Розвиток методу розрахунку радіаційного теплообміну в низькоемісійних топках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут газу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Спеціальність 05.14.06. - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Розвиток методу розрахунку радіаційного теплообміну в низькоемісійних топках

Згурський Володимир Олександрович

Київ 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі проблем горіння Інституту газу Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Сорока Борис Семенович, головний науковий співробітник Інституту газу НАН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України, Халатов Артем Артемович, Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділом високотемпературної термогазодинаміки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Пікашов В'ячеслав Сергійович, Інститут газу НАН України, в.о. завідувача відділом проблем промислової теплотехніки

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Захист відбудеться “ 6 ” квітня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.255.01 в Інституті газу НАН України за адресою: 03113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39, тел. 456-44-71

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту газу за адресою: 03113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39.

Автореферат розісланий “ 5 ” березня

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Б.К. Ільєнко

1. Загальна характеристика роботи

теплообмін топковий радіаційний газ

Актуальність теми. Домінуючим видом теплообміну у високотемпературних камерах згоряння є радіаційний теплообмін, від інтенсивності й правильної організації якого залежать техніко-економічні показники вогнетехнічних агрегатів: питомі витрати палива, ККД, а також продуктивність, надійність і тривалість експлуатаційного періоду. Розрахунок характеристик променистого теплообміну - визначальних температур та результуючих теплових потоків - складає один з найважливіших етапів розрахунку паливовикористовуючого обладнання.

До останнього часу в країнах СНД при розробці нових і реконструкції існуючих котлоагрегатів, а також з метою аналізу й оцінки режимів експлуатації використовується “Нормативний метод розрахунку котлів”, основою якого є визначення узагальнених інтегральних та осереднених енергетичних і теплообмінних показників. У той же час досягнення мінімальних витрат палива, можливість експлуатації котлів в повному діапазоні передбачених проектом режимів визначається локальними характеристиками окремих секцій приймальних поверхонь топкових систем. Більш того, ресурс роботи та стійкість теплових агрегатів вцілому визначається не усередненими характеристиками, а термічним станом найбільш навантажених вузлів топкових систем. Сказане в повній мірі стосується і промислових печей, для розрахунку яких переважно використовувались методики Стальпроекту (Москва).

Особливо актуальним є визначення температур в топках для розрахунку утворення оксидів азоту - основних забруднювачів атмосфери при спалюванні природного газу. Інтенсифікація процесів згоряння, використання попередньо нагрітого повітря-окислювача або збагачення його киснем призводить до підвищення температурних піків, що обумовлює різке зростання виходу NOx у продуктах згоряння. Іншою причиною підвищення вимог до точності розрахунків є постійна зміна міжнародних та національних екологічних нормативів на більш жорсткі.

Математичне моделювання є основою для прискорення розробки нового екологічно чистого енергетичного обладнання - воно дозволяє ще на стадії вибору концепції оцінити як теплотехнічні, так і екологічні характеристики нового устаткування та пристроїв. У Великобританії, США та інших розвинених країнах розроблені універсальні програмні комплекси PHOENICS, FLUENT, STAR-CD тощо, вони засновані на спільному рішенні диференційних рівнянь молекулярно-турбулентного переносу маси, енергії, імпульсу, та урахуванні кінетичних механізмів горіння, які забезпечують математичне моделювання процесів, що протікають у камерах згоряння паливовикористовуючого обладнання.

Загальним недоліком перелічених програмних продуктів є недостатньо розвинені методи розрахунку радіаційної складової теплообміну, необхідність накопичення попереднього досвіду для вибору емпіричних констант урахування турбулентності струменів та потоків, а також вибору кінетичних моделей горіння. Визначені недоліки не дають можливості широкого використання відомих програмних продуктів для створення екологічно чистих топкових систем і низькоемісійних пальникових пристроїв стосовно конкретних конструкцій топок.

Альтернативу універсальним комп'ютерним комплексам можуть скласти спеціалізовані комп'ютерні програми, при розробці яких мають враховуватися не тільки фундаментальні закономірності процесів переносу і горіння, але й емпіричний та напівемпіричний опис конкретних процесів та конструкцій. Саме такий підхід використано в дисертаційній роботі.

Значний внесок в розвиток вітчизняної теорії та практики спалювання та використання газу, включаючи утворення токсичних речовин, зроблено науковцями Інституту газу НАН України (академіки М.М. Доброхотов, І.М. Карп, В.Ф. Копитов, професори А.Є. Єринов, М.А. Захаріков, І.Я. Сігал). Окремі розділи математичного моделювання процесу спалювання газу у потоці (термодинаміка горіння, включаючи програмний продукт “FUEL”, “спрощений” механізм горіння, зональний метод розрахунку теплообміну, комбінована схема утворення NOx) розвинені у наукових працях проф. Б.С. Сороки, що сприяло виконанню дисертаційної роботи.

Зазначені попередні доробки мають забезпечити створення методів якісного розрахунку топкових систем - при відповідному сполученні з новітніми досягненнями західних спеціалістів щодо складових процесу горіння: переносу імпульсу (аеродинаміки), тепломасообміну, хімічної кінетики в умовах турбулентності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких представлені в дисертаційній роботі, проведено в Інституті газу НАН України при виконанні відомчих (НАН України) науково-дослідних робіт: “Розробити наукові основи моделювання низкоемісійних котельних пальників для спалювання природного газу та комп'ютерних програм їх розрахунку” (тема 280В № д/р 0100U002382), “Розробка математичних моделей до комп'ютерних програм розрахунку теплообміну в печах та топках з метою мінімізації шкідливих викидів” (тема 300В № д/р 0103V006596).

