Введение к работе
Актуальность темы. Разработка методов расчета радиационного и сложного теплообмена в огнетехнических установках и системах является одной из важнейших проблем промышленной теплотехники. Из-за чрезвычайной сложности задачи наиболее эффективным и по существу единственным методом анализа теплообмена в этих системах является математическое моделирование. В данной работе рассматриваются огнетехкические установки газовой и нефтехимической промышленности: трубчатые печи и факельные установки. Для них характерны высокая интенсивность процессов теплообмена и предельно допустимое термическое состояние элементов экранных поверхностей и облучаемых объектов в условиях повышенной аварийной опасности данного вида производств. Повышение надежности, безопасности и эффективности работы (последнее относится, главным образом, к технологическим трубчатым печам) систем связано с умением прогнозировать характеристики радиационного и сложного теплообмена. В связи с этим большое значение имеет разработка высокоточных и детальных методов расчета. Общность процессов, протекающих в огне-технических системах, позволяет проводить их анализ на базе единых математических методов и вычислительных алгоритмов, что особенно эффективно при создании отраслевой САПР газовой и нефтехимической промьшиенности. В связи с вышеизложенным разработка средств и методов математического моделирования, а также численное исследование сложного теплообмена в огнетехнических установках газовой и нефтехимической промышленности представляется весьма актуальной.
Целью работы является развитие зонального метода расчета радиационного и сложного теплообмена в огнетехнических установках газовой и нефтехимической промышленности: реакционных трубчатых печах и факельных установках.
Научная новизна Разработан новый зонально-узловой метод решения сопряженной задачи радиационно-конвективного и кондуктиеного теплообмена в экранированных топочных камерах. Математическая формулировка метода дается расширенной системой зональных уравнений, включающей в себя: систему алгебраических уравнений зонального теплообмена в топочном пространстве, алгебраические уравнения локального
теплообмена на тепловоспринимающей поверхности, дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности в твердых телах (стенке экранных труб и топочных ограждений) совместно с условиями сопряжения тепловых полей на границе топочной среды и твердого тела. В отличие от предшествующих разработок метод позволяет учитывать неоднородность тепловых параметров, в том числе переменность потока падающего излучения в пределах поверхностных зон, эффект селективности излучения поверхностей.
Разработана математическая модель, методика и алгоритм расчета внутренних физико-химических процессов в трубчатых реакторах термического разложения углеводородов с учетом радиацион-но-конвективного (сложного) теплообмена в газовом потоке. Математическая формулировка задачи дана в форме расширенной системы уравнений многокомпонентного пограничного слоя, включающей дополнительное уравнение переноса интенсивности излучения и радиационный член б уравнении энергии.
В рамках зонально-узлового подхода разработана физико-математическая модель, методика и алгоритм расчета сопряженного теплообмена в реакционных трубчатых печах. Модель позволяет корректно описать локальный тепловой режим теплопередающей поверхности, . впервые непосредственно учитывает реальную геометрию экранных поверхностей, переменность результирующего теплового потока как по длине, так и по периметру экранных труб.
. Предложен новый метод расчета лучистой тепловой нагрузки от открытых факелов, учитывающий реальную геометрию и характеристики факела (длину, объем зоны горения, распределение температур и эмиссионных характеристик), а также методика определения оптико-геометрических характеристик излучения в конических зональных системах, имитирующих факел.
Впервые разработаны зональные геометрические модели ряда промышленных трубчатых печей, позволившие выявить влияние режимных и конструктивных параметров на распределения температур и результирующих тепловых потоков в рабочем пространстве печи, а также характер внутренних процессов (выход целевого продукта, интенсивность коксоотложения и т.д.).
Расчетным путем впервые получены достоверные эгаоры тепло-напряжений на поверхности грунта в зоне действия промышленных факельных установок различных типов, а также их систем.
Практическая ценность. Разработанные методики и алгоритмы позволяют проводить полный комплексный анализ процессов теплообмена в трубчатых печах и открытых факельных системах.
Методика расчета сопряженного теплообмена в реакционных трубчатых печах позволяет непосредственно увязать параметры управления (расход топлива по рядам горелок и др.) с выходными параметрами печи (выход целевого продукта), что открывает возможность совершенствования теплового режима с целью повышения энерготехнологической эффективности, надежности и безопасности работы печи.
Проведенные исследования закономерностей внешнего и сопряженного теплообмена в промышленных трубчатых печах позволили дать ряд практически ценных рекомендаций по совершенствованию теплового режима.
Методика теплотехнического расчета факельных установок позволяет прогнозировать тепловые нагрузки в зоне действия открытых факелов и тем самым позволяет решить вопрос безопасного размещения факельной установки на промышленной площадке относительно технологического оборудования, зданий и соорумений.
На основе разработанных методик и алгоритмов создан ППП для IBM совместимых ПК, который может использоваться в отраслевой САПР объектов газовой и нефтехимической промышленности. ППП передан и используется институтами ВНИШНефть, ВНИИНефтемаш (г.Моск-ва) и ВНйШГаздобыча (г.Саратов).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных, российских и межвузовских научно-технических конференциях и симпозиумах, в числе которых: Второй Минский международный форум по тепломассообмену (Минск, 1992); Международное совещание-семинар "Тешюфизические проблемы промышленного производства" (Тамбов, 1992); Седьмая Всесоюзная конференция по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991); Первая Российская научная конференция по теплообмену (Москва, 1994); Первая научно-техническая конференция Технологического института СГТУ (Энгельс, 1996); научные конференции профессорско-преподавательского состава ТИ СГТУ (1990-1996 Г.Г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений блок-схем алгоритмов. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит
14 таблиц, 37 рисунков, список литературы включает 149 наименований.
