990), 7-я Всесоюзная конференция «Математические методы в химии» (1991), 2-й Международный форум по тепло- и массообмену (1992), Международная конференция «Модель–проект–95» (1995), 4-я Международная конференция «Нефтехимия–96» (1996), 5-я Международная конференция «Нефтехимия–99» (1999), Международная конференция «Технико экономические проблемы промышленного производства» (2000), Всероссийская научнотехническая конференция «Тепло и массообмен в химической технологии» (2000), Межрегиональная научная конференция «Инновационные процессы в области науки и производства» (2004), Всероссийская конференция «Инновации и высокие технологии XXI века» (2009), XLV Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии (2009).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 46 печатных работах, в том числе в 7 изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, в монографии.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в разработке математических моделей процессов, в определении и разработке методов численного решения системы дифференциальных уравнений математических моделей, параметрические исследования сложного теплообмена и анализ полученных результатов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (340 наименований работ), приложения из актов внедрения. Работа содержит 264 страниц машинописного текста, 90 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована ее цель, указаны научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы современные подходы к математическому моделированию радиационноконвективного теплообмена в излучающей, поглощающей и рассеивающей среде. В соплах двигателей летательных аппаратов, топках металлургических и технологических печей характерны высокие температуры, при которых основную роль в теплообмене играет тепловое излучение. В таких установках сильное влияние излучения частиц конденсированной фазы и продуктов сгорания, стенок. Уравнение переноса энергии излучением представляет собой уравнение сохранения для спектральной интенсивности излучения, в котором дисперсия предполагается незначительной:

I(M, ) + k(M) I(M, ) = jc (M) + , (1)

где I(M, ) спектральная интенсивность излучения в точке М в направлении ; k(M) = (M) + (M) спектральный коэффициент ослабления; (M), (M) спектральные коэффициенты поглощения и рассеяния; jc(M) спектральный коэффициент спонтанного излучения; (, ) индикатриса рассеяния.

На граничных поверхностях необходимо учитывать излучение и отражение стенки.

В общем случае в теплообмен вносят вклад все механизмы теплопередачи: конвекция, теплопроводность и излучение. Основное влияние перенос энергии излучением оказывает на правую часть уравнения энергии:

= divqк + divqk + divqp + divqхим. (2)

В этом уравнении qк, qk, qp, qхим векторы плотности конвективного, кондуктивного и радиационного потоков энергии и связанного с химическими реакциями. Работа сил внешнего давления включена в qк. Наибольшую важность для решения проблем расчета теплообмена излучением имеет дивергенция лучистого потока divqp, входящая в правую часть уравнения энергии. Роль этого члена возрастает с ростом температуры и давления, а также с уменьшением скорости течения продуктов сгорания.

Осредненные по времени уравнение движения в векторной форме имеет вид

() = р + , (3)

где вектор осредненной по времени скорости; тензор вязких напряжений; тензор напряжений Рейнольдса; массовые силы.

Добавляются уравнение неразрывности и уравнение состояния:

div ( ) = 0, р = RT (4)

В случае двухфазного потока необходимо еще добавить уравнения движения для отдельных фракций частиц конденсированной фазы.

Для замыкания уравнений движения к этой системе добавляются уравнения модели турбулентности. Когда в потоке происходит горение топлива, необходимо еще рассматривать уравнения модели горения. Как следует из изложенного, радиационно конвективный теплообмен описывается сложной системой интегро-дифференциального уравнения переноса энергии излучения (1) и дифференциальных уравнений в частных производных (2) (4) совместно с уравнениями моделей турбулентности и горения. Поэтому совместное решение этих нелинейных уравнений для реальных установок, когда имеет место изменение как теплофизических, так и радиационных характеристик среды во всем объеме, возможно только численным способом.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.