Мета роботи та задачі дослідження. Мета роботи: створення математичних моделей та методів розрахунку радіаційного теплообміну у випромінююче-поглинаючому середовищі, які придатні для аналізу процесів у топках з низькоемісійними системами спалювання (пальниковими пристроями, що працюють на природному газі та інших вуглеводневих паливах) серед них:

§ розробка методик розрахунку радіаційного теплообміну, включаючи урахування процесів згоряння в топкових системах печей та котлоагрегатів поширених конструкцій, зокрема таких, що використовують прийоми зменшення шкідливих викидів;

§ розробка методик розрахунку низькоемісійних топкових систем окремих конструкцій з використанням пальників FIRB двоступінчастого згоряння з внутрішньою рециркуляцією продуктів згоряння;

§ створення на основі відповідних методик комп'ютерних програм та виконання чисельних розрахунків радіаційного теплообміну та топкових процесів в печах і котлах розповсюджених та схематизованих (спрощених) конструкцій; порівняння та адаптація результатів розрахунків з обчисленнями іншими методами.

Наукова новизна отриманих результатів.

§ Створено математичні моделі розрахунків радіаційного теплообміну з використанням процедур Монте-Карло у випромінюючому та поглинаючому середовищах для розповсюджених топок в умовах базових схем та довільного взаємного розміщення поверхонь та об'ємів. З цією метою вперше запропоновані ефективні алгоритми із застосуванням так званих однорідних координат і проведенням обчислень у матричній формі.

§ Розроблено алгоритми та розрахункові процедури урахування селективності випромінювання з використанням процедури Монте-Карло (MK) на підставі моделі зваженої суми сірих газів.

§ Розроблено комплексну математичну модель та методику розрахунку процесів горіння метано-повітряних сумішей та утворення оксидів азоту в топкових процесах, коли радіаційний теплообмін є основною складовою, що визначає енергетичний, екологічний та експлуатаційний показники топкової системи.

Особистий внесок здобувача. За розробками автора створені математичні моделі: розрахунку радіаційного теплообміну для довільного розташування поверхонь першого та другого порядків, комбінованого теплообмінну, в умовах процесу горіння для напівобмежених потоків, методика обліку взаємодії процесів горіння, тепло- і масообміну, оброблені та проаналізовані результати розрахунків для низькоемісійних топкових систем. Здобувач розробив також комп'ютерні програми, які реалізують вищезгадані моделі, виконав оптимізацію розрахункового алгоритму, провів порівняння результатів чисельного та фізичного експериментів.

Практичне значення та впровадження одержаних результатів. Розроблено та реалізовано комплексні комп'ютерні програми розрахунку робочого процесу в складних топкових системах, працюючих на природному газі, які дозволяють визначити детальний тепловий стан топок котлів та печей, включаючи розподіл температур та локальних теплових потоків.

Результати розробок впроваджені в промислову та інженерну практику, що підтверджено офіційно:

§ Інститутом газової технології (Gas Technology Institute GTI, Des Plaines), США - при розробці низькоемісійної топкової техніки: водогрійних котлів та низькоемісійних пристроїв з FIRB (Forced Internal Recirculation Burners) - пальників двоступінчастого згоряння з примусовою внутрішньою рециркуляцією.

§ Інститутом топкової техніки (TЬKI, Miscolc) та металургійним комбінатом “DUNAFERR” (Dunaъjvбros), Угорщина - при плануванні розвитку прокатного виробництва та розробці режимів експлуатації нагрівальних печей комбінату.

§ Теплоенергетичним факультетом Національного технічного університету України “Київський Політехнічний Інститут” - при викладанні навчального курсу “САПР складних енергетичних систем”, а також у курсовому та дипломному проектуванні студентів спеціальності “Інформаційні технології проектування” у частині, що стосується моделювання паливовикористовуючого обладнання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і розробок автора доповідалися на таких міжнародних і вітчизняних конференціях і семінарах: XVIII конференція країн СНД “Дисперсні системи” (Одеса, 1998), IV Мінський міжнародний форум по тепло- і масообміну (Мінськ, Білорусія, 2000), IX й XIII конференції країн СНД із проблем екології й експлуатації об'єктів енергетики (Севастополь, 1999, 2003), V Європейська конференція по промисловим котлам та печам (Еспіно - Порто, Португалія, 2000), 13-а міжнародна конференція THERMO-2003 (Будапешт, Угорщина), Міжнародна конференція по фізиці низькотемпературної плазми PLTP-03 (Київ, 2003), 2-а наукова школа-конференція “Актуальні питання теплофізики й фізичної гідрогазодинаміки” (Алушта, 2004), IV-та конференція “Проблеми промислової теплотехніки” (Київ, 2005), 6_ий міжнародний симпозіум по горінню й газифікації HiTACG (Ессен, Німеччина, 2005).

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 16 друкованих праць, з них: 4 статті у фахових наукових журналах України, 8 статей у збірках вітчизняних та 4 - у працях міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Її загальний обсяг складає 243 сторінок, з них на 204 сторінках знаходиться основний текст, на 14 - список використаних літературних джерел з 129 найменувань, на 21 сторінках - 2 додатки.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтована важливість та актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено новизну та практичне значення роботи, наведена інформація про використання одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації та наведено перелік публікацій.

У першому розділі розглянуті особливості сучасного стану розрахунків радіаційного теплообміну та наводиться критичний огляд існуючих методів його розрахунку.

Відзначається, що при розв'язанні рівняння переносу випромінювання в диференційній формі основною проблемою є вибір способу апроксимації залежності інтенсивності випромінювання від напрямку.

Розглядається група диференційних методів, заснованих на трансформації рівняння радіаційного переносу в систему рівнянь у частинних похідних. Розглядаються такі методи: метод дискретних ординат, метод дискретної передачі, метод сферичних гармонік, моментів. Особливу увагу приділено зональному методу і методу Монте-Карло.

Дається порівняння методів розрахунку радіаційного теплообміну, взятих з літературних джерел, для низькоемісійних топкових систем з огляду на можливість використання, достовірність та точність визначення їхнього теплового стану. На основі проведеного аналізу визначено переваги методу Монте-Карло для розрахунку складних прикладних задач, а також вказано на доцільність його застосовування при розрахунку локальних теплових потоків та кутових коефіцієнтів.

