Влияние параметров горелок и их расположения на аэродинамику топочных газов и тепловые характеристики цилиндрических трубчатых печей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.3.535.34

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРЕЛОК И ИХ РАСПОЛОЖЕНИЯ НА

АЭРОДИНАМИКУ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ И ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ

А.В. САДЫКОВ, Д.А. САДЫКОВА, Д.Б. ВАФИН

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал«КНИТУ»)

В рамках трехмерной математической модели внешнего теплообмена в топочных камерах цилиндрических трубчатых печей нефтехимической промышленности исследовано влияние количества и расположения диффузионных горелок на тепловые характеристики печей и аэродинамику топочных газов. Внешний тепломассообмен в камере радиации моделируется трехмерными дифференциальными уравнениями энергии, движения, неразрывности, модели турбулентности, модели горения, интегродифференциальным уравнением переноса энергии излучения.

Ключевые слова: излучение, теплообмен, камера радиации, горение, топочные газы, температура.

Параметры горелок, а также их расположение могут оказывать значительное влияние на распределение тепловых потоков к поверхности нагрева, на температуру стенок реакционных труб, поля температур и скоростей продуктов сгорания в объеме камеры радиации трубчатой печи. В нефтехимической промышленности для нагрева сырья иногда используются цилиндрические трубчатые печи. Течение в топке печи является дозвуковым, турбулентным и имеет пространственный характер из-за конструктивной схемы топки. Поэтому в данной работе стационарная задача радиационно-конвективного теплообмена решается в трехмерной постановке. Упрощенная схема топочной камеры исследуемой печи показана на рис. 1. Трубчатый экран печи, расположенный по периметру, заменяется сплошной непрозрачной для излучения цилиндрической поверхностью, проходящей по осям труб.

Рис. 1. Упрощенная схема топочной камеры и система координат: 1 - футеровка; 2 - трубчатый экран; 3 - горелки; 4 - факел

©А.В. Садыков, Д.А.Садыкова, Д.Б. Вафин Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

Радиационно-конвективный теплообмен в камере радиации моделируется трехмерными дифференциальными уравнениями сохранения энергии, компонентов количества движения, неразрывности, к-е модели турбулентности, одноступенчатой модели горения, интегро-дифференциальным уравнением переноса энергии излучения. Метод решения такой задачи в трехмерной постановке для печей коробчатого типа рассматривается в работе [1], а в двухмерной - в [2].

Поле температур в объеме топочной камеры определяется в результате решения уравнения сохранения энергии:

V) = grad Т) + , = Q - Цр , (1)

где Кф = х + хТ, X, ХТ - коэффициенты эффективной, молекулярной и турбулентной теплопроводности соответственно; ср - удельная теплоемкость; V — вектор скорости течения; р — плотность; T - температура дымовых газов в точке М; Q — объемная плотность тепловыделения в результате сгорания топлива; Цр - вектор плотности интегрального по спектру лучистого потока тепла.

Дивергенция лучистых потоков div Цр определяется решением уравнения

переноса энергии излучения

АУ4 (М, Л) + кх (М)1х (М, Л) = ах (М)1Ьх (Т) + вх4(М) $ 4 (М, А)УХ (Л , Л')ЛШ, (2)

4п

где 1х (М, Л) - спектральная интенсивность излучения в точке М в направлении Л; /¿X (Т) - спектральная интенсивность излучения черного тела при температуре Т; кх (М) = ах + Рх - спектральный коэффициент ослабления; ах (М), Рх (М) -спектральные коэффициенты поглощения и рассеяния; ух (Л , Л') - индикатриса рассеяния.

На границе области учитывается излучение и отражение стенки /х (М,Л) = ех (М,Л)1Ьх (Т^)+П $ /х (М,лЛ')гм,(М,Л')рх (М,Л',Л)йЛ'^, (3)

Л' и>0

при Ап < 0. Здесь ех(М,Л), гМ!(М,Л' )- спектральные степень черноты и отражательная способность стенки в граничной точке М; рх (М, Л' , Л) - индикатриса отражения стенки. Краевым условием на оси симметрии является условие симметрии решения относительно оси г

д/х (М, Л) 0 0

—-^-дт-= 0 при г = 0.

