Совершенствование методов расчета, режимов работы и конструкций промышленных печей на основе моделирования зонального и локального сопряженного теплообмена

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Совершенствование методов расчета, режимов работы и конструкций промышленных печей на основе моделирования зонального и локального сопряженного теплообмена

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кулешов Олег Юрьевич

Саратов 2012



Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Седелкин Валентин Михайлович

Официальные оппоненты:

Кузнецов Валерий Алексеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Белгородский технологический университет им. Шухова В.Г.»,

профессор кафедры «Энергетика теплотехнологий»

Парамонов Александр Михайлович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», профессор кафедры «Теплоэнергетика»

Щёлоков Анатолий Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (г. Москва)

Защита состоится « 23 » октября 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая,77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан «____» __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ларин Е.А.

печь промышленный теплообмен сопряженный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основной тенденцией развития современных теплотехнологий является снижение их ресурсо- и энергоемкости, удельных затрат на производство продукции за счет повышения эффективности работы технологических установок.

Промышленные печи входят в состав многих технологических установок и в значительной степени влияют на их технико-экономические показатели.

Наиболее перспективным способом повышения эффективности и улучшения технико-экономических показателей как новых, так и реконструируемых печей является интенсификация процессов сложного теплообмена, увеличение плотности тепловых потоков к тепловоспринимающей поверхности. Однако для реализации этого способа, без снижения надежности работы и качества получаемого продукта, необходимо знать характер распределения по поверхности нагрева фактических результирующих зональных и локальных тепловых потоков (теплонапряжений) и степень их соответствия технологически допускаемым теплонапряжениям. Неудовлетворительное соответствие фактических и допускаемых теплонапряжений может вызвать локальные перегревы отдельных участков тепловоспринимающей поверхности, что приводит к аварийным остановкам и ремонтным простоям технологических установок, снижению их надежности и значительному экономическиму ущербу.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что совершенствование тепловых режимов и конструкций промышленных печей неразрывно связано с разработкой методов расчета детальных характеристик сложного теплообмена в рабочих камерах.

Анализ современного состояния научной проблемы показал, что для исследования и расчета сложного теплообмена в промышленных печах наиболее перспективным является зональный метод. Однако разработанные к настоящему времени варианты зонального метода не удовлетворяют возросшим требованиям к точности и детальности расчета тепловых характеристик.

Поэтому развитие и совершенствование зонального метода в направлении создания математических моделей и алгоритмов расчета сопряженного теплообмена в технологических печах различных производств, локальных тепловых характеристик в объеме и на ограждениях, корректного учета оптических свойств факелов и продуктов сгорания, определения зональных оптико-геометрических характеристик излучения при изменении оптических свойств печей на переменных режимах их работы с формированием нового методологического подхода к математическому моделированию и исследованию тепловой работы промышленных печей является актуальной научной проблемой, требующей решения.

Объектами исследования являются промышленные печи радиационно-конвективного типа с выраженным зонным подводом теплоты, такие как трубчатые печи нефтехимической, нефтеперерабатывающей и нефтегазовой отраслей промышленности, конвейерные печи хлебопекарной промышленности, а также открытые факельные установки для сжигания сбросных газов.

Предметом исследований является сложный, сопряженный теплообмен в промышленных печах.

Цель работы: Повышение энергоэффективности теплотехнологий за счет совершенствования методов расчета, режимов работы и конструкций промышленных печей на основе моделирования зонального и локального сопряженного теплообмена.

Задачи исследования:

1. Разработка зональной математической модели сложного теплообмена с учетом всех видов переноса, источников и стоков теплоты.

2. Разработка универсального метода имитационного вероятностно-статистического метода моделирования взаимного радиационного теплообмена в многозонных системах с учетом сложной геометрии объемных и поверхностных зон, в том числе тепловоспринимающих поверхностей в виде трубных экранов.

3. Развитие зонального подхода к расчету радиационной составляющей теплообмена в печах на основе коррекции зональных оптико-геометрических характеристик при изменении оптических свойств геометрической модели печи на переменных режимах ее работы.

4. Разработка методического подхода к корректному учету оптико-радиационных свойств продуктов сгорания и других сред в рамках зонального метода.

5. Разработка метода расчета локальных характеристик сложного теплообмена в печах в рамках зонального подхода. Разработка методики и алгоритма расчета локальной теплонапряженности по периметру труб в экранированных топках.

6. Разработка математических моделей и методик решения сопряженных задач сложного теплообмена в технологических трубчатых и хлебопекарных печах в рамках коррекционного зонального метода.

7. Создание зональных геометрических моделей топок трубчатых печей нефтехимической, нефтеперерабатывающей и нефтегазовой промышленности, а также хлебопекарных печей. Проведение математического моделирования зонального и локального теплообмена в выбранных типах печей. Сравнение результатов расчетов с опытными данными.

8. Использование результатов моделирования теплообмена для разработки рекомендаций по совершенствованию тепловых режимов и конструкций технологических печей, повышению их эффективности.

9. Разработка математической модели, методики и алгоритма расчета зонального и локального теплообмена в рабочей зоне вертикальных и горизонтальных открытых факельных установок для утилизации сбросных газов.

10. Технико-экономический анализ эффективности предложенных решений по совершенствованию тепловых режимов и конструкций промышленных печей.

Научная новизна:

1. Предложена зональная математическая модель сложного внешнего теплообмена в камерных печах, учитывающая в явном виде все виды переноса тепла, его источники и стоки для различных видов зон, приведенная к каноническому виду системы нелинейных алгебраических уравнений, удобному для численного решения, а также методология деления рабочего пространства печей на расчетные зоны.

