автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Математическое моделирование радиационного и комбинированного теплообмена в задачах расчета и оптимизации теплотехнологических установок

Р Г Б ОД

1 3 ш 1836

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Валерий Алексеевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО И КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ЗАДАЧАХ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЛ УСТАНОВОК

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стенали доктора технических наух

(р4

Саратов - 1М6

Работа выполнена в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Седёлкин В.М.

доктор технических наук, профессор Арутюнов В. А.

доктор технических наук, профессор Гоман В.Г.

Ведущая организация - СКБ АО "БЕЛЭНЕРГОМАШ"

Защита состоится " 27 " Ы(ОНА_1996 г.

в " " часов на заседании диссертационного совета Д.063.58.02 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ, ауд. ¿4ба

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного технического университета

. 2 ..

Автореферат разослан " ** "__МОЯ_____1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного сонета ^

кандидат технических наук, доненг '•ЛАРИН К. А.

Ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Низкие коэффициенты полезного топлшоисполь-зоваяия и значительные объемы экологически вредных выбросов в производстве строительных материалов, металлурга и химической промышленности обусловливают необходимость совершенствования тевлотехяологических процессов з промышленных печах, котла!-утилизаторах, энерготехнологнческщ г.отлас я других теплотнхнолоппескш. установка!. Эта важнейшая инженерная задача может быть решена лишь при наличии расчетных методов, позволяющих с яомохцью электронных витаслшелышх маши ¡ЭВМ), математического моделирования и вычислительного эгстеримента надежно прогноз^озать параметры газодинамических и тенломгссообменных процессов, составляющих в своей совокупности режимы тепловой работы теплотехнолошческнх установок.

Научная проблема, решеквая в диссертации, возникла из-за отсутствия в настоящее время достаточно точных методов математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена, пригодпцг для решения ш -женерных задач расчета и оптимизации теплотехнологических установок. Полуэ.чгшртоские и дифференциальные методы расчета радиационного теп -лообмена не обеспечивают необходимой точности расчетных результатов, в то время как зональные методы математического моделирования радиационного теплообмена, являшцкся численной реализацией на ЭВМ алгортмов решения интегральных уравнений переноса излучения, ваходят лишь ограниченное применение в инженерной праггаке из-за чрезмерно большого объема вычислений и плохой методической совместимости с алгоритмами численного решения дифференциальных уравнений движения газов и конвективного паре-коса теплоты.

Работа выполнялась в 1982-1984 годах в рамках задания 02.04.01.02 Минстройматериалов СССР ив 1993-1994 годах в соответствии единым заказ-нарядом Госкомитета РФ по высшему образованию по теме 1,11.93 БелПАСМ. В1990-1991 годах выполнялись заказы ПО "Белэнергомаш" и НПО Цевтроэнергоцветмет по разработке методов расчета радиационного теплообмена в котлах - утилизаторах сернокислотных и медеплавильных производств.

Цель работы заключается в создании и научном обосновании достаточно., точных аналитических и численны* методов математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена для решения инженерных задач расчета и оптимизации тепловой работы теплотехнслоппесхих установок с учетом веизотермтности газообразной среды, турбулентного движения газов и горения топлива.

рованиа радиационного и комбинированного теплообмена в теплотехнологаче -ских установках на основе нового научного подхода, использующего принцип суперпозиции излучения неограниченной неизотермической среды и дополнительного излучения границ.

Впервые найдено разложение интенсивности излучения в неограничелиой среде в ряд, что позволило выполнить его почленное интегрирование по телесному углу и впервые получить точные дифференциальные выражения для потока излучения в форме ряда, Уточнено дифф еренциальное уравнение переноса излучения и сформулированы более точные граничные условия, учитывающие анизотропность излучения. Составлены интегральные выражения для дополни -тельного излучения границ. В итоге создав новый расчетный метод совместных потоков излучения. На его основе выполнен вывод новых расчетных формул для степени черноты пеизотермической среды и впервые получены расчетные уравнения радиационного теплообмена для неизслермической селективной среды в приближении антисерого спектра.

Впервые разработана приближенная аналитическая теория прямоточного диффузионного факела, включающая расчетные уравнения для количества транспортируемого воздуха, массового расхода и концентрации несгоревшего топлива, длины факела и Конфигурации зоны горения, а также температуры газообразной среды в различных поперечных сечениях факела. Составлен алгоритм математического моделирования параметров, температуры и теплоотдачи диффузионного факела, уч>ггывающий неизотермичвость струйного течения.