Поле скоростей находится путем решения трехмерных уравнений движения и неразрывности. Состояние дымовых газов рассматривается в приближении идеального газа. Для замыкания уравнений движения используется к-е модель турбулентности. Горение рассматривается в рамках модели простой одноступенчатой экзотермической реакции. При этом скорость химической реакции определяется моделью вихревой диссипации.

Перечисленные уравнения можно записать в единой обобщенной форме

div(р Ф V) = div(Гф grad Ф) + 5ф . (4)

Здесь Ф - обобщенная неизвестная, вместо которой могут стоять осредненные по времени компоненты вектора скорости V, кинетическая энергия турбулентности к и др.

© Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

Различие уравнений обусловлено источниковыми членами S^ коэффициентами диффузии Гф. Для получения дискретных аналогов этих уравнений использован метод контрольного объема в сочетании с методом конечных разностей [1, 2].

Уравнения дополняются граничными условиями. Для уравнения энергии, уравнений: движения, модели турбулентности, модели горения на входном участке в топку - ставится граничное условие 1 рода. На оси симметрии или плоскости симметрии задается условие симметрии. Для уравнений движения на твердой границе ставятся условия «прилипания» и «непроницаемости». На жесткой стенке для уравнений модели горения задается условие отсутствия потока. Для уравнения энергии на поверхности нагрева ставится граничное условие 3-рода. Считается, что температура нагреваемого продукта внутри труб меняется по линейной зависимости. При этом нижний и верхний пределы температуры задаются исходя из условий работы печи. На торцевых поверхностях печи задается граничное условие с учетом отвода тепла через стенку при известной температуре окружающей среды. На выходе из топки для большинства параметров задается условие нулевого градиента. На твердой границе диффузионный поток кинетической энергии турбулентности полагается равным нулю.

Перенос излучения рассматривается в рамках S2-приближения метода дискретных ординат (МДО). Такой выбор, в первую очередь объясняется тем, что МДО без особого труда объединяется с алгоритмами, основанными на применении контрольных объемов. Вопросы практической реализации МДО, а также совместного решения с уравнением энергии рассмотрены в работах [1, 2]. Интегральный по спектру коэффициент поглощения газообразных продуктов сгорания вычисляется по модели взвешенной суммы серых газов (МВССГ) [3]. В работе [4] показано, что эффективный коэффициент поглощения, вычисленный по МВССГ с использованием данных [3], хорошо согласуется с результатами более точного спектрального расчета по модели широкой полосы.

Алгоритм расчета турбулентного течения продуктов сгорания основан на процедуре SIMPLE и подробно изложен [2, 5]. Для описания турбулентного течения и теплообмена вблизи твердой границы используется метод пристеночных функций [5]. Решение задачи, также как в [1, 2], проводится по итерационной схеме. В каждой итерации последовательно решаются газодинамическая и тепловая задачи. Для обеспечения сходимости итерационного процесса используется линеаризация источниковых членов в уравнениях сохранения для температуры, кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации. В ходе итерационного процесса для обеспечения сходимости ряд параметров подвергается нижней релаксации. При этом коэффициенты релаксации подбираются опытным путем.

Расчеты проведены для четырехпоточной трубчатой печи типа ВА-301, которая используется на нефтеперерабатывающих заводах для нагрева сырья. Печь -вертикальнофакельного сжигания газообразного топлива, с вертикальным расположением труб змеевика в одной камере радиации (рис. 1). С внутренней стороны стены футерованы каолиновой ватой. По периметру камеры радиации на расстоянии 2,074м от оси установлен однорядный трубчатый экран, который состоит из 4 змеевиков. Каждый из этих змеевиков располагается в четвертой части камеры радиации. Нагреваемый продукт подается четырьмя потоками в эти змеевики. В поду печи симметрично расположены 8 горелок диффузионного горения. Симметричное расположение горелок и наличие осевой симметрии позволяют разбить объем топки на 4 одинаковые части, в каждой из которых расположены 2 горелки и один змеевик. Поэтому достаточно провести расчет для одной такой части.

© Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

Эффективная степень черноты поверхности нагрева, определенная по методике [6], равна еэф = 0,65. При решении уравнения переноса излучения входное и выходное сечения заменялись диффузно отражающими все падающее излучение поверхностями. В качестве газообразного топлива используется природный газ, а в качестве окислителя - воздух.

В параметрических исследованиях проведено 4 варианта расчетов, результаты которых приведены ниже. В первом варианте количество горелок совпадает с проектным значением (8 горелок). Во втором варианте используется одна большая горелка в центре, площадь сечения амбразуры которой равна суммарной площади выходных сечений амбразур 8 проектных горелок, а в третьем варианте - одна проектная горелка в центре, но с увеличенной скоростью подачи газа на горение. В четвертом варианте горелок 8, но они смещены к поверхности нагрева на 0,3 м в радиальном направлении по сравнению с первым вариантом. Во всех четырех вариантах объем топочной камеры можно разбить на 4 одинаковые части и за область интегрирования взять четвертую часть камеры радиации.

В качестве топлива используется природный газ, а в качестве окислителя -воздух. При этом массовый расход горючей смеси остается одинаковым для всех вариантов (4,797 кг/с). В расчетах учитывается переменность теплофизических свойств продуктов сгорания в объеме топки.

На рис. 2 показаны распределения температуры продуктов сгорания на оси симметрии цилиндрической топки и вдоль труб по высоте топки для четырех вариантов. На оси симметрии топки для 2-го и 3-го вариантов наблюдаются более высокие температуры с ярко выраженными пиками, причем увеличение скорости подачи газа приводит к смещению максимума распределения от амбразуры горелки. При использовании 8 небольших горелок получается более равномерное изменение температуры дымовых газов по высоте топки. Ближе к выходу кривые распределения практически выравниваются. На этом рисунке приведены также экспериментальные данные по температуре (показания датчиков), полученные с НПЗ ОАО «ТАИФ-НК». Из рисунка видно, что экспериментальные точки ложатся на кривую распределения температуры газов вблизи труб по высоте топки (кривая 1), полученную расчетным путем. Максимальные отклонения между расчетом и экспериментом не превышают 17°, что составляет не более 2%

г, к

1600

1200

800 •

400

0 2 4 6 8 10 12 г, м

Рис. 2. Температура газов на оси симметрии (верхние кривые) и вдоль труб (нижние кривые) по высоте цилиндрической топки: 1 -8 горелок; 2 - одна большая горелка в центре; 3 - одна проектная горелка в центре; 4 - 8 горелок, смещенных к поверхности нагрева на 0,3м. ® - эксперимент.

© Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

Проанализированы распределения температур и поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков qр к поверхности нагрева по высоте топки (рис. 3) и по периметру трубчатого экрана на разных высотах г. При смещении горелок к поверхности нагрева (4-й вариант) максимумы qР смещаются к поду печи и становятся более выраженными. На участке г = 0-4 м наблюдается сильное различие в распределениях цр.

