Изучение газодинамики в рабочем пространстве печи высокоточного нагрева при различном количестве загруженных заготовок
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
у, что печь оснащена скоростными рекуперативными горелками полного предварительного смешения.
К недостаткам печей высокоточного нагрева относятся: значительный расход топлива, наличие выбросов оксидов азота и диоксида углерода в атмосферу, большой угар металла. Решение данных проблем может быть найдено при помощи программно-вычислительного комплекса FLUENT. Компьютерное моделирование с использованием ПВК FLUENT позволит выбрать необходимые для обеспечения однородности температурного поля заготовок и минимализации энергетических затрат параметры конструкции и режима печи.
Т.к. в печи обрабатываются особо ответственные детали, то точные данные о температурных режимах и конструкции печи в данной работе не указаны.
Исходные данные:
Температура продуктов сгорания на входе - 1273К;
Начальная температура заготовки - 293К;
Температура наружной поверхности кладки - 300К;
Время нагрева - 10 мин;
Материал заготовки - сталь среднеуглеродистая;
Материал кладки - шамот.
Сравниваются результаты моделирования при разном количестве загруженных заготовок в печи:
одна заготовка с размерами 0,25х0,25х4 м;
две заготовки с размерами 0,176х0,176х4 м;
четыре заготовки с размерами 0,125х0,125х4 м.
Заготовки располагаются на расстоянии 15мм от пода печи, расстояние между заготовками равно толщине. Масса садки одинаковая.
Из горелки в рабочее пространство поступают продуты сгорания заданного состава: 13 % СО2 и 11% Н2О. Массовый расход равен 0,30308 кг/с.
Газовая смесь рассматривается как идеальный газ, но принято допущение, что зависимость теплофизических параметров от температуры имеет кусочно-линейный вид.
Геометрия печи для разного количества заготовок представлена на рисунках 3-8.
Горелка имеет следующие размеры:
диаметр входного отверстия 120 мм;
наружный диаметр 500 мм;
внутренний диаметр выходного отверстия 470 мм.
2.1.1 Геометрия системы для трех вариантов загрузки печи
Рисунок 3 - Геометрия печи с одной заготовкой
Рисунок 4 - Объемная геометрия печи с одной заготовкой
Рисунок 5 - Геометрия печи с двумя заготовками
Рисунок 6 - Объемная геометрия печи с двумя заготовками
Рисунок 7 - Геометрия печи с четырьмя заготовками
Рисунок 8 - Объемная геометрия печи с четырьмя заготовками
2.1.2 Зависимости теплофизических характеристик от температуры
Зависимости теплофизических характеристик продуктов сгорания от температуры представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Зависимости теплофизических характеристик продуктов сгорания от температуры
Температура Т, КТеплоемкость Ср, кДж/(м3К)Плотность
?, кг/м3Теплопровод-
ность ?, Вт/(мК)Динамич. коэфф. вязкости ?, кг/(мс)2731,0491, 2952,2610-21,5810-55731, 0780, 6174,8510-22,8310-59731, 1270, 3638,2910-24,0710-512731, 1560, 27510,0910-24,7910-5
Изменение теплофизических свойств стали и огнеупорного материала (шамот) также имеют кусочно-линейный вид. Зависимости теплофизических характеристик шамота и стали от температуры представлены в таблицах 4, 5.
Таблица 4 - Зависимости теплофизических характеристик шамота от температуры.
Температура, СТеплоемкость Ср, Дж/(кгК)Теплопроводность ?, Вт/(мК)08650,7150011801,66
Зависимость теплоемкости и теплопроводности огнеупорных материалов от температуры в действительности имеют линейный вид, и для их описания достаточно двух значений.
Таблица 5 - Зависимости теплофизических характеристик стали от температуры
Температура Т, КТеплоемкость Ср, Дж/(кгК)Теплопроводность ?, Вт/(мК)27348651,937348651,147350248,557351944,467354042,777356139,387359035,697362831,9107370325,9117370326,4127369527,7
2.3 Математическая постановка задачи
Рассматриваемая задача описывается уравнением энергии для продуктов сгорания, уравнением теплопроводности в области заготовки и слое футеровки, уравнением Навье-Стокса для трех координат, уравнением неразрывности. Описываемая система уравнений дополнена уравнениями переноса субстанции для кинетической энергии турбулентности k и скорости ее диссипации ? (эпсилон), поскольку используется стандартная k-? модель турбулентности.
Уравнение неразрывности:
(8)
Уравнения Навье-Стокса:
(9)
Уравнение энергии:
(10)
где - эффективный коэффициент температуропроводности (с учетом турбулентного переноса)
Уравнение переноса субстанции для кинетической энергии турбулентности k и скорости ее диссипации ? через объемные плотности:
(11)
(12)
(13)
(14)
где - слагаемое, описывающее генерацию кинетической энергии турбулентности, - слагаемое, описывающее генерацию турбулентности за счет плавучести.
(15)
где - величина, характеризующая затухание деформации (растяжения/сжатия), - турбулентное число Маха.
(16)
Константы:
Уравнение переноса излучения для Р-1 модели:
(17)
где - коэффициент поглощения среды, - постоянная Стефана-Больцмана, G - падающее излучение.
3 Результаты расчета
.1 Распределение температурного поля в различных сечениях рабочего пространства печи для трех вариантов загрузки
Рисунок 9 - Температурное поле в рабочем пространстве печи в поперечном сечении в плоскости горелки для одной заготовки
Рисунок 10 - Температурное поле в рабочем простран