Разработан новый алгоритм численного решения дифференциальных урав -нений ышжения вязкой среды, обеспечивающш"! безусловную угтсч'гчтосгь вычислительной схемы, Уточнены закономерности турбулентного переноса им -

Разработаны новые методы математического модели-

пульса и теплоты з пристенной области и найдены обобщающие полуэмпирические зависимости для турбулентной вязкости и турбулентного числа Прандт-ля. Ра'¡работал новый численный метод математического моделирования радиационного и комбинированного теплообмена в теплотехпологических установках, сочетающий относительную простоту алгоритмов численного интегр]гро-вания дифференциальных уравнений и точность, свойственную решениям интегральных уравнений переноса излучения.

Совокупность теоретических положений, разработанных в диссертации, может рассматриваться как новое достижение в развитии методов математи -веского моделирования радиационного и комбинированного теплообмена »инженерных задачах расчета и оптимизации теплотехнологических установок, Д.Ш2Р_заШаиаз2:

1) новый научный подход к расчету потоков теплового излучеши как суперпоз)щии излучения неограниченной среды и дополнительного излучения, возникающего на границах рабочего объема теплотехнолошческих устройств;

2) способ разложенш в ряд интенсивности излучения в неогранзгченпой поглощающей или ослабляющей среде и дифференциальные выражения в форме ряда для плотности потока излучения и лучистой температуры;

3) новый расчетный метод совместных потоков излучепия, уточненные дифференциальные уравнения переноса излучения в неограниченной среде, граничные условия и интегральные выражения для допашшелыюго излучения границ;

4) аналтичесюш метод математического моделирования одномерных задач радиационного теплообмена в приближении аатисерото спектра применительно к теплотехнологическим установкам, включая расчетные формулы для степени черноты иеизотермической селективной и запыленной газообразной среды;

5) аналитическую теорию прямоточного диффузионного факела, включая уравнения для расчета длшш и конфнгурац1ш факела, массовых расходов вовлеченного воздуха и несгоревшего топлива, а также сродней энтальпии и температуры ср»>ды в поперечных сечениях диффузионного факела;

Г)) алгоритм математического моделирования параметров и радиационной теплоотдачи диффузионного факела, \41ггыв.!югшш тчпотермичность |'Р"ди:

7) аналитический метод математического моделирования смешения кисло-родовоздужных струн с отходящими газами вромъшлегшых печей при долез-г алии горючего технологического увоса;

8) алгоритм PRIM численного решетя дифференциальных уравнений движения вязкой среды;

9) уточненные пелуэмпирнчеекке зависимости для турбулентной вязкости и турбулентного часы Прандтля в пристенном вязком и переходном подслое;

10) численный метод SMART математическою моделнровазпк радиационного и комбгашрозазпзог о теплообмена в теплотехиологаческих установках.

моделирования радиационного и комбинированного теплообмена создают усло-

для перехода от недостаточно точных полуэмпириеских тепловых расчетов к комплексному математическому иоделирезазото теплозой работы тепло-7охиолегичеетк установок, Азалзгшческззе методы математического модели-роагяия радиационного теплообмена пригодны для предварительного отбора рациональных вариантов конструктивных схем и тепловых реттоз работы т~х установок,

Прикладные возможности разработанных расчетных методов использованы в диссертации для определажш условий оптимизации тепловой работы энерго-тсхпологических котлов з: ззромымлеззных пзчей, теплотехиологнческих условий повышеиш стойкости футеровки вращающихся печей ярз: обжиге цементного клшкера и расчетного обосновазпю эффегсг.сшого способа дожигания в кисло-родовоздушпш: струях горючего уяоса за печью автогенной шавки медных концентратов.

чета 31 математического моделирования радиационного н комбинированного теплообмена применяются конструхторехзмз 3¡ проектными оргазшзациями при создании нового теплотехнологическото оборудования. Специальное коисгрук-торское бюро АО "Белгородский завод энергетического машшосгроения", Объединенный инженерный коллектзш "ЭНЭК" АПО Центроэнергоцветмет и другие проектные организации выполняют тепловые расчеты эиерготехноло-пгчешзх паровых котлов и котлов - утилизаторов и определяют проектные ус ~ лоею дожит алии горючего уноса печей в кислородовозлушных струях в ради -

.. Новые методы расчета и математического

Разработанные шткенерныа методы рас -

ациоянон камере котлов - утилизаторов с помощью программ на ЭВМ, реализующих расчетные методы, разработанные в диссертащм, Институт Юж-гшроцемент применяет метод математического моделирования параметров и теплоотдачи диффузионного фахела при создании горелочных устройств для цементных вращающихся печей. Основные теоретические положения и алгоритмы новых расчетных методов изложены в учебных пособиях и применяются в учебном процессе по специальности 10.08 "Энергетиха теплотехнолмтш" в БелГТАСМ.