Наводиться огляд основних моделей представлення спектру випромінюючого газу. Відзначаються переваги та доступність представлення випромінювання селективного газу як зваженої суми сірих газів (Weighted Sum of Grey Gases - WSGG). Цей метод, запропонований Х. Хоттелем і А. Серофімом (H. Hottel, A. Sarofim), формально враховує спектральне випромінювання газу. Суть його полягає в тому, щоб замінити реальний спектр газу деякою кількістю сірих газів (в даному випадку - 3 сірих плюс 1 прозорий газ).

Враховуючи наявність чисельних значень для апроксимації випромінюючої та поглинаючої здатності продуктів згоряння найбільш поширених палив: природного газу та мазуту (рідкого палива), визначено мету та сформульовано основні задачі дослідження - створення сучасних прикладних методів розрахунку радіаційного теплообміну. Альтернативу сучасним універсальним комп'ютерним комплексам мають скласти програмні продукти, що вирішують вузькі за призначенням задачі. Такі програми мають створюватись як комбінація складових фізико-хімічних процесів у вигляді окремих блоків, підготовлених за допомогою емпіричного або спрощеного аналітичного опису процесів та вузлів пальникового агрегату, що підлягають розрахунку. Здебільше комбінація згаданих блоків розраховується в ітераційному процесі. Блоки мають тестуватись на реальних моделях і адаптуватись за результатами вимірювань окремих величин, або за даними досліджень інших авторів.

Відзначено основні переваги вибраних підходів до моделювання при створенні нового паливовикористовуючого обладнання конкретного призначення:

§ швидке і недороге визначення теплового стану вузлів топкової системи з високою деталізацією результатів, що при використанні інших методів іноді є неможливим;

§ спроможність розробки конструкцій топкових систем котлів та печей, що оптимізуються за енергетичними та екологічними показниками.

У другому розділі дисертації представлено запропоновані підходи та математичні моделі розрахунку радіаційного теплообміну.

Найбільш зручним є розгляд тривимірних об'єктів для методу Монте-Карло у вигляді окремих об'єктів, поверхні яких описуються функціями першого і другого порядку. Вибір таких функцій обумовлений перевагою аналітичного, а не чисельного рішення рівнянь перетинання світлового променя з поверхнями. У той же час для поверхонь більш високих порядків розв'язання задачі перетинання вимагає застосування чисельних методів.

1. У MK-методі значну частину обчислень складає розрахунок геометричних перетворень, пов'язаний з визначенням положення променя, його шляху та точки перетинання з поверхнями. Оптимізація цієї частини розрахунку призведе до підвищення продуктивності одержання рішень. Запропоновано вирішення задач відшукання взаємного положення точки та об'єкту (поверхні), а також побудови комбінацій поверхонь шляхом використання процедур, термінології і методичних підходів, прийнятих в комп'ютерних технологіях, пов'язаних з програмуванням тривимірної графіки. Відповідний підхід було реалізовано із застосуванням математичного апарату, що забезпечує компактний опис геометричних перетворень на підставі методу однорідних координат. Згаданий підхід використовується у графічних програмах “OpenGL” та “DirectX”.

В основі методу однорідних координат лежить уявлення про те, що кожна точка в N-мірному просторі може розглядатися як проекція точки з (N + 1)-мірного простору. Властивості однорідних координат дозволяють виражати за допомогою єдиної матриці всі перетворення: зсуви, повороти тощо, а також будь-які сполучення перетворень у вигляді добутку матриць. Послідовне виконання кількох перетворень можна представити у вигляді єдиної матриці сумарного перетворення. Множення на єдину матрицю, природно, виконується швидше, ніж послідовне множення на кілька матриць. Використання однорідних координат дозволяє застосовувати єдиний математичний апарат для всіх просторових перетворень.

В MK-методі враховується енергетична трансформація кожного із променів при проходженні об'ємних зон і перевідбиттях від поверхонь, що обмежують конструкцію при послідовному врахуванні обміну контрольної зони j з усіма об'ємними і поверхневими зонами i, включаючи обмін зони із самою собою.

Селективність і неізотермічність газового об'єму із сумарним парціальним тиском випромінюючих компонентів р та ефективною довжиною променя lef враховується за допомогою моделі Х. Хоттеля несірого газу (WSGG), у якій інтегральний ступінь чорноти g і поглинаюча здатність Ag продуктів згоряння представляється через сумарне випромінювання n сірих газів (квазірівнів “сірого випромінювання”), що мають незалежні від температури коефіцієнти ослаблення kn. При цьому вагова частка an випромінювання n_го газу залежить від температури газу Tg або випромінювача Ts і підкоряється умові нормування

, (1)

, (2)

. (3)

За Х. Хоттелем, a й k по суті є умовними величинами, що служать для апроксимації спектрального складу випромінювання (поглинання) газу рядами з n складових.

2. Уперше МК-метод для розрахунку камери згоряння з дифузійним факелом (струмінь палива в рівномірному підігрітому повітряному потоці) був використаний у роботі F.R. Steward і P. Cannon. У запропонованому методі підхід змінено: повні цикли статистичних випробувань виконуються однаково для кожного з n сірих газів.

Розрахунок ведеться одночасно для всіх “квазісірих” складових загалом селективного (несірого) газового випромінювання. З цією метою розглядаються n променів з однаковими напрямними косинусами, випущеними з кожної з точок випромінювання P(x,y,z) за умови рівномірного заповнення об'ємної зони точками випромінювання. Координати останніх та напрямок променів визначається на підставі закону розподілу випадкової величини.

3. Завдяки зв'язку поглинаючої здатності Aj контрольного об'єму j з температурою джерела падаючого потоку Ts (поточні зони s) і незалежності Aj від температури Tj і температури будь-яких інших зон i s при проходженні через них і перевідбиттях кожного з розрахункових променів, а також завдяки незалежності kn від (Ti) можна вважати справедливими такі комбінації зваженої суми променистих потоків Qrad:

, де j = 1, …, L; (4)

, де j = 1, …, L; i s = 1, …, L+M; (5)

, (6)

де верхні індекси e, a позначають випромінювання та поглинання відповідно.