2. Разработан универсальный метод имитационного статистически-вероятностного моделирования взаимного радиационного обмена между зонами с целью вычисления обобщенных угловых коэффициентов в многозонных системах, позволяющий учитывать сложную геометрию факела, стен печи, тепловоспринимающей поверхности (в том числе трубного экрана), селективность излучательных свойств продуктов сгорания и несерость радиационных свойств футеровки и поверхностей теплообмена, переменность вдоль теплового луча коэффициентов поглощения топочной среды.

3. Предложено развитие зонального подхода к расчету радиационной составляющей сложного теплообмена, на основе метода коррекции базовых обобщенных угловых коэффициентов излучения, который позволяет вычислять их однократно для определенных зональной геометрической модели печи и режима ее работы, а затем корректировать при изменении оптических свойств с использованием фундаментальных соотношений между оптико-геометрическими характеристиками лучистого переноса в зональных системах. Коррекционный зональный подход позволяет разделить задачу вероятностно-статистического расчета обобщенных угловых коэффициентов излучения и собственно тепловую задачу расчета температур и тепловых потоков, при этом существенно упростив инженерное применение и повысив вычислительную эффективность зонального метода для исследования переменных тепловых режимов и решения сопряженных задач теплообмена в промышленных печах.

4. В рамках предложенного коррекционного зонального метода разработан подход к учету реальных оптико-радиационных свойств продуктов сгорания, позволяющий коррелировать их спектральные оптические параметры с более надежными данными по интегральной степени черноты, а также учесть излучательную способность объемных (газовых) зон в соответствии с законом Бугера с сохранением традиционной формы записи выражений зонального метода, считающего объемные зоны оптически-тонкими.

5. Разработан метод определения локальных оптико-геометрических характеристик в многозонных моделях рабочих камер промышленных печей, основанный на имитационном моделировании излучения с элементарной площадки на все зоны и переходе от рассчитанных таким способом местных обобщенных угловых коэффициентов к локальным на основании соотношений взаимности. На базе разработанного общего метода предложена методика расчета распределения тепловых потоков по периметру экранных труб.

6. Предложены многозонные геометрические модели промышленных нагревательных трубчатых печей коробчатого и цилиндрического типов. В рамках зонального подхода на основе предложенных математических моделей и численных методов с использованием разработанного пакета прикладных программ проведено математическое моделирование и параметрическое исследование детальных характеристик внешнего теплообмена в печах выбранного типа. Получены новые данные о влиянии вида сжигаемого топлива, длины и светимости факела, схемы отопления, конструктивных особенностей печей на поля температур и результирующих зональных и локальных тепловых потоков. Путем сравнения расчетных и опытных данных подтверждена адекватность предложенных математических моделей.

7. Разработаны зональные математические модели сопряженного теплообмена в реакционных трубчатых печах пиролиза и каталитической паровой конверсии углеводородов. Предложенное зональное описание внешнего теплообмена включает формулировку сложных граничных условий сопряжения на поверхности реакционных труб. Предложенные модели внутреннего тепломассообмена позволяют учесть сложные физико-химические процессы в продуктовых трубах-реакторах. Для процесса пиролиза разработана двухзонная модель трубчатого реактора, которая по сравнению с моделью реактора идеального вытеснения более корректно учитывает процессы, происходящие в ядре и в пристенном пограничном слое сырьевого потока. Предложены многозонные геометрические модели реакционных печей, учитывающие позонный подвод тепла к трубной поверхности нагрева за счет изменения длины и выгорания настильных диффузионных факелов или изменения распределения топлива по рядам беспламенных (плоскопламенных) излучающих горелок. Проведено математическое моделирование сопряженного теплообмена, учитывающее конструктивные и режимные особенности печей. Получены новые данные по распределению температур факела и продуктов сгорания по высоте и ширине топок, тепловым потокам, падающим на отдельные участки поверхности нагрева, температурам стенки реакционных труб, а также характеристикам внутреннего реагирующего потока по его длине. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показало их хорошее согласование.

8. Впервые разработана зональная математическая модель сопряженного теплообмена в энерготехнологической пекарной камере конвейерных хлебопекарных печей, включающая зональное описание внешнего сложного теплообмена в излучающе-поглощающей парогазовой среде, дифференциальное описание внутреннего тепломассообмена в выпекаемом изделии и граничные условия сопряжения на поверхности загруженного печного конвейера. Для внутренней задачи предложено дифференциальное описание двухфазного переноса тепла и влаги в скелете и порах хлеба, что более адекватно учитывает особенности процессов выпечки. С использованием математической модели сопряженного теплообмена в хлебопекарных печах получены данные об изменении температур греющих каналов, газовой среды пекарной камеры, верхней поверхности выпекаемых изделий, а также плотности теплового потока и его составляющих по длине печного конвейера.

9. Впервые предложена математическая модель, методика и алгоритм расчета зонального и локального теплообмена в рабочей зоне вертикальных и горизонтальных открытых факельных установок для сжигания сбросных газов. Модель учитывает процессы формирования газовых факелов и выгорание топлива по их длине. Методика расчета позволяет определять степень черноты и температуру факельных зон, а также распределение локальной плотности лучистых тепловых потоков на поверхности грунта в зоне действия факела.