С помощью разработанных методов расчета радиационного теплообмена обоснована оптимальная конструкция энерготехнологических паровых котлов для сернохислотных систем, защищенная авторским свидетельством и патентом. Экономический эффект до 1992 года составил свыше 1 млн. рублей.

Апробашя работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 2-м Минском международном форуме по тепломассообмену (1992 г.), на 14 международных, всесоюзных и всероссийски» и двух региональных научных конференциях, тажих как "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" (Харьков, 1985), "Влияние минеральной части энергетических тонлив на условия работы паровых ксгтлов" (Таллин, 1986), "Радиационный теплообмен в технике и технологии" (Каунас, 1987), "Проблемы энергетики теплстехнолопЕ!" Москва, 195)7), "Современное состояние, проблемы и персяехтизы энергетики 1 технологии в энергосгроекш" (Иваново,' 1989), "Теория и практика хотя -иексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании >ргантесхих топлиз в энергетике и промышленности" (Ташкент, 1891У, Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнолопм" (Москва, 991), "Ресурсосберегающие техййла'ий строительных материалов, изделий и инструкций" (Белгород, 1993), "Математические методы в химии и химической ехнологии" (Тверь, 1995). Б Программу 3-го Минского международного ¡■•орума по тепломассообмену (май 1996 г.) включен доклад по теме дис-ертацш!.

Публикации. По материала^ дзйсертаций опубликовано свыше 40 работ, в ом числе семь научных сЫеЯ й Нейтральных и академических журналах.

Об^ем и структура работы. Материал диссертации изложен на 198 страни-, цах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содерзшг 27 рисунков и две таблицы. Библиография имеет 256 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В цервой тлаве выполнен аиалигичесый обзор теории радиационного и комбинированного теплообмена, приведены основные теоретические и расчет -вые уравнения и определены направление и задачи научных исследовании.

Перенос энерпи теплового излучения в ослабляющей среде описывается интегральными и дифференциальными уравнениями, выражающими закон сохранения энергии. Итегро-дифференциальное уравнение переноса энергии излучения в ослабляющей среде по направлению луча представлено для гапег -ральното по спектру излучения в компактной форме:

Ц = ар10-Щ+ррг1, (1)

где I/ - интенсивность интегрального излучения по направлению луча I , 1С - интенсивность равновесного интегрального излучения при локальной температуре среды, I - осредншшая но сферическому телесному углу

интенсивность падающего интегрального излучения, <Хр - планковский сред -ний коэффициент поглощения энергии черного излучения, к - коэффициент ослабления, равный сумма . коэффициентов поглощения а и рассеяния р интегрального излучения, р^ - плотность вероятности рассеянна падающего интегральною излучения по направлению I .

Интенсивность равновесного излучения связана с термодинамической температурой среды Т законом Стефана - Больцмана, а средняя ио телесному углу интенсивность падаюшего интегрального излучения аналогичным выра жением с лучистой температурой Тл :

/ = -Г1 1= -74 П)

. 'о %1 ' 1 к ' Ы

где <Т - постоянная Стефана - Больцмана.

Закон сохранения энергии излучения по всем направлениям в пределах сферического телесного угла выражается дифференциальным уравнением

Уравнение (3), наряду с искомой лучистой температурой Тд, содержит под символом дивергенции неизвестный вектор плотя ости потока результирующего излучения Чл , величина и направление которого зависят от неизвестного распределения интенсивности интегрального излучения по телесному углу. Необходимость интегрирования интенсивности излучения по телесному углу вносит значительные трудности в математическое моделирование радиацноя -ного теплообмена.

Показано, что при решении иаженериых задач расчета и оптимизации тепловой работы теплотехяологических установок приходится рглсматрлвиъ не только проблемы радиационного теплообмена, но и широкий круг вопросов, связанных с алгоритмами численного интегрирования дифференциальных уравнений движения и кошзектизпого теплообмена, полуэмнирнчесхими пшоте -зами турбулентности и тепломассопереносом яри горении топлива.

В1даа_Ш1Щ содержит теоретическое обоснование нового научного подхода к математическому моделированию радиационного теплообмена и нового расчетного метода совместных потохов излучения, использующих принцип суперпозиции излучения неограниченной среды и дополнительного излучения границ. Показано, что интенсивность излучения в неограниченной среде можно представить в форме ряда, допускающего почленшо. интегрирование по телесному углу. В итоге получены уточнённые дифференциальные выражения для вектора плотности потока результирующего излучения в неограниченной среде. Применительно к трехмерному температурному полю в ослабляющей неограниченной среде справедлива следующая градиентная зависимость:

(3)

дгас! т£0 + ~\аТ£0 - арГ4|

(4)

где к - эффективный коэффициент ослабления:

. к = а+Ра,

а — дсмя анергии луча, рассеиваемая изотропно, согласно транспортному приближению.