4. Процедура статистичних випробувань для визначення (далі в рівняннях індекс “rad” буде опущений для спрощення). З i-ої об'ємної зони з об'ємом Vi випускається Ni променів по кожному з n квазірівней - загальна кількість променів Nin. Енергія, що припадає на один промінь, становить величину

, де i = 1, …, L; . (7)

Для поверхневих зон

, де i = L+1, …, L+М, (8)

де Fi - площа поверхневої зони.

В j-ій об'ємній зоні на n-ому “квазірівні” поглинається енергія h-го променя з i-ої зони з урахуванням всієї передісторії його руху до поточного m-ого надходження в зону j

Залишок енергії в промені h після m-ого надходження в зону j становить величину

, (10)

де Lh,m - повна довжина руху променя h від точки випромінювання в i-ій зоні до поточного m-ого надходження в j-у зону, що складається з множини відрізків lh,m{Lh,m}, включаючи дільниці траєкторії при перевідбиттях променя. Розрахунок по кожному із променів вважається закінченим, коли залишок енергії в промені становить частку, меншу, ніж наперед задана мала величина , від випроміненої енергії .

. (11)

Повна поглинена енергія в зоні j визначається підсумовуванням поглиненої енергії всіх променів, що пройшли скрізь зону j

, де i = 1, …, L+M. (12)

Балансове рівняння збереження енергії для j-ої об'ємної зони об'ємом Vj, включає урахування молекулярно-турбулентного і конвективного переносу, а також теплоту хімічних реакцій горіння, за умови урахування приходу енергії qs з паливною сумішшю (джерело) та продуктами згоряння із сусідніх зон.

Рівняння балансу для поверхневих зон (j = L+1, …, L+M) включають тільки променисту і конвективну складові. Система L+M рівнянь теплового балансу вирішується методом послідовних наближень при переході від розрахунку транспортних процесів до хіміко-кінетичних складових математичної моделі в цілому. Процедура Монте-Карло виконується на кожному кроці ітераційного розрахунку процесів переносу в умовах завдання температур всіх зон.

У третьому розділі проведено оцінку правильності запропонованого підходу, визначення надійності отриманих рішень і точності абсолютних значень розрахованих теплових потоків. Проведено співставлення розрахунків методом МК з іншими методами, викладеними в літературних джерелах.

1. Для перевірки адекватності розрахункового алгоритму й дієздатності програми були співставлені значення кутових коефіцієнтів, розрахованих методом МК, з аналітичними рішеннями, які представлені в літературних джерелах у вигляді номограм і розрахункових формул. Порівняння виконано для різних геометричних конфігурацій тіл та їхнього взаємного розташування: два паралельних прямокутника; два прямокутника зі спільною стороною під довільним кутом; нескінченні стрічка та циліндр; два нескінченних циліндра; два коаксіальних циліндра; циліндр та прямокутник; два диска.

2. Проведено дослідження точності розрахунку та продуктивності (швидкості) алгоритму.

3. Проведено порівняння розрахунків для плоского випромінюючого шару методом МК та результатів, наведених в монографії Сороки Б.С. Було досліджено вплив визначальних факторів:

· урахування (неврахування) самопоглинання в контрольній зоні;

· вибір адекватного способу розбивання контрольного обсягу на зони;

· характерні розміри контрольної зони;

· відносна залишкова енергія променів при їхніх багаторазових відбиттях;

· кількість променів, що виходять з розрахункової зони.

З одержанням рекомендацій по кожному з факторів.

Визначено, що щільність результуючого теплового потоку q, обчисленого методом МК, в робочому діапазоні оптичних товщин моделі WSGG (тут ), практично не залежить від числа зон у розрахунковій області і відрізняється не більш ніж на долі відсотка.

Проведено зіставлення результатів розрахунків, виконаних методом багаторазових відбиттів та отриманих у рамках даного дослідження (МК-метод) по оцінці впливу форми температурної епюри в плоскому газовому шарі на результуючий теплообмін (щільність теплового потоку. Як характер, так й абсолютні значення q(сR) в обох випадках збігаються між собою з відхиленнями не більше 1% для різноманітних температурних епюр поперек газового шару, що вказує на достовірність та переваги методу МК і обраних процедур його реалізації, прийнятих для будь-яких епюр у топкових камерах.

4. Проведено зіставлення з наближенням другого порядку. У роботі W.D. Turner розраховані теплові потоки з використанням так званого наближення другого порядку для теплообміну між двома однаковими паралельними пластинами. Досягнуто збіг результатів, розрахованих цим методом та представленим у роботі, з використанням МК-процедур.

5. Проведено порівняння розрахунків для промислових систем - топкових камер котлів і печей зональним методом та МК-методом. Для порівняння використані дані роботи H. Kremer, де надані результати розрахунків котлів (технологічних печей) і промислових печей, дані E. Scholand з результатами розрахунків трубчастих печей крекінгу вуглеводнів, а також розрахунки щодо нагрівальної печі О.С. Невського (зональний метод) та О.М. Мінаєва з співробітниками.

5.1. На основі аналізу і порівняння результатів розрахунків МК-методом з розрахунком зональним методом для двох об'єктів у роботі H. Kremer можна зробити висновок, що при якісному та принципово кількісному збігу величини щільності результуючого потоку q спостерігається зростання розбіжностей при збільшенні долі О2 в окислювачі та характерного розміру топки. Монотонний вплив останнього параметру вказує на другорядність розбіжності результатів внаслідок обмеженості діапазону оптичних товщин газового об'єму, при якому можна розраховувати коефіцієнти an і Kn за представленим у даній роботі алгоритмом по моделі WSGG.

5.2. Незважаючи на добрий збіг результатів, одержаних E. Sholand та виконаних розрахунків МК, а також беручі до уваги викладене вище, можна вважати, що для промислових систем з огляду на більшу точність МК-процедур слід внести корективи в результати згаданих розрахунків печей та топок, одержаних в Німеччині та Австрії.