Практическая значимость и реализация работы:

1. Разработанные математические модели, методики, алгоритмы и пакеты прикладных программ переданы для внедрения и используются при проектировании технологических и факельных установок нефтехимической, нефтеперерабатывающей и нефтегазовой промышленности в проектных организациях «ВНИПИгаздобыча» (г. Саратов), «ВНИИнефтемаш» (г. Москва), «ВНИПИнефть» (г. Москва), ОАО «Алитер-Акси» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Экскорт» (г. Новочеркасск) и др.

2. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований зонального и локального теплообмена в нагревательных и реакционных трубчатых печах, а также разработанные на их основе рекомендации использованы при наладке и оптимизации режимов работы печи пиролиза бензина типа SRT-II этиленовой установки ЭП-450 ОАО «Нижнекамскнефтехим», при реконструкции печей типа ББ1 Норильского ГРС с целью увеличения их тепловой мощности, при совершенствовании режимов работы трубчатой печи каталитической паровой конверсии метана ППР-600 установки производства аммиака ОАО «Воскресенские минеральные удобрения», при анализе схем отопления и режимов эксплуатации печи ЦД4 установки первичной перегонки нефти АВТ-6 Новополоцкого НПЗ.

3. Полученные результаты использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А, при подготовки инженеров по специальностям «Энергетика теплотехнологий», «Промышленная теплоэнергетика», «Машины и аппараты химических производств», «Машины и аппараты пищевых производств».

4. Предложенные методики расчета среднезональных и локальных характеристик теплообмена могут послужить базой для разработки ведомственных руководящих технических материалов (ВРТМ) и стандартов предприятия (СТП) по проектированию трубчатых печей, подогревателей газа и нефти, хлебопекарных печей, факельных установок для сжигания сбросных газов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается использованием фундаментальных закономерностей теплофизики и теоретических основ теплотехники. Разработанные математические модели и методики расчета прошли проверку на адекватность путем сравнения результатов моделирования с опытными данными, полученными путем прямых измерений на промышленных печных агрегатах. Различие между расчетными и экспериментальными результатами не превышает 14 % для локальных и 17 % для зональных тепловых потоков. Полученные результаты сопоставлялись также с данными других исследователей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зональная математическая модель сложного теплообмена в камерных печах, а также методология деления рабочего пространства на расчетные зоны.

2. Метод имитационного моделирования взаимного радиационного обмена между зонами геометрических моделей топочных камер (в том числе экранированных) сложной геометрии и усовершенствованный зональный подход к расчету радиационной составляющей теплообмена на основе коррекции базовых обобщенных угловых коэффициентов излучения при изменении оптических свойств зональной системы.

3. Метод расчета локальных характеристик сложного теплообмена в печах и факельных установках, а также методика расчета локальной теплонапряженности по периметру труб в экранированных топках.

4. Математические модели и методики расчета сопряженного теплообмена в технологических печах различных производств: реакционных трубчатых печах пиролиза и каталитической паровой конверсии углеводородов; конвейерных хлебопекарных печах.

5. Математическая модель и методика расчета зонального и локального теплообмена в рабочей зоне вертикальных и горизонтальных открытых факельных установок для утилизации сбросных газов.

6. Результаты численных исследований теплообмена в печах и факельных установках в зависимости от конструктивных и режимных параметров.

7. Результаты сравнительного анализа тепловых режимов технологических печей и рекомендации по совершенствованию их конструкций.

8. Результаты технико-экономического обоснования эффективности предложенных решений по совершенствованию тепловых режимов и конструкций промышленных печей.

Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались на: Седьмой Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991); Международном совещании-семинаре «Теплофизические проблемы промышленного производства» (Тамбов, 1992); Минском международном форуме по тепломассообмену - ММФ-92 (Минск, 1992); 1-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва,1994); 12-th Intern. Cong. of Chem. and Process Eng. CHISA'96 (Praha, 1996); The First European Congress on Chemical Engineering- ECCE-1 (Milano, 1997); Международной конференции «Проблемы эффективного использования энергоносителей и низкосортных топлив в промышленности» (Саратов, 1998); 2-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998); 13-th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'98 (Praha, 1998); 2-ой Международной научной конференции «Повышение эффективности тепломассообменных процессов и систем» (Вологда, 2000); 4-ом Минском Международном форуме по тепломассообмену ММФ-2000 (Минск, 2000); 14-th International Congress of Cemical and Process Engineering CHISA'2000 (Praha, 2000); Всероссийской научной конференции «Тепло- и массообмен в химической технологии» (Казань, 2000); 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 2001); Международной научно-технической. конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (Вологда, 2001); 4-ой Международной Теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» (Тамбов, 2001); Юбилейной Международной научно-практической конференции «Пищевые продукты XXI века» (Москва, 2001); Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2001); 3-ей Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2002); Научно-методической конференции «Современные научные и информационные технологии» (Энгельс, 2003); Научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЭТИ СГТУ (Энгельс, 2006); Шестой Международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (Тамбов, 2007); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (Саратов, 2008); Научно-практической конференции «Синтез инноваций: направления и перспективы» (Саратов, 2009); Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва,2010); ХХV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25» (Волгоград, 2012); XIV Минском международном форуме по тепломассообмену - ММФ- XIV (Минск, 2012).

Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 70 печатных работах, в том числе в 17 изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов по работе, списка литературы и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи исследования, научная и практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы современные методы расчета и моделирования теплообмена в печах и топках.

Показано, что наиболее эффективным подходом к решению задач радиационного и сложного теплообмена в печах является математическое моделирование, основанное на численных методах теории теплообмена. Для моделирования радиационного и сложного теплообмена в пространственных неоднородных системах в настоящее время применяются два класса численных методов: дифференциальные и зональные.