Введено понятие дополнительного излучения границ, интенсивность которого определена как разность штенсивностей эффективного излучения стенки и излучения гипотетической бесконечной среди- отсекаемой поверхностью стенки:

д/;р=/эф-/;р. (5)

Получено приближенное распределение по телесному углу интенсивности излучения гипотетической бесконечной среды на границе расчетного объема, необходимое для расчета дополнительного излучения границ с учетом анизотропности излучения неизотермической среды, при следующих граничных условиях на поверхности стенки, заданных ее температурой Т^:

а^0.гр=арТ^. (6)

Интенсивность дополнительного излучения границы во внутренних точках расчетной области определяется с учетом его поглощения по длине луча:

М( = Л//р • ехр(-а^) . I?)

Система уточненных дифференциальных уравнений переноса излучения неограниченной среды и рассеянного дополнительного излучения границ в сочетании с интегральными соотношениями для ослабленного дополнительного излучения границ составляет основу нового расчетного метода совместных потоков излучения, реализующего принцип суперпозиции излучения неограниченной среды и дополнительного излучения границ.

Оценка точности, выполненная на примере эталонной задачи ради.щионно-кондухтивного теплообмена в плоском слое серой поглощающей среды, показала, что отличие расчетных величин по методу совместных потохов излучения от соответствующих результатов интегрального метода имеет случайный характер. обусловленный погрешностям» чиглевиото решетя задачи, близкий к нормальному распределению веронтносш. Систематическая погрешность рас-Ч'пною мгп\\а прлктичютн итгутггвуит.

В третьей главе обоснован приближенный аналитический метод математического моделирования радиационного теплообмена в теплотехяалогических установках, учитывающий неизотермичность, селекпиность и запыленность газообразной среды, Показана возможность его применения в задачах оптимизации промышленных печей, эиерготехнологических котлов и котлов-утилизаторов.

Температурное поле и потоки результирующего излучения в плоском слое и цилиндрическом объеме серой среды определены путем приближенного аналитического решения дифференциального уравнения переноса излучения (3), представленного в форме ряда при различных вариантах распределения внут -ренних источников теплоты. Получены зависимости (рис.1), показывающие, что при возрастании оптичесхой толщины аЬ в плоском слое или аИ в цилиндрическом объеме степень черноты неизотермической поглощающей среды в области малых оптических толщин возрастает, проходит через максимум и затем в области больших оптических толщин снижается, что отражает эффект экранирования излучения неизстермичесхой среды ее более холодными при-тенными слоями.

1

08 08 О?

о.в

0.3 04 03 02 0.1 о

(г

в 10 ай.аЯ

а

2

4

6

Рис. 1. Зависимость степени черноты нензотермической поглощающей среды от ее оптической толщины аЬ в плоском слов (1,3, 4) и оЛ в цилиндрическом объеме (2) при различном распределении внутренних источников теплоты: 1,2- равномерном, 3 - параболическом, 4 - косинусоидальяом

Предложена усредненная расчетная формула для степени черноты неизотермической среды от эффективной толщины излучающего слоя 5 :

ег = 1/(о,5+1Д/а5+0Даз). (8)

Получено расчетное уравнение для плотности потока результирующего га -лучения на поверхности стенки для селективной газообразной среды:

<7"= елр°

1 '

П «СТ

ос ' аст

(э)

где (Г) - средняя температура среды, индекс "сг" обозначает величины при температуре стенки и еЛр - приведенная степень черноты:

Елр ~ 1I

Соотношение коэффициентов поглощения Ор/а имеет физический смысл отношения энергии излучения селективной среды, переносимой в пределах полос поглощения, к энергии равновесного излучения, максимально возможной при данной температуре. Отсюда следует целесообразность рассмотрения селективного излучения в рамках модели антисерого спектра, составленного ю полос с прямоугольными контурами, в пределах которых полностью поглощается падающее излучение. Остальная часть антисерого спектра, энергетическая

доля которой в равновесном излучешш равна (1 -<Хр¡0.\, считаепгся полностью лучепрозрачной.

Степень черноты селективных нышпермических газов определяется по формуле. (8), как и в случае серой среди, однако при качественно ином ее содержании, предполагающем вычисление коэффициента поглощения ос' по спектральному составу собственного излучения селективной среды. Рассмотрен один из возможных способов расчета коэффициентов поглощения собственного излучения и средних иланконских ки'нрфнциинтоп трихагомных газон.