За результатами досліджень, проведених в третьому розділі, визначено, що метод МК із запропонованими процедурами його реалізації щодо кількості променів, урахування несірості газового випромінювання забезпечує якісну і кількісну подібність до результатів тривимірних розрахунків зональним методом, але має переваги, включаючи точність і можливість отримання більш детальної картини теплового стану котельних топок та промислових печей.

У четвертому розділі розроблено методологію використання МК-процедур для вирішення задач сполученого теплообміну. Був проведений розрахунок режимів роботи та оцінка способів підвищення продуктивності печі на металургійному комбінаті “DUNAFERR” (Угорщина). Дві потужні (до 1 млн. т сталі на рік кожна) методичні штовхальні печі стана “1700” призначені для нагріву слябів довжиною до 8.5 м з вуглецевих і слабколегованих сталей перед прокаткою. Система опалення печей, яка в останні роки працює на коксовому газі, включає 8 зон. У теперішній час при роботі печі пальники першої зони не працюють.

Для вирішення задачі в першому наближенні використано термодинамічний підхід з припущенням, що сприйняте тепло, яке забезпечує підвищення продуктивності, визначається корисною частиною додаткової теплоти, що має бути введена в піч за допомогою пальників першої зони.

Розрахунки проведено через значення ККД зf , які визначалися в залежності від температури підігріву повітря Ta і температури топкових газів Tfl на виході з печі. Для визначення ККД використано ентальпійний аналіз. При цьому величини надлишкової ентальпії ДHf для продуктів згоряння коксового газу з повітряним окислювачем були розраховані за допомогою програми “FUEL”. Результати досліджень за термодінамичним підходом:

1. Ґрунтуючись на попередньо отриманих даних, були розраховані значення збільшення продуктивності печі при включенні першої зони.

2. При найбільш прийнятних значеннях: ТМ = 1523 K, Tfl = 1373…1423 K - можливе збільшення складає 17 т/год, що відповідає 10% номінальній продуктивності печі.

Далі проведено детальний тепловий розрахунок нагрівальної печі. Мета обчислень складалась у визначенні можливості підвищення продуктивності печі в умовах збереження максимальної рівномірності нагрівання сляба із забезпеченням локальних температур та перепаду температур в перерізі сляба на виході з печі в межах, визначених технічними умовами.

По заданих в ітераційному процесі температурах об'ємних (продуктів згоряння) і поверхневих зон за допомогою методу Монте-Карло були обчислені локальні падаючі променисті потоки на поверхнях слябів при нагріві в печі.

В рамках сполученої задачі внутрішня (нагрівання) і зовнішня (теплообмін випромінюванням) задачі були вирішені в тривимірній постановці. Розглядалися сляби товщиною 0.2 м та довжиною 8 м. Внутрішня задача розрахунку розподілу температур при нагріванні була вирішена методом скінченних різниць (російською мовою -“конечных разностей”).

В умовах 30%-го підвищення продуктивності печі (130 … 170 т/год) були виявлені наслідки, які призводять до виходу результуючих показників експлуатації печі за межі технічних нормативів:

§ надмірне зниження температури сляба на виході з печі (від 1527 … 1547 K до 1484 … 1518 K), з одночасним збільшенням перепаду температур у слябах у 1.5 рази;

§ перегрівання нижньої поверхні сляба щодо верхньої поверхні ( = 130 т/год) змінюється на перегрів верхньої поверхні щодо нижньої ( = 170 т/год)

Завдяки зменшенню падаючих теплових потоків по напрямку від осьового поздовжнього перетину печі до бічних стінок кінцеві частини слябів нагріваються слабкіше, і мають більш низьку температуру, ніж центральна частина сляба. При розгляді поздовжнього профілю температур сляба видно, що мінімальні температури відповідають точкам дотику сляба з водоохолоджуваними опорами.

П'ятий розділ присвячено розробці топкових систем низькоемісійного (low-NOx) спалювання з використанням математичного та комп'ютерного моделювання.

1. Дослідження проведені стосовно схеми водогрійного котла з FIR-пальниками двоступінчастого спалювання. Розглядається топкова камера водогрійного котла HOST Boiler (США) тепловою потужністю ~6 МВт.

Для чисельного аналізу робочого процесу FIRВ камер згоряння в Інституті газу розроблена комплексна математична модель, побудована з таких розрахункових блоків - фізико-хімічних складових процесу спалювання:

· спрощеного, але досить строгого кінетичного механізму горіння природного газу (метану);

· аеродинамічного розрахунку, що базується на напівемпіричній теорії турбулентних струменів (системи напівобмежених струменів у спутному потоці, радіальних струменів у зношуючому потоці). Проводився розрахунок рециркуляції і аналіз критичних розмірів ділянок струменевих течій в обмеженому просторі;

· адекватної масообмінної схеми факелів, камери згоряння і топки вцілому;

· методів розрахунку локальних характеристик складного теплообміну в рамках несірого випромінювання газу та детального подання конвекційної теплопередачі по обтічних поверхнях.

Система розрахункових рівнянь включає також рівняння збереження повної ентальпії в інтегральній формі з урахуванням турбулентних пульсацій температури, які відповідають функції вірогідності (PDF - Probability Density Function). Система дозволяє визначати зміну температури у зв'язку із протіканням реакції та тепловіддачею на ділянці x.

З використанням математичної моделі (див. вище) та комп'ютерної програми, виконано систематичні дослідження складного теплообміну в рамках схеми топкової камери. Вони дозволили проаналізувати вплив режимних (експлуатаційних) параметрів, а також геометрії котла і камери згоряння на енергетичні (ККД котла, інтегральне та локальне теплосприйняття водяних трубних поверхонь) і екологічні характеристики котлоагрегату.

Встановлено однозначну відповідність процесу тепловиділення, обумовленого стадійним горінням, картинам локального теплосприйняття водяних екранів і температурного розподілу на охолоджуваних і неохолоджуваних поверхнях (у т.ч. на обмурівці топки).

Винайдено зв'язок організації процесу горіння та режимних характеристик з утворенням NOx. Оптимізовано режими роботи за мінімумом утворення оксидів азоту; рекомендовано оптимальне значення вp?0.75...0.8.