Наиболее распространенными дифференциальными методами решения задачи переноса излучения, позволяющими получать приближения более высокого порядка, являются: метод сферических гармоник, метод дискретных ординат, метод моментов, а также потоковые методы. Математический аппарат дифференциальных методов отличается стандартностью численного решения и сочетаемостью с дифференциальным описанием конвективного теплообмена и газодинамики. Общий метод расчета трехмерных топочных камер разработан С. Патанкаром и Д. Сполдингом. Различные прикладные аспекты применения дифференциальных методов рассматривались в работах Н.А. Рубцова, С.Т. Суржикова, В.А. Кузнецова, Д.Б. Вафина и др.

В то же время дифференциальным методам решения задачи переноса излучения присущ ряд принципиальных ограничений, вытекающих из их природы, что ограничивает область их применения.

Более универсальным и эффективным представляется зональный метод, который основан на разбиении расчетной области на однородные объемные и поверхностные зоны и записи системы нелинейных алгебраических уравнений зональных тепловых балансов, коэффициенты переноса в которых вычисляются на основе моделирования процессов теплообмена. Современные зональные методы в сочетании с имитационным моделированием излучения на основе метода Монте-Карло обладают повышенной точностью (принципиально не ограниченной) в отношении расчета радиационной составляющей теплообмена в пространственно неоднородных излучающих и поглощающих системах со сложной геометрией границ. Поэтому зональные методы получили интенсивное развитие и применение для расчета реальных печей и топок. Основы прикладного зонального метода расчета радиационного и сложного теплообмена были заложены в работах Г.Л. Поляка, Ю.А. Суринова, А.С. Невского, В.Н. Адрианова, Х. Хоттеля. Дальнейшее развитие методы расчета топок получили в работах В.М. Седелкина, В.Г. Лисиенко, Ю.А. Журавлева и др.

Несмотря на значительные достоинства зонального метода, он имеет и слабые стороны. Это - неразвитость методологии определения локальных характеристик сложного теплообмена в рамках зонального подхода, использование некоторых упрощающих допущений при описании радиационных свойств газовых объемов, сложность расчетного алгоритма и инженерного применения метода. Однако эти недостатки не носят принципиального характера и могут быть преодолены путем дальнейшего развития зонального подхода.

Проведенный анализ показал, что наиболее эффективным методом моделирования и расчета сложного теплообмена в печах и топках является зональный метод, который позволяет учитывать многочисленные факторы сложного и особенно радиационного теплообмена в реальном промышленном оборудовании. Однако решение задач совершенствования тепловых режимов и конструкций высокотемпературных установок предъявляет повышенные требования к методу расчета теплообмена. Поэтому зональный метод нуждается в существенном развитии с формированием нового методологического подхода к математическому моделированию и анализу режимов теплообмена в промышленных печах с целью улучшения энергетических и технологических показателей их работы.

Во второй главе предложена зональная математическая модель сложного теплообмена в камерной печи, учитывающая весь комплекс процессов тепломассообмена, проходящих в топочной камере, и позволяющая свести математическое описание к единой форме в виде канонической системы нелинейных алгебраических уравнений, методы решения которых хорошо разработаны и формализованы в виде стандартных вычислительных процедур. Это позволило увеличить информативность и вычислительную эффективность зональных расчетов теплообмена в промышленных печах.

Математическая модель учитывает на зональном уровне перенос тепла излучением и конвекцией, включая турбулентную составляющую; источники (стоки) тепла за счет горения топлива, подогрева топлива и воздуха, присосов воздуха или выбивания продуктов сгорания через неплотности ограждений, тепловые потоки к нагреваемой технологической поверхности, тепловые потоки через элементы ограждений топочного пространства. При преобразовании системы исходных уравнений тепловых балансов для различных зон (факельных, продуктов сгорания, поверхности теплообмена, ограждений) к единому виду, т.е. каноническому виду нелинейных алгебраических уравнений, была применена процедура свертки, в результате которой процессы переноса и тепловые источники (стоки) стали учитываться соответствующими коэффициентами и свободным членом канонического алгебраического уравнения.

В свернутой форме система уравнений зональных тепловых балансов имеет вид:



; (2.1)

где N - общее число зон в расчетной области - зональной геометрической модели печи; M - число зон, непосредственно контактирующих с j-ой зоной; T_i - абсолютная температура i-ой зоны; P_ij - коэффициент радиационного обмена между зонами i и j; _ij - коэффициент конвективно-турбулентного обмена между зонами i и j; C_j = f(Q_j) - свободный член уравнения, включающий в себя внутренний тепловой источник или сток в j-ой зоне; i, j - зоны источник и приемник теплоты.

Коэффициенты радиационного обмена в (2.1) записываются в виде:

(2.2)

где ; - приведенные разрешающие обобщенные угловые коэффициенты излучения в полосе спектра k; N - число поверхностных зон в расчетной области; (N-N) - число объемных зон в расчетной области; F_i - площадь поверхностной зоны; V_i - объем газовой зоны; ₀ - постоянная Стефана-Больцмана; Z - число рассматриваемых полос спектра в модели излучения продуктов сгорания; b_i,k - доля излучения АЧТ в k-ой полосе спектра при температуре i-ой зоны; _i,k - коэффициент поглощения продуктов сгорания в k-ой полосе спектра при физических условиях в i-ой зоне; _i - степень черноты i-ой поверхностной зоны-источника излучения; _j - степень черноты j-ой поверхностной зоны-приемника излучения; _ij - дельта-символ Кронекера.