Зависимость от оптической толщины степени черноты селективных газов, помноженной (скорректированной) на соотношение коэффициентов поглощения Ор/а , также является экстремальной, но максимум степени черноты в этом случае достигается при сравнительно небольших геометрических толщинах слоя среды (рис. 2). Несмотря на принципиальные различия расчетных методов, значения степени черноты неизотермических и изотермических газов в области малых оптических толщин практически совпадают. В области больших оптических толщин степень черноты неизотермических газов значительно ниже чем изотермических.

В этих условиях получение достоверных расчетных результатов по применяющимся в настоящее время уравнениям полуэмпирических методов воз -можно лишь с помощью эмпирических поправочных множителей. Например, нормативный метод теплового расчета котельных агрегатов при расчете сте -пени черноты в топках паровых котлов по формулам для условно изотермических газов рекомендует в случае сжигания газообразного топлива вводить поправочный множитель 0,65.

0.4

03

0.2

0.1 о

О 2 4 в 8 10

>1, х

Рис. 2. Скорректированная приведенная степень черноты газов среднего состава в квадратном газоходе в зависимости от его поперечного размера Ь: 1 - для неиэотермичесхих газов; 1 - для изотермических газов

Аналитический метод математического моделирования радиационного теп лообмена может быть распространен на запыленную газообразную среду, есл в уравнения (8) - (10) ввести усредненные коэффициенты поглощения и ослабления, учитывающие взаимное поглощение и ослабление излучения разнол спектрального состава компонентами запыленной ослабляющей среды (трехтомными тазами и пылевыми частицами).

На рис.3 сопоставлены расчетные значения степени черноты запыленные пеизотермических газов в полосах поглощения антисерого спектра при сжигании эхибастузского угля в топке хотлоагрегата с результатами опубликовании] эксплуатационных измерений (Алияров Б.К. и др.). Кривая 1, учишвающа5 неизогермичность запыленных газов, лежит значительно ниже кривой 2, построенной для изотермических запыленных газов, в области ках малых, тах 1 больших заныленностей, что соответствует большим расчетным значения* оптической толщины. При умеренной запыленности преобладает перенос излучения в оптически тонких промежутках между полосами поглощения газов,) результате чего значения степени черноты неизотермической н изотермической запыленной среды сближаются. 1

08 0.3 0.7 0.6 05 04 03 02 01 о

О 10 20 30 40 60

Рис, 3. Зависимость степени черноты запыленных газов от концентравдш золы в топке котлоагрегата: 1 - для неимтермичоских газов; 2 - для изотермических тазов; 3 - результаты измерений стппвни черноты тазов

Таим образом, математическое моделирование радиационного теплообмена 1а основе метода совместных потоков излучения приводит к аналитическим »асчетным уравнениям, позволяющим учитывать применительно к теплстехио-©гаческим установкам неизотермичность, селективность и запыленность газов фактически без введения в расчетные методики эмпирических поправочных оэффициентов.

Аналитический метод математического моделирования радиационного теп -ообмена применен в задачах расчета и оптимизации промышленных печей и отлов-утилизаторов. Ддя промышленной печи получены расчетные уравнения приближении одномерного несимметричного температурного поля, учитыва-яцие неравенство температуры футеровки и технологического материала и озникающий вследствие этого поток результирующего излучения от футе-овки к материалу в прозрачной части гвтисерого спектра.

Результаты математическою моделирования радиационного теплообмена ра сжигании в печи природного газа, представленные на рис. 4, показывают, го ноток результирующего излучения к технологическому материалу в рас-зтных условиях достигает максимума при толщине плоского слоя неизотер-ичесхон селективной газообразной среды около 5 м, причем излучение футе-)вки вносит значительный вклад в общий тепловой поток, превышающий 40 %.

Рис. 4. Плотность потока результирующего излучения к технологическому материалу в зависимости сгг толщины плоского слоя газообразной среды: 1 - от газов; 2 - от футеровки

Учитывая пологий характер кривых в области экстремумов, наличие допол -нителышх тепловых потерь через боковые поверхности печи и характер из -менения температуры футеровки в зависимости от толщины излучающего слоя незапыленных газов, можно сделать вывод о целесообразности выполнения рабочего пространства в промышленных печах, отапливаемых газообразным топливом, высотой не более 2,5 ... 3 м.