Яр, кВт

80 60 40 20

0 2 4 6 8 10 2, м

Рис. 3. Распределения поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков qP к трубчатому экрану по высоте топки: 1 - 8 горелок, 2 - одна большая горелка в центре, 3 - 8 горелок, смещенных к

поверхности нагрева

В распределениях qР по периметру печи в 1-м и 4-м вариантах наблюдается периодический характер с локальными экстремумами, связанный с дискретным расположением горелок. В 1-м варианте (8 горелок, рис.4) локальные максимумы расположены посередине между горелками. Колебания температур на одинаковой высоте доходят до 15 С, а колебания плотностей лучистых тепловых потоков qр - до 10 кВт/м2. При г > 5 м профили температур по периметру топки выравниваются. Максимальные значения qр наблюдаются при г = 1,5-2 м и находятся посередине между горелками. При смещении горелок к поверхности нагрева (на 0,3м) локальные максимумы в распределениях qР, Т по периметру расположены напротив горелок. В области г < 2,1 м наблюдается ярко выраженный периодический характер в их распределениях. При г > 1,65 м амплитуды колебаний уменьшаются, а при г > 5,8 м профили qр , Т выравниваются. Максимальные значения qр наблюдаются примерно при г ~ 0,83 м. Во 2-м и 3-м вариантах qр и Т по периметру топки при фиксированном г являются практически постоянными.

Для анализа влияния расположения горелок на тепловые характеристики дополнительно проведен расчет для 12 проектных горелок, также равномерно расположенных в поду печи на расстоянии 2,074м от оси топки. В таком случае в области интегрирования располагаются 3 горелки. На рис.4 для сравнения приведены распределения qР по периметру для 8 горелок (1-вариант) и 12 горелок. При увеличении количества горелок при постоянном расходе профили qР становятся более равномерными, амплитуды колебаний уменьшаются. При большем количестве горелок на начальном участке наблюдаются большие значения qР , что в свою очередь приводит к более высоким температурам на этом участке.

© Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

Чр. кВт/м"

ни

«

-Ю

I" " "1--- - -.

1 2 3

4

Рис.4. Распределения поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков по периметру печи на разных высотах: -12 горелок;-----8 горелок;

1 - г = 0,6 м; 2 - г = 1,0 м; 3 - г = 1,5 м; 4 - г = 6,1 м

На рис.5 показаны профили продольной скорости для разных вариантов. В 1-м и 4-м вариантах зоны обратных токов возникают как возле поверхности нагрева, так и в центре топки. При смещении горелок к поверхности нагрева зона обратных течений около поверхности нагрева вблизи устьев горелок уменьшается, а в центре топки она увеличивается, становится более широкой. Уменьшение диаметра амбразуры горелки (2-й, 4-й варианты) при одинаковом расходе приводит к увеличению скоростей в центре потока. В результате увеличивается длина факела. О размерах факела можно судить по распределению значений массовых концентраций горючего в топочном объеме. С увеличением скорости истечения топливной смеси увеличивается зона обратных токов, что приводит к более интенсивному перемешиванию продуктов сгорания и топливной смеси. Первый фактор способствует сглаживанию максимума температуры факела, а второй - увеличению скорости выгорания газообразного топлива.

и, м/с

ч ^3

! *' Л \

>• ...........7/......• V/5

чч..... ^ Г'

0,25 0,5 а

0,75 г/К

и, м/с

12

8 4 0 -4

-

\ ч'Л; А

'I ..........,.........\0 \ • <................. Г/Ч".

- -

0,25 0,5 0,75 г/Я 6

Рис. 5. Профили продольной скорости продуктов сгорания на разных высотах ъ: 1 - ъ = 0; 2 - ъ = 0,5 м; 3 - ъ = 1,5 м; 4 - ъ = 3 м; 5 - ъ = 4,5 м. а - 8 горелок; б - одна горелка в центре

На рис.6 приведены профили кинетической энергии турбулентности для плоскости, проходящей через ось симметрии и ось одной из 8 проектных горелок на разных высотах г. Анализ показывает, что локальные максимумы в распределениях к

© Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

приходятся на границу факела. Турбулентность генерируется в зоне интенсивных химических реакций, где возникают большие градиенты скоростей. Острые пики на графиках наблюдаются на начальном участке: г = 1,5-2 м у периферии факелов. При удалении от горелок (при возрастании г) пики сглаживаются и смещаются к оси горелок (г = 4,5 м, 7-я кривая). На расстояниях г = 4,5-5 м кинетическая энергия турбулентности в целом уменьшается, и профиль к начинает выравниваться.