2. Запропоновані підходи до наближеного комп'ютерного розрахунку локальних характеристик топок котлів окремих типів, які відібрані як найпоширеніші в Україні. До числа відібраних належать котли типу ДКВР (6.5/13 і 10/13), ГМ-50, БКЗ-75, а також водогрійний теплофікаційний котел ТВГ-8 із двосвітними екранами.

Процедура МК застосовувалась для розрахунку радіаційного переносу в умовах газового середовища, що випромінює-поглинає, а топковий простір розглядався у вигляді паралелепіпеда відповідних розмірів.

§ Було проведено порівняння ефективності топок із схемами руху продуктів згоряння, що відповідають реактору ідеального витиснення PFR та реактора ідеального перемішування PSR. Теплообмін розглядався в спрощеній постановці для ідеальної печі (без втрат теплоти в топці). Оцінювався результуючий тепловий потік, переданий від первинного теплоносія - продуктів згоряння з температурою Tg - до приймальної поверхні з температурою ТМ << Tg.

§ Розглянуто реальні схеми з використанням різноманітних законів температурного розподілу газів в топковому просторі, які відповідають характеру введення палива в топку і його згоряння. Розподіл температурного поля по висоті топкового простору задавався у вигляді лінійного або параболічного закону. Розглянуто вплив типу подини: адіабатна поверхня або трубчаста - охолоджувана подина. Навіть застосування такого спрощеного підходу дозволило виявити істотну нерівномірність локальних теплових потоків на приймальних поверхнях.

§ Розраховано ефективність використання палива і утворення NOx у низькоемісійних топках при неадіабатичній рециркуляції продуктів згоряння.

Виконано розрахунки на підставі двох різних підходів:

§ Термодинамічний підхід до оцінки впливу рециркуляції на перевитрати палива в топці.

§ Визначення температурного одномірного розподілу по висоті топки при варіюванні кратності рециркуляції для котла ТВГ-8 (розрахунок променистого потоку методом МК).

Висновки

1. Визначено, що метод Монте-Карло (МК-метод) є найбільш дієвим засобом розрахунку як інтегрального (або усередненого для топки), так і локального теплового стану котельної топки та окремих її вузлів, який дає можливість врахувати конструкцію топки і режими її експлуатації, в т.ч. викликані екологічними потребами (зміна складу палива, окислювача, введення додаткових компонентів: рециркулюючих продуктів згоряння, пари тощо).

2. Розвинуто удосконалений МК-метод розрахунку радіаційного теплообміну в нескінченому шарі селективного випромінююче-поглинаючого газу із заміною шару елементами кінцевих розмірів з бічними дзеркальними стінками - як засіб для визначення конкретних процедур реалізації методу. МК-метод тестувався шляхом зіставлення з результатами, отриманими із використанням таких відомих методів: багаторазових відбиттів; інтегро-експоненціальних E-функцій; наближеного методу ефективних потоків.

3. Виявлено вплив на вірогідність, точність розрахунків та час розрахунків найважливіших параметрів моделювання:

- репрезентативного об'єму розрахункового простору;

- розмірів зон, з яких складається топковий простір;

- відносної залишкової енергії променів при їхніх багаторазових відбиттях;

- кількості ітераційних процедур;

- кількості розрахункових зон та числа променів, що виходять із зони, та видані рекомендації щодо чисельних значень кожного з параметрів для практичної реалізації МК-методу.

4. Розроблено МК-метод для розрахунку топок, з урахуванням селективності випромінювання продуктів згоряння, які заповнюють топковий простір, шляхом використання моделі випромінювання реального газового середовища у вигляді зваженої суми сірих газів з ваговими коефіцієнтами, які залежать тільки від температури зони - випромінювача.

5. Розроблено універсальні математичні моделі із застосуванням процедур Монте-Карло та комп'ютерну програму розрахунку радіаційного теплообміну в паливовикористовуючому обладнанні, що працює на вуглеводневому паливі. Надані рекомендації щодо вибору визначальних характеристик: кількість променів в кожній зоні 105-107, відносна залишкова енергія о ? 0.005. Отримані значення є оптимальними за критерієм “точність/ час розрахунку”.

6. Виконано оцінку фундаментальних значень кутових коефіцієнтів випромінювання між плоскими й циліндричними поверхнями різного взаємного розташування. Підтверджено та уточнено значення більшості кутових коефіцієнтів із числа табульованих у відомих літературних джерелах, в включаючи у порівнянні з наближенням другого порядку (для системи двох прямокутників), а також виявлено геометричні системи, для яких були опубліковані помилкові значення та розрахункові вирази. Для останніх випадків винайдені коректні значення кутових коефіцієнтів.

7. Шляхом порівняння результатів розрахунку теплообміну за допомогою МК-процедур з зональним методом Х. Хоттеля і потоковим методом для випадків печей та топок (H. Kremer, E. Scholand, А.С. Невський) доведено, що МК-метод доцільно використовувати для розрахунку локальних та осереднених характеристик котлів та печей з урахуванням геометрії топок і режимів їхньої роботи, складу палива й окислювача, їхнього співвідношення. При цьому результати виконаних розрахунків є більш точними та надійними, ніж такі, що представлені в літературних джерелах.

8. Тільки використання методу Монте-Карло дозволило виконати наведені нижче прикладні розробки з удосконалення теплових агрегатів:

8.1. З метою визначення можливостей підвищення продуктивності печі при забезпеченні допустимої за технологією температурної нерівномірності слябів на виході з печі проведено моделювання нагріву слябів у металургійній штовхальній печі стану “1700” на металургійному комбінаті “DUNAFERR” (Угорщина). Для цього вирішена сполучена тримірна задача внутрішнього та зовнішнього радіаційного-конвективного теплообміну. На основі ретельного аналізу температурних полів в слябах та з урахуванням обмежень по рівномірності їхнього нагріву встановлено, що граничне збільшення продуктивності печі складає 15%.