Особенности радиационного теплообмена в неизотермических газах при -нимались во внимание при разработке ширмовой конструкции радиационной части газоплотных энерготехнологических котлов, предназначенных для сжигания серы и охлаждения сернистых газов под давлением до 0,14 МПа в сернокислотном производстве. Оказалось, что учет неизотермичности диоксида серы не только устраняет возможные погрешности, но и создает принципиальную возможность оптимизации радиационного теплообмена, так как при диаметре энерготехнологических котлов 2,75 м и более расчетная зависимость степени черноты неизотермических сернистых газов от их оптической толщины является весьма пологой. В результате технике-экономических обоснований различных конструктивных схем в энерготехнологических котлах, изготовляемых АО "БЕЛЭНЕРГОМАШ", предусмотрена установка ширм, конструкция которых разработана с участием автора и признана изобретением.

Аналитический метод математического моделирования радиационного теп -лообмена применен для расчета и выбора рациональных конструктивных схем котлов - утилизаторов сернокислотного производства за печами обжига серного колчедана в "кипящем" слое, характерной особенностью которых является вы -сокая запыленность газов, составляющая на 1 м^ (при нормальных условиях) 300 г при воздушном дутье и 520 г при кислородовоздушном дутье, и котла -утилизатора туннельного типа за печью автогенной кислородной плавки медных концентратов, отходящие запыленные газы которой характеризуются повышенным содержанием трехатомных газов (до 73 %). Сделан вывод, что в первом случае целесообразно разделение газового тракта котла - утилизатора на два газохода с усилением радиационной теплоотдачи газов » поддержанием скоро гти тдчов на уровне. гЛисисчивлющем елмообдувку поверхностей нагрева. Во «тором случае дли досшжсния оптимальных параметров конструктивной схемы 1р|-Г,уртги уп"личип, расстояния между ширмппнми поверхностями нагрева.

В четвертой главе разработан приближенный аналитический метод математического моделирования горения в прямоточном диффузионном факеле и радиационного теплообмена в вращающихся печах, так как радиационный теплообмен в промышленных печах и топках зависит от температуры газообразной среды в рабочем объеме, которая, в свою очередь, заметно изменяется по длине диффузионного факела. В этом случае для корректного решения инженерных задач необходимо выполнять одновременно математическое моделирование радиационного теплообмена и горения топлива в диффузионном факеле.

В основу аналитической теории диффузионного факела положено решение дифференциального уравнения движения газообразной среды в свободной струе круглого поперечного сечения, полученное Шлиггингом. После установки начала осей X и Г цилиндрической системы координат в выходном сечении топливного сопла теоретические выражения для продольной скорости и в турбулентной струе и безразмерной радиальной координаты Т| принимают следующий вад:

и = ия/(1+п2)2 , (П)

т^7,9г/(х+х0), (13)

где Цд, - скорость на оси струи, и0 - средняя скорость истечения жидкости или газа плотностью р0 из выходного отверстие сопла диаметром <10 , р — плотность газообразной среды в расчетном поперечном сечении струи.

В свободной турбулентной струе рассматривается лишь основной участок, имеющий прямолинейные границы, пересекающиеся в полюсе струи на расстоянии Х0 от выходного отверстия ":опла.:

(14)

При этом выражение для расчетного радиуса струи имеет следующий вид:

Я=01211(х+хо). (15!

В теории диффузионного факела учтено также влияние спутного потока на параметры струйного течения, вызывающее, в частности, искривление границ турбулентной струи.

На основе уравнений (11)-(13), определяющих распределение скорости, получена формула для расчета массового расхода воздуха, вовлеченного в струнное течение:

Теоретическое уравнение (16) совпадает с точностью до 1 % с опубликованной экспериментальной. зависимостью, что подтверждает справедливость исходных теоретических положений.

Размеры диффузионного факела (рис. 5) можно определить теоретически с учотом стехиометрического соотношения воздуха и топлива Дв и диффузионного числа Шмидта Бс в том случае, когда свободная струя, образующаяся при истечении топлива из горелки, не соприкасается с ограждающими стенками до завершения горения и количество воздуха в пространстве, окружающем струю, не ограничено.

(16)

Р

Рис. 5. Структура диффузионного факела:

1 - внутренняя область; 2- внешняя область; 3 - фронт пламени; 4 - границы струи'

В этом случае получены расчетные формулы для длины диффузионного турбулентного факела,

/ф=х0[(лв+1)(25ст+1)-1[, (17)

и безразмерной радиальной координаты фронта пламени:

(¿ф+х0)Щ

Согласно (14) и (17), относительная длина диффузионного факела зависит от средней плотности газообразной среды в факеле р и, следовательно, в неявном виде от средней температуры факела. Снижение температуры среды приводит к некоторому уменьшению длины диффузионного факела при условии, что изменение при этом скорости химических реакций не влияет на интенсивность горения топлива. Хотя скорость истечения топлива в явном виде не входит в формулу (17), ее увеличение при сохранении постоянного расхода топлива приводит к уменьшению выходного диаметра горелки, вследстие чего диффу -знойный факел становится короче.