к, м2/с2 5

4

3 2

1

О 0,2 0,4 0,6 0,8 r/R

Рис. 6. Поперечные профили кинетической энергии турбулентности на разных высотах z для плоскости, проходящей через ось горелки: 1 - z = 0; 2 - z = 0,5 м; 3 - z = 1 м;

4 - z = 1,5 м; 5 - z = 2,5 м; 6 - z = 3,5 м; 7 - z =4,5 м

Результаты проведенных параметрических исследований показывают, что параметры горелок и их расположение значительно влияют на аэродинамические и тепловые характеристики цилиндрических трубчатых печей. При расположении горелок в центре топки обратные течения возникают только в угловых зонах, распределения температуры и плотностей лучистых тепловых потоков по длине труб получаются более равномерными. С увеличением скорости на входе увеличиваются длина факела, зона обратных течений; максимум в распределении плотностей лучистых тепловых потоков по высоте топки становится менее выраженным. При удалении горелок от оси печи ближе к трубчатому экрану изменяются размеры зон обратных течений как в центре топки, так и в области трубчатого экрана. Это, в свою очередь, влияет на тепловые характеристики печи. Максимумы температуры труб и плотностей лучистых потоков смещаются ближе к поду печи и они получаются более выраженными. В ряде случаев по технологическим требованиям требуется именно такое распределение. При этом необходимо следить за тем, чтобы температура труб не превышала допустимых значений для соответствующей марки материала труб.

Summary

The influence of the number and location of the diffusion burners on the thermal characteristics of furnaces and the aerodynamics of the combustion gases has been investigated using a three-dimensional mathematical model of external heat transfer in combustion chambers of the cylindrical industrial tubular furnace. External heat and mass

© Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

transfer in the radiation chamber is modeled using three-dimensional differential equations of energy, motion, continuity, models of turbulence, models of burning, as well as integraldifferential equation of energy radiation transfer.

Key words: radiation, heat transfer, radiation chamber, combustion, combustion gases, temperature.

Литература

1. Вафин Д. Б., Садыков А.В. Трехмерная математическая модель внешнего теплообмена в топках трубчатых печей // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2010.№2. С.18-23.

2. Вафин Д.Б. Сложный теплообмен: радиационный теплообмен в энергетических установках / Данил Вафин. - Saarbr Dcken, Deutschland: LAP LAMBERT Academic Publishing , 2011. 251 с.

3. Smith T. F. Evaluation of Coefficients for the Weighted Sum of Gray Gases Model / T. F Smith, Z. F Shen, J. N. Friedman // J. Heat Transfer. 1982. №104. P. 602-608.

4. Lallemant N., Sayre A., Weber R. // Progr. Energy Combust. Sci. 1996. Vol.22. Pp. 543-574.

5. Белов И. А., Кудрявцев Н.А. Теплоотдача и сопротивление пакетов труб. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 223 с.

6. Гориславец С.П., Тменов Д.Н., Майоров В.И. Пиролиз углеводородного сырья. Киев: Наукова думка, 1977. 305 с.

Поступила в редакцию 28 января 2012 г.

Садыков Айдар Вагизович - канд. техн. наук, доцент кафедры математики, декан факультета управления и автоматизации Нижнекамского химико-технологического института (НХТИ). Тел.: 8 (8555) 39-23-14; 8 (917) 8624162. E-mail: [email protected].

Садыкова Дильбар Айдаровна - аспирант кафедры физики Нижнекамского химико-технологического института (НХТИ).

Вафин Данил Билалович - д-р техн. наук, профессор кафедры физики Нижнекамского химико-технологического института (НХТИ). Тел.: 8 (8555) 42-95-20; 8 (917) 8880228. E-mail: [email protected].

© Проблемы энергетики, 2012, № 5-6