8.2. Виконано кількісний розрахунок локального та загального теплосприйняття кожної із секцій для котлів поширених конструкцій: ДКВР (6.5/13 і 10/13), ГМ-50, БКЗ-75, а також для водогрійного теплофікаційного котла ТВГ-8 із двосвітними екранами, при фундаментальній постановці задачі теплообміну (заданим є температурний розподіл в топці). Встановлено, що навіть за умови рівномірного температурного розподілу поперек топки локальне теплосприйняття в перерізах топки визначається суттєвою нерівномірністю.

8.3. Для котла ТВГ-8 проведено розрахунок розподілу температур та теплових потоків по висоті топки, ККД топки і концентрації NOx ([NOx]) при використанні рециркуляції продуктів згоряння. Проведено порівняння та підтверджено експериментальними даними І.Я. Сігала, М. Flamme, нормативами США розрахункові залежності зменшення [NOx] в залежності від кратності рециркуляції.

9. Для проведення теплотехнічних та екологічних розрахунків низькоемісійних “low-NOx” пальникових систем двоступінчастого горіння типу FIRB (GTI, США) запропоновані математичні моделі окремих складових процесу спалювання газу, включаючи аеродинаміку, тепломасопереніс та макрокінетику горіння та утворення NOx. Розроблено комп'ютерну програму, що дозволяє проводити чисельний аналіз впливу геометричних і експлуатаційних параметрів пальникового пристрою на його вихідні характеристики, енергетичні: ККД, рівномірність теплообміну, температурний розподіл, та екологічні - викиди NOx. На цій основі оптимізовані конструктивні вузли пальників та теплотехнічні показники котла “Host Boiler” (США), обладнаного пальниковим пристроєм типу FIRB. Результати моделювання, які підтверджені експериментальними даними, прийняті для використання інститутом GTI.

10. Встановлено, що система двоступінчастого спалювання природного газу в сполученні із внутрішньою рециркуляцією продуктів згоряння, яку зокрема реалізовано в пальникових системах FIRB, забезпечує низькоемісійне згоряння палива в котлоагрегатах.

З використанням чисельного аналізу та математичної моделі (п.9) показано, що вплив коефіцієнта надлишку повітря вp та кратності рециркуляції носить екстремальний характер - за виходом NOх: мінімум виходу NOх відповідає оптимальному значенню коефіцієнта надлишку первинного повітря вp,opt = 0.75-0.8, яке залежить від теплової потужності, кратності рециркуляції, підігріву первинного повітря та температури приймальних поверхонь, а також від геометричних характеристик топки та пальникового пристрою.

Основні положення дисертації опубліковано в роботах

1. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В. Анализ образования NOx в “low-NOx” камерах сгорания с оценкой влияния теплообменных процессов // “Дисперсные системы”: XVIII конференция стран СНГ, Одесса 14-18 сентября 1998 г. - Одесса. -1998.- с.158-160.

2. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А. Высокотемпературный рекуператор повышенной стойкости // Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии: Международная научно-практическая конференция, 25-29 октября 1999 г., Украина, Киев. Тезисы докладов. - НАН Украины: Киев, 1999. - С.188-189.

3. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А. Апальков А.П. Математическое моделирование топочных процессов при комбинировании различных методов снижения образования NOx // Сб. “Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики”: IХ конференция стран СНГ (Севастополь, июнь 1999 г.). - ИПЭ: Киев. - 1999. - С. 1-5.

4. Сорока Б.С, Пьяных К.Е., Згурский В.А., Хинкис М., Аббаси Х., Рабовицер Д. Теплообменные процессы в низкоэмиссионых по NОx котельных топках в условиях двухступенчатого горения газа и рециркуляции продуктов реакции // IV Минский международный форум “Тепломассообмен ММФ-2000” (22-26 мая 2000 г.). - АНК “Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова” НАНБ: Минск, 2000. - Т.10. - C. 436-445.

5. B. Soroka, К. Pyanykh, V. Zgursky, M. Khinkis, H. Abbasi, J. Rabovitser. Mathematical modeling of low-emission combustion processes basing upon Monte-Carlo procedures // Preprints of 5th European conference on industrial furnaces and boilers (11-14 April 2000). - Espinho-Porto (Portugal) - Vol. II. - P. 12.

6. Шандор П., Сорока Б.С., Згурский В.А. Выбор вида топлива и комплексная энергоэкологическая оптимизация печей в процессах нагрева и термообработки // Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной теплоэнергетике: Сборник материалов международной научно-практической конференции, 23-26 октября 2000 г. Украина, Киев. Тезисы докладов. - ИТТФ НАН Украины: Киев, 2000. - С.62-66.

7. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А., Апальков А.П. Математическое моделирование горелочных устройств с пониженным выходом NOx // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000, №1. - С. 69-73.

8. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А., Апальков А.П. Комбинирование способов снижения образования оксидов азота при горении - основное направление обеспечения экологических нормативов // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000, №5. - С.60-69.

9. B. Soroka, K. Pyanykh, V. Zgurskyy. Reduced methane combustion mechanism and its validation by two-stage low-emission natural gas burning // Preprints of the International conference on physics of low temperature PLASMA PLTP-03, Kiev, Ukraine, May 11-15, 2003. - 3 p.

10. Сорока Б.С., Згурский В.А., Пьяных К.Е. Математическое моделирование нагревательных печей и топок котлов, работающих на природном газе // Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики /Труды XIII конференции стран СНГ с международным участием. 10-14 июня 2003 г., Севастополь./ - Киев: Институт промышленной экологии, “ИПЦ АЛКОН” НАНУ, 2003. - С.51-56.

11. B. Soroka, V. Zgurskyy, K. Pyanykh. Development of the Monte-Carlo method to predict radiative heat transfer within the boilers and furnaces // In: ABSTRACTS of the 13th Intern. Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO) 18-20 June, 2003, Budapest, Hungary. - Budapest: MATE TE and TGM. - 2003. - P.69-78

12. Сорока Б.С., Згурский В.А. Развитие метода Монте-Карло для расчета теплообмена излучением в топках // Промышленная теплотехника. - 2003, №4. -С.445-448.