Исходя из подобия распределений в турбулентной струе продольной скорости и концентрации, получено расчетное уравнение для определения массового расхода несгоревшего топлива в поперечных сечениях свободного диффузионного факела:

Со "в*о

1 У*о 25ст+Г х+х0

25с_

+ 7

25ст+1

х+хп

-1

(19)

В промышленных печах диффузионный факел образуется в ограниченном пространство при ограниченном объеме воздуха, подаваемого на горение. Чтобы учесть реальные условия горения природного газа, ограниченный лиф у у " •|ци!шы11 флкел разделен на участки "захвата" и "догорания" топлива и чр<'л -

ложено приближенное расчетное уравнение для участка "догорания", в котором параметр Ш определен из условия плавного сопряжения расчетных кривых расхода топлива на первом и втором участках факела на расстоянии Хзах от горелки:

|г. = ^-ехр[-т(х-хзах)], ро)

Я2 =

1ЧХоС-

з ах

X +х

< I ■лзохтло

2!3с,

(21)

Здесь С'01 - массовый расход иесгоревшего топлива в конце участка

"захвата", ¿ф* - длина свободного диффузионного факела, вычисленная по

(17) при средней плотности газообразной среды на участке "захвата".

При известном массовом расходе несгоревшего топлива средняя энтальпия газов Нг в различных поперечных сечениях диффузионного факела может быть найдена по уравнению теплового баланса:

вд.=и0с0 + явсв + с„р(с0-ст) - опл, (22)

где в,- , вт - массовые расходы соогветсгнекнз газообразной среды и не -сгоревшего топлива через расчетное поперечное сечение факела; С0 и Св -массовые расходы топлива через горелку и воздуха, вовлеченного в движение струи на расчетном участке; Н0 , Нв - энтальшш топлива и воздуха, подана -

«мых на горение; - низшая теплота сгоранш топлива; 0ПЛ - результирующий тепловой поток через поверхность диффузионного факелл.

Средняя температура в расчетном поперечном сечении диффузионного фдкмлл определяется по известной энтальпии га:юв Нг , удслытй массовой

теплоемкости газообразной среды при постоянном давлении Ср и теплоте диссоциации трехатомных газов ДНдИС:

=(нг-АНдис)/сг . (23)

Алгорш-м расчета параметров диффузионного факела учитывает неизо-термичность турбулентной струи, факел разделен по длине на достаточно малые участки, в пределах которых температуру и плотность среды можно считать постоянными. Температура, состав и плотность газов на входе в очередной малый участск известны как параметры в предыдущем поперечном сечении, так что можно по формуле (16) получить массу воздуха, присоединенного к струе на очередном малом участке за единицу времени, определить полное количество воздуха, вовлеченного в диффузионный факел и, наконец, среднюю плотность среды на расчетном участке по формуле (16). Заданная точность результатов расчета температуры в каждом поперечном сечении диффузионного факела достигается посредством итераций, после чего выполняется расчет параметров диффузионного факела в следующем поперечном сечении.

Адекватность приближенного аналитического метода математического моделирования параметров диффузионного факела подтверждена сопоставлением расчетных результатов с экспериментальными данными, полученными при ис -питании газомазутной горелки на "огневом" стенде теплотехнической лабора -торией Южгипроцемента с участием автора. Экспериментальные данные, полученные при сжигании природного газа, сопоставлены на рис. 6 с результатами расчета диффузионного факела при исходных данных, соответствующих условиям постановки опытов на "огневом" стенде. Плотность потока собствен -него излучения факела найдена по формуле

Еф=гг^сТ4, |21|

где Гт - степень черноты нензотермичесхой газообразной среды, определи« -мач уравнением |(5), О.р - планкопский средний котффиниоит поглощения. а! - коэффициент поглощения селективными газами собственного излучения.

Еф, кВт/и2

200 160 160 МО 120 10Q 80 60 40 20 О

О 1.2 2.4 3.6 4.8 6

X, м

Рис, 6. Собственное излучение диффузионного факела на "огневом" стенде: 1 - экспериментальное; 2 - по аналитической математической модели

Теория диффузионного факела позволяет рассчитать среднюю температуру газообразной среды в его поперечных сечениях по длине вращающейся печи с учетом радиационного теплообмена между факелом, технологическим материалом и футеровкой, конвективной теплоотдачи сп футеровки к воздуху и дне -социации трехатомных газов при высоких температурах. Характерно, что тем -пературпые кривые имеют два максимума по длине факела. После достижения первого максимума средняя в поперечном сечении температура факела несколько снижается вследствие смешения продуктов горения с вовлекаемым в струйное движение воздухом. После того как весь воздух, подаваемый в печь, вовлечен в струю, происходит повторное повышение температуры факела при указанных выше исходных данных до 1750- 1850 °С в зависимости от скорости истеченга и условий воспламенения топлива. Аналогичным образом расположены экспериментальные точки на рис. 6, что свидегнлытвует о справедли -вости выполненного здесь расчетного анализа,