Коэффициенты конвективно-турбулентного обмена в уравнениях (2.1) записываются в виде

(2.3)

где _ij - коэффициент конвективной теплоотдачи между объемной и поверхностной зонами i и j; с_р,i - теплоемкость продуктов сгорания в i-ой объемной зоне; u+u_т - массовый поток газов между объемными зонами i и j с учетом турбулентной составляющей.

Первый член уравнений (2.1) учитывает радиационный перенос, второй - конвективно-турбулентный перенос, третий - тепловой источник или сток в зоне.

В данной главе также изложены общие соображения по делению расчетного пространства печи на зоны и выбору числа расчетных зон.

В третьей главе разработаны модели, методики и алгоритмы расчета оптико-геометрических характеристик излучения в многозонных геометрических моделях топочных камер, в том числе экранированных.

На основе анализа конструкций камерных печей выделены возможные пространственные геометрические типы объемных и поверхностных зон для печей коробчатого и цилиндрического типа. Зоны также классифицированы по оптическому типу в зависимости от их свойств и положения в зональной геометрической модели печи. Для печей коробчатого типа всего выделено 19 геометрических и 7 оптических типов зон, для печей цилиндрического типа - 15 геометрических и 7 оптических типов зон.

Для вычисления первичных обобщенных угловых коэффициентов (ОУК) применен численный метод имитационного вероятностно-статистического моделирования излучения (Монте-Карло). Для реализации метода разработан подход, включающий формализацию параметров многозонной геометрической модели печи и принципы вывода расчетных выражений вероятностного моделирования излучения с использованием этих параметров. В результате была получена универсальная методика для зональных геометрических систем, состоящих из большого числа зон разных типов.

Методика статистических испытаний (реализация метода Монте-Карло) основана на прослеживании пути лучей (или их пучков) в зональной геометрической модели и включает в себя: 1) выбор излучающей точки в пределах зоны; 2) выбор направления единичного луча; 3) определение координат и длины луча и его поглощения при пересечении объемной зоны; 4) определение взаимодействия луча с поверхностной зоной, на которую он падает (для обычных поверхностей происходит полное поглощение и на этом единичное испытание заканчивается; для поверхностей теплообмена, в частности - трубных экранов, происходит частичное поглощение; для зеркальных поверхностей - отражение по законам геометрической оптики); 5) статистическую обработку результатов моделирования излучения с данной зоны на другие зоны системы, т.е. вычисление первичных ОУК. Методика учитывает селективность излучения на основе модели широких полос спектра.

Разрешающие обобщенные угловые коэффициенты (РОУК), учитывающие многократное отражение в системе, рассчитываются на основе первичных ОУК путем решения N систем линейных алгебраических уравнений радиационного баланса.

Предложены принципы построения зональных геометрических моделей печей различного типа. Разработаны алгоритмы и программы для расчета ОУК в печах коробчатого и цилиндрического типов.

Реализация метода имитационного моделирования излучения составляет основную часть всех зональных расчетов. Полный расчетный алгоритм зонального метода представлен на рис. 3.1. (сплошные линии). Все расчетные процедуры включены в главный итерационный процесс решения нелинейной тепловой задачи, в том числе и вычисление ОУК.

Для повышения вычислительной эффективности зонального алгоритма в диссертации предложен метод коррекции базовых ОУК в зональной геометрической системе (коррекционный зональный подход) при изменении поглощательных свойств среды. При этом вводятся базовые ОУК, однократно вычисляемые методом имитационного моделирования для номинального режима работы высокотемпературной установки и корректируемые (уже без моделирования) при изменении оптических свойств зональной системы в ходе итерационного решения задачи и при переходе к исследованию другого теплового режима работы установки (пунктирная линия на схеме рис. 3.1). При этом достигается разделение оптической и тепловой задач и матрицы базовых ОУК в полосах спектра излучения можно рассматривать как исходные данные для зонально-геометрической модели установки.

Разработана методика коррекции базовых ОУК, для чего получены соотношения между различными оптико-геометрическими характеристиками излучения в зональной системе, позволяющие пересчитывать базовые ОУК при изменении оптических свойств среды.

Рис. 3.1. Схема расчетного алгоритма зонального метода

Соотношения для коррекции ОУК имеют вид:

¦ для поверхностной зоны-приемника излучения

или ; (3.1)

для объемной зоны-приемника излучения

или ; (3.2)

где _ij,k - обобщенный угловой коэффициент излучения между зонами i и j в k-ой полосе спектра; _j,k - степень черноты j-ой объемной зоны; D_ij,k - пропускательная способность среды; верхний индекс «0» означает базовый режим.

Среднегеометрическая пропускательная способность среды между зонами i и j имеет выражение:

; (3.3)

где L_ij - среднегеометрическое расстояние между зонами i и j ; _k - коэффициент поглощения среды в k-ой полосе спектра.

Предложены алгебраические выражения, аппроксимирующие интегральное выражение (3.3) с различной точностью.

Данная расчетная схема позволяет существенно упростить зональные расчеты и облегчить их инженерное применение особенно при исследовании переменных режимов работы установки. Благодаря вычислительной эффективности существенно облегчается применение зонального метода для решения сопряженных задач теплообмена в технологических печах, поскольку решение внутренней задачи теплообмена входит в итерационный процесс решения общей тепловой задачи (рис. 3.1).