13. Сорока Б.С., Згурский В.А., Апальков А.П. Метод Монте-Карло как средство расчета лучистого теплообмена в экологически чистых котельных топках // Тезисы докладов 2-ой научной школы - конференции “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” - Алушта 20-26 сентября 2004. - C. 94-98.

14. Згурский В.А. Применение метода Монте-Карло для расчета теплообмена излучением // Промышленная теплотехника - 2004.-Т.26 № 6. - С. 36-40.

15. Сорока Б.С., Згурский В.А., Пьяных К.Е. Анализ радиационного теплообмена в топочных камерах печей и котлов с использованием метода Монте-Карло // Тезисы докладов IV-ой конференции “Проблемы промышленной теплотехники” - Киев 26-30 сентября 2005. - C. 299-301.

16. B. Soroka, V. Zgurskyy, K. Pyanykh, P. Sandor. Development of Monte-Carlo calculation technique for detailed prediction of the thermal state of the industrial furnaces. 6th Internat. Symposium on High Temperature Air Combustion and Gasification. - Essen, Germany, October 17-19, 2005 (6th HiTACG 2005). - 2005. - 15 p.

Анотація

Згурський В.O. Розвиток методу розрахунку радіаційного теплообміну в низькоемісійних топках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут газу НАН України, Київ, 2007.

Розроблено метод розрахунку радіаційного теплообміну в топкових системах на основі процедур Монте-Карло (МК-метод). Комплекс математичних моделей має універсальний характер і дозволяє враховувати складну геометрію топок і процеси низькоемісійного спалювання природного газу. Селективність випромінювання продуктів згоряння враховується за допомогою моделі зваженої суми сірих газів (Х. Хоттеля). Уперше запропоновано для МК-методу використовувати однорідні координати та матричне представлення геометричних перетворень. Процес горіння метану розглядався за спрощеним механізмом проф. Б. Сороки.

Проведено аналіз шляхів підвищення продуктивності нагрівальних печей на металургійному комбінаті DUNAFERR (Угорщина). Доведена можливість 15% збільшення їхньої продуктивності із забезпеченням технологічних вимог щодо рівномірності температур у слябі на виході з печі.

Проведено розрахунок котельної топки з пальником типу FIRB двоступінчастого горіння з рециркуляцією продуктів горіння для водогрійного котла “HOST Boiler”, США. Рекомендована оптимальна геометрія пальникової системи та значення коефіцієнту надлишку первинного повітря вp?0.75...0.8, яке забезпечує найменший вихід NOх при експлуатації топки.

Виконано кількісний розрахунок радіаційного теплообміну та теплосприйняття секції для котлів типу ДКВР (6.5/13 і 10/13), ГМ-50, БКЗ-75 при фундаментальній постановці задачі. Проведено аналіз впливу рециркуляції на ефективність використання палива і зниження викидів NOx для котла ТВГ-8.

Визначено, що метод Монте-Карло є дієвим засобом розрахунку як інтегрального (осередненого), так і локального теплового стану котельної топки та окремих її вузлів.

Ключові слова: двоступінчасте спалювання, метод Монте-Карло, кінетика горіння, котел, математична модель, оксиди азоту, природний газ, промислова піч, радіаційний теплообмін, рециркуляція продуктів горіння (згоряння).

Аннотация

Згурский В.А. Развитие метода расчета радиационного теплообмена в низкоэмиссионных топках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт газа НАН Украины, Киев, 2007.

Разработана методология расчета лучистого теплообмена в топочных системах на основе процедур Монте-Карло (МК-метод). Комплекс математических моделей имеет универсальный характер и позволяет учитывать сложную геометрию топок и процессы низкоэмиссионного сжигания природного газа, основанные на сочетании двухстадийного горения и рециркуляции продуктов сгорания. Процедура расчета учитывает селективность излучения продуктов сгорания путем использования модели взвешенной суммы серых газов (в рамках подхода Х. Хоттеля) с весовыми коэффициентами, которые зависят только от температуры зоны - излучателя. Впервые предложено для реализации МК-метода сложных геометрических систем использование однородных координат, позволяющих проводить вычисления геометрических преобразований в единой матричной форме.

При описании процесса горения метана использован упрощенный механизм, предложенный проф. Б. Сорокой.

Для проверки адекватности расчетного алгоритма и работоспособности программы были сопоставлены значения угловых коэффициентов, рассчитанные методом Монте-Карло, с аналитическими решениями, которые представлены в литературных источниках в виде номограмм и расчетных формул. Подтверждены значения большинства угловых коэффициентов, а для ряда геометрий они исправлены и предложены корректные значения.

Проведено исследование точности расчета и производительности алгоритма. Исследовано влияние различных параметров метода (контроль остаточной энергии луча, выбор размера расчетной зоны и др.) на точность решения и даны рекомендации по выбору геометрических элементов и процедур МК-расчета.

Выполнено сравнение значений тепловых потоков для топочных камер котлов и печей, а также коэффициентов взаимного лучистого обмена в топке печи, полученных нами МК-расчетом, с литературными и экспериментальными данными.

Проведен анализ путей повышения производительности мощных нагревательных печей (базовое значение 1 млн. т стали/год) на металлургическом комбинате DUNAFERR (Венгрия) путем решения сопряженной задачи кондуктивного и лучисто-конвективного теплообмена. При этом лучистые тепловые потоки находились с применением метода Монте-Карло при учете геометрии печи, её узлов и садки. На этой основе определена динамика изменения температурных полей слябов при движении в печи для режимов работы с различной производительностью,

По результатам решения задач сопряженного теплообмена с использованием термодинамического подхода доказана возможность 15% увеличения производительности печей при учете технологических ограничений.

Проведен расчет котельной топки с горелкой двухступенчатого горения с рециркуляцией продуктов полного и первичного горения на примере водогрейного котла “HOST Boiler” (США). С этой целью в рамках математической модели горелочного устройства FIRB, построенной с учетом процессов переноса (аэродинамика, массо-теплоперенос), с одной стороны, и макрокинетики горения, с другой, введен блок уточненного МК-расчета, учитывающего лучистый теплообмен в котельной топке.

...