в в

у/^ в

2у

/ i Ч

Таим образом, приближенная теория турбулентного факела дает возможность построить достаточно надежный и адекватный метод математического моделирования температуры газов и радиационной теплоотдачи во вращающихся печах. С помощью этого метода выполнено расчетное исследование теплотехнологических условий образования защитного гарнисажного слоя с целью повышения срока службы футеровки вращающихся печей в производстве цементного клинкера.

При этом скорректировано нынешнее представление о процессе образования гарнисажного слоя введением предположения о том, что поверхностный слой клинкерной обмазки нагретый газами свыше 1450-1500 °С и имеющий малую вязкость, "сдирается" твердым технологическим материалом или вытес -няется более вязким технологическим расплавом, покрывающим клинкерные гранулы и, возможно, заполняющим пространство между ними. В "результате на участке, занятом технологическим материалом, в слое тарнисажа сохраняется направление теплового потока к внешней поверхности футеровки, и замещающий слой клинкерного расплава постепенно охлаждается ниже температуры технологического материала, которую при обжиге цементного клинкера принимают обычно равной 1450 °С. Условием сохранения устойчивой клинкерной обмазки в данном случае является образование в период нахождения футеров -ки под технологическим материалом гарнисажного слоя, толщина которого обеспечивает восстановление исходной клинкерной обмазки. Решающими факторами в этом процессе являются состав и физико-химические свойства клинкерного расплава. Не мепее важным фактором, при прочих равных условиях, следует считать и температурный режим охлаждения клинкерного рас -плава под слоем технологического материала.

Математическое моделирование показывает, что при разной температуре газов в печи равновесие между уменьшением и нарастанием слоя гарнисажа в' течение одного оборота вращающейся печи устанавливается при различных толщинах слоя клинкерной обмазки на внутренней поверхности футеровки. Согласно результатам математического моделирования, в печи с диаметром корпуса 5 м и толщиной хромомагнезитовой футеровки 230 мм, вращающейся с частотой 1 оборот в минуту, одинаковый перепад температуры 0,5 К/мм на внутренней поверхности стенки в момент ее выхода из - под технологического

материала достигается при расчетной толщине слоя клинкерной обмазки 200, 70. или 20 мм для значений температуры газов 1600, 1700 и 1800 °С соответственно.

Кроме того, с помощью математического моделирования установлено, что при охлаждении внешней поверхности вращающейся печи излучением и есте -ственной конвекцией атмосферного воздуха температура корпуса печи прах -тически однозначно связана с эквивалентной толщиной клинкерной обмазки и практически не зависит от расчетной температуры газов в печи. Таким образом, измеряя температуру корпуса, можно с достаточной точностью определять толщину защитного гарнисажного слоя на данном участке печи.

Эксплуатационный опыт показывает, что с увеличением диаметра и произ -водигельности вращающихся печей заметно сокращается срок службы футе -ровки, что можно объяснить чрезмерным повышением второго максимума температуры в диффузионном факеле. Технические мероприятия по повышен .но срока службы футеровки следуют из теории диффузионного факела и обоснованного здесь представления о механизме образования защитного слоя клинкерной обмазки. Прежде всего, в мощных цементных печах необходимо снизить скорость истечения природного газа из горелки с 250 - 300 м/с приблизительно до 100 м/с, что позволит удлинить диффузионный факел, повысить теплоотдачу ва участке "захвата" и обеспечить снижение температуры факела в области ее второго максимума. Представляется также целесообразным увеличить ¡время пребывания футеровки под технологическим материалом в зоне спекши, несколько понизив частоту вращения печи и поддерживая более толстым слой обжигаемого материала. Благоприятное воздействие на стойкость футеровки оказывает повышение температуры воздуха, подаваемого в печь на горение, если при этом удается соответственно уменьшить расход топлива. В этом случае температура факела в области ее второго максимума становится ниже, чпго и объясняет наблюдаемый эффект.

На основе теории диффузионного факела получены расчетные уравнения для определения оптимальных условий дожигания горючего технологического уноса промышленных печей в кислородовоздушных струях в радиационной камере котлов - утилизаторов. Предложен рациональный способ дожигания горючего уноса за печью автогенной плавки медных концентратов, реализующий

сему