В рамках разработанного зонального подхода предложен метод учета реальных оптико-радиационных свойств продуктов сгорания. Это касается как выполнения закона Бугера для объемных зон (традиционный зональный метод считает их оптически тонкими) так и корреляции спектральных величин, входящих в выражения зонального метода, с экспериментальными значениями интегральной степени черноты продуктов сгорания, данные по которым наиболее надежны. Методика позволяет уточнить зональные расчеты с сохранением традиционной формулировки и методологии зонального подхода.

Получено уточненное выражение для степени черноты газовых зон в рамках зонального подхода путем разложения экспоненты в ряд Маклорена:

, (3.4)

Поправка, учитывающая нелинейность степени черноты газовых зон имеет вид:

; (3.5)

где l_i = 4V_i / F_i^об - среднегеометрическая длина пути луча в объемной i-ой зоне; V_i и F_i^об - объем зоны и площадь ограничивающих плоскостей для газовой зоны i, соответственно; _i,k - коэффициент поглощения продуктов сгорания в объемной зоне i в k-ой полосе спектра излучения; N₀ - число учитываемых членов ряда Маклорена.

С учетом выражения (3.4) предложено уточненное выражение для РОУК объемной зоны-источника с учетом корреляции с интегральной по спектру степенью черноты газовой среды

, (3.6)

, (3.7)



где _i^об - интегральная степень черноты i-ой объемной зоны, принимаемая по экспериментальным данным для соответствующего однородного слоя продуктов сгорания; _г , _с - степени черноты газов и сажистых частиц.

Относительный коэффициент поглощения среды в полосе спектра в выражении (3.6) задается в виде:

_i,k = _i,k /_i , (3.8)

, ,

где - средний коэффициент поглощения среды в ИК-области спектра; _i,k - действительный коэффициент поглощения среды в полосе спектра; b_i,k - доля излучения АЧТ в полосе спектра.

В четветрой главе разработан новый подход к расчету локальных характеристик сложного теплообмена в многозонных пространственных системах, моделирующих рабочие камеры промышленных печей.

Выражение для локального удельного теплового потока к элементарной площадке dF_M с центральной точкой М имеет вид:

; (4.1)

где N - общее число зон в расчетной области; _j - степень черноты поверхности нагрева в зоне j; Т_М - абсолютная температура поверхности трубы в точке М; ₀ - постоянная Стефана-Больцмана; _iM - локальный коэффициент конвективной теплоотдачи к элементарной площадке dF_M от контактирующей объемной зоны i; P_iM - локальный коэффициент радиационного обмена.

Локальные коэффициенты радиационного обмена имеют выражение:

(4.2)

где N - число объемных зон в расчетной области; (N - N) - число поверхностных зон в расчетной области; Z - число рассматриваемых полос спектра излучения; b_i,k - доля излучения АЧТ в k-ой полосе спектра при температуре T_i ; _i,k - коэффициент поглощения продуктов сгорания в k-ой полосе спектра в объемной зоне i; _i - степень черноты поверхностной зоны i; V_i - объем газовой зоны i; F_i - площадь поверхностной зоны i; _iM,k - локальные РОУК между зоной i и элементарной площадкой dF_M в k-ой полосе спектра излучения; K _i - поправка на нелинейность степени черноты объемной зоны i для k-ой полосы спектра.

Локальные РОУК рассчитываются по выражению:

; (4.3)

где _iM,k - локальный ОУК между зоной i и элементарной площадкой dF_M в k-ой полосе спектра излучения; _nM,k - локальные ОУК между зонами n расчетной области и элементарной площадкой dF_M в k-ой полосе спектра излучения; _in,k - среднезональные РОУК между зоной i и зонами n расчетной области в k-ой полосе спектра излучения; R_n - коэффициент диффузного отражения для поверхностной зоны n или коэффициент изотропного рассеяния для объемной зоны n.

В рамках предложенного подхода разработан метод вычисления локальных оптико-геометрических характеристик, основанный на имитационном моделировании излучения с элементарной площадки на все зоны расчетной области и переходе от рассчитанных таким способом местных обобщенных угловых коэффициентов к локальным на сновании соотношений взаимности.

Для реализации метода впервые получены соотношения взаимности для ОУК как для поверхностных, так и для объемных зон:

¦ для поверхностной зоны,

, (4.4)

¦ для объемной зоны,

. (4.5)

Выражение локальных ОУК через местные ОУК имеет вид:

(4.6)

Для расчета местных ОУК с элементарной площадки dF_M на все зоны трехмерной расчетной области предложен аналитический метод Монте-Карло, предполагающий задание аналитических зависимостей для распределения направлений единичных лучей, исходящих из точки М в соответствии с законом Ламберта для диффузно излучающей поверхности и определение их направляющих косинусов в глобальной пространственной системе координат, связанной со всей расчетной областью. Метод позволяет упорядочить процесс, моделирующий лучеиспускание, и сократить число статистических испытаний.

Рис. 4.1. К расчету локальной теплонапряженности

На базе предложенного общего подхода разработана методика расчета локальной теплонапряженности по периметру труб в экранированных топках. Для этого в зональной геометрической модели камеры в рамках эффективной экранной поверхности задаются образы реальных экранных труб. Предложен классификатор типов и система параметров, однозначно определяющих положение и размеры труб в зональной геометрической модели. Расчетные точки располагаются по периметру экранной трубы в расчетном сечении, задаваемом номером трубы и линейной координатой сечения (рис. 4.1).

В пятой главе разработаны математические модели, методики и алгоритмы расчета сопряженного теплообмена в технологических трубчатых печах, проведено расчетное исследование и совершенствование режимов теплообмена в них. Рассмотрены реакционные и нагревательные печи.

Реакционные трубчатые печи характеризуются узкой топочной камерой коробчатого типа, одно-и двухрядными двухсветными экранами и системами обогрева от настенных излучающих горелок или настильных факелов (рис. 5.1). Это обеспечивает высокую интенсивность радиационного теплообмена, но в то же время предъявляет жесткие требования к условиям теплоподвода. Наиболее жесткими режимами нагрева характеризуются реакционные трубчатые печи пиролиза и каталитической конверсии углеводородов, в которых реагирующий поток нагревается до температуры 850-900С при теплонапряженности поверхности труб до 100 кВт/м² . Реакционные трубы выполняются из высоколегированных сталей, работающих на пределе своих прочностных возможностей.

а	б	в

Рис. 5.1. Схемы реакционных трубчатых печей

Поэтому отличительной особенностью тепловых режимов этих печей является жесткое соблюдение теплового и температурного графиков и исключение локальных перегревов стенки труб. Соблюдение этих требований обеспечивается заложенной в конструкции этих печей возможностью регулирования теплоподвода путем изменения длины и выгорания настильных факелов и распределения топлива по рядам беспламенных (плоскопламенных) излучающих горелок.

В связи с зонным характером теплоподвода для трубчатых печей (особенно реакционных) актуальным является моделирование сопряженного теплообмена с учетом внутренних физико-химических процессов в продуктовых трубах.

На основе предложенного зонального подхода в диссертации разработана математическая модель сопряженного теплообмена в радиационной камере трубчатых печей, подробно учитывающая внешние и внутренние процессы тепломассообмена, а также сложные граничные условия сопряжения на трубной поверхности нагрева и обладающая существенной научной новизной.

Описание сложного теплообмена в радиантной камере печи дается в рамках зонального подхода системой нелинейных алгебраических уравнений зональных тепловых балансов (2.1).

Осредненные параметры поверхностной зоны экрана выражаются через локальные параметры труб, входящих в данную экранную зону. С учетом этого записываются тепловые условия сопряжения:

§ для теплового потока

; (5.1)

§ для температуры

, (5.2)

где n_j и l_j - число и длина труб (или их участков) входящих в j-ю экранную зону; d_тр - диаметр трубы; Т_j - средняя температура экранной поверхности (наружной стенки труб) в пределах j-ой зоны; Т_ж - локальная температура внутреннего потока в трубах; k - локальный коэффициент теплопередачи через стенку труб, который вычисляется по формуле

; (5.3)

_вн - локальный внутренний коэффициент теплоотдачи; (/)_ст - локальная сумма термических сопротивлений стенки трубы с учетом слоя внутренних отложений.

В соответствии с развитым в диссертации зональным подходом матрицы первичных ОУК рассчитываются путем имитационного моделирования излучения в многозонной системе. Разработанные методики позволяют рассчитывать матрицы ОУК в трубчатых печах коробчатого и цилиндрического типов.

Оптико-геометрические условия сопряжения записываются с учетом эффективных свойств трубного экрана по отношению к падающему излучению с учетом зависимости поглощения экрана от угла падения излучения.

Для моделирования физико-химических процессов в реакционных трубах обычно используется упрощенная модель реактора идеального вытеснения. Однако в современных трубчатых реакторах термической деструкции углеводородов (пиролиз) с высокой теплонапряженностью поверхности пристеночный ламинарный слой оказывается сильно перегретым относительно ядра потока и несмотря на малую толщину способен играть значительную роль в протекании химических реакций.

Для процесса пиролиза в диссертации разработана двухзонная модель трубчатого реактора. Ядро потока считается реактором идеального вытеснения, а пристеночный ламинарный слой считается неподвижным. Это позволяет учитывать перегрев пристеночного слоя, интенсификацию в нем «быстрых» химических реакций с образованием свободных радикалов и их диффузию в ядро потока, где они уже интенсифицируют основные химические реакции. Математическое описание процессов тепломассообмена состоит из двух связанных систем обыкновенных дифференциальных уравнений первого и второго порядков для переноса в продольном и радиальном направлениях.

Система уравнений продольного тепломассопереноса в ядре потока при 0:

¦ уравнение теплопереноса

; (5.4)

¦ уравнение движения

; (5.5)

¦ уравнение массопереноса

; (5.6)

¦ уравнение состояния

. (5.7)

Система уравнений радиального тепломассопереноса в пристеночном ламинарном слое :

¦ уравнение массопереноса свободных радикалов

; (5.8)

¦ уравнение теплопереноса

; (5.9)

; (5.10)

Расчетная область:

; (5.11)

.

Начальные и граничные условия:

;

; (5.12)

;

. (5.13)

Обозначения: n - общее количество компонентов реагирующей смеси в кинетической модели процесса пиролиза; m - долгоживущие молекулярные компоненты реагирующей смеси; (n-m) - короткоживущие свободные радикалы; Т - температура; Р - давление; u - скорость; с_р- теплоемкость; - плотность; М - число компонентов реагирующей смеси; с_i - концентрация i-го компонента реагирующей смеси; H_i - теплота i-ой реакции; W_i - скорость i-ой реакции; D_i - коэффициент молекулярной диффузии i-го компонента; j_i - поток массы i-го компанента; - коэффициент теплопроводности; q_w - тепловой поток на стенке; _вн - коэффициент внутренней теплоотдачи; R_w - радиус трубы; - толщина пристеночного ламинарного слоя; _тр и _м - коэффициенты трения линейный и местный, соответственно; индекс f соответствует ядру потока; индекс w соответствует внутренней поверхности стенки трубы.

Для замыкания системы уравнений внутреннего тепломассопереноса используется кинетическая модель сложной реакции пиролиза, учитывающая радикально-цепной механизм ее протекания.

Система зональных уравнений внешнего теплообмена и система дифференциальных уравнений внутреннего теплообмена с краевыми условиями представляет собой сопряженную задачу сложного теплообмена, которая решается соответствующими численными методами.

На основе предложенных методов, методик и алгоритмов создан пакет прикладных программ (ППП), включающий программы расчета среднезональных и локальных характеристик теплообмена в рабочих камерах печей, а также программы расчета сопряженного теплообмена в трубчатых печах.

С использованием ППП проведено математическое моделирование и параметрическое исследование теплообмена в современных промышленных трубчатых печах с целью тестирования методик расчета и совершенствования конструктивных и режимных параметров печей.

Исследованы характеристики сопряженного теплообмена в серийной печи пиролиза углеводородов типа SRT-II этиленовой установки ЭП-450 Нижнекамского нефтехимического комбината.

Конструктивная схема печи показана на рис 5.1а. Печь узкокамерная с центральным вертикальным однорядным экраном. На боковых стенах топки расположены излучающие плоскопламенные горелки фирмы «John Zinc». Сырье пиролиза - прямогонный бензин. Топливо - метано-водородная фракция. В случае пиролиза бензина (основное сырье) змеевик выполняют разветвленным комбинированным из труб различного диаметра. Всего в топочной камере расположено 4 змеевика.

Разработана зональная геометрическая модель топки печи, которая учитывает ее симметрию и ограничена по ширине центральным экраном, а по длине - одним реакционным змеевиком. Геометрическая модель учитывает отдельные секции разветвленного змеевика, вертикальные горелочные ряды и характер распределения параметров в объеме топки.

Расчетным путем с использованием моделей, предложенных в диссертации и в данной главе, исследованы характеристики внешнего и сопряженного теплообмена в топке и проведено их сравнение с данными обследования печи, выполненного совместно с институтом ВНИПИгаздобыча. Получено хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных по распределению температуры продуктов сгорания по высоте и ширине топки (рис. 5.2), по лучистым тепловым потокам, падающим на поверхность экрана (рис. 5.3) и температуре экранных труб (рис. 5.4).

Рис. 5.2. Температура газов на расстоянии 10 см (1) и 50 см (2) от излучающей стенки: - расчет; ?, - эксперимент	Рис. 5.3. Плотность потока излучения, падающего на экран: - расчет; ? - эксперимент

Расчетные данные показали, что последняя труба змеевика работает в наиболее жестких термических условиях. Этому способствует и повышенное коксообразование на внутренней стенке трубы из-за переразложения сырья.

Для улучшения режима работы печи на основании расчетного анализа предложено уменьшить тепловую нагрузку на последнюю трубу № 10 путем снижения расхода топлива на противостоящий вертикальный ряд горелок. Одновременно рекомендовано увеличить теплоподвод ко второй секции змеевика (сдвоенные трубы №5 и №6) с наибольшей интенсивностью реакций, что будет способствовать увеличению жесткости процесса пиролиза и соответственно увеличению выхода этилена.

Проведено расчетное исследование режима работы печи при перераспределении 20 % расхода топлива с последнего 5-го вертикального ряда горелок на 3-й ряд. Результаты расчета отражены в графической форме на рис.5.4, 5.5. За счет перераспределения теплоподвода происходит изменение теплонапляженности труб во 2-ой и 3-ей секциях змеевика на 10 кВт, что способствует росту теплоподвода в основную зону реакции на 8% и снижению теплоподвода на последнюю 10-ю трубу на 12%. В результате это смещает равновесие реакции пиролиза в сторону увеличения выхода этилена на 1%. При этом максимальная температура выходной трубы снижается на 15С (рис. 5.4).

Распределение удельных тепловых потоков по периметру труб №6 и №10 (второй и третьей секций) до и после регулирования показано на рис.5.5. Снижение максимальной теплонапряженности и температуры стенки выходной трубы способствует увеличению срока ее службы, замедлению коксообразования и увеличению рабочего пробега печи с 70 до 100 суток, т.е. на 40%.

Рис. 5.4. Распределение параметров по длине трубчатого реактора: - расчетные параметры до изменения режима; ---- - то же после; ?, - экспериментальные данные	Рис. 5.5. Локальная теплонапряженность по окружности труб: - до изменения режима; ----- - после

Для серийной нагревательной трубчатой печи ЗР2 проведено сравнительное исследование двух возможных схем отопления: 1) от вертикальных рядов излучающих беспламенных горелок и 2) от подощелевых настильных факельных горелок.

Рис. 5.6. Распределение безразмерных тепловых потоков по высоте экрана



Конструктивная схема печи ЗР2 представлена на рис. 5.1в.

Разработаны зональные геометрические модели топки печи для двух схем отопления. Расчетным путем показано, что при обеих схемах отопления имеет место неравномерность обогрева трубного экрана (рис. 5.6), вызванная в том числе значительной долей излучения топочного объема, температура которого снижается по высоте топки. Поэтому для обеспечения равномерного тепловосприятия экрана необходимо регулирование теплоподвода за счет изменения расхода топлива по рядам излучающих горелок или за счет изменения длины настильного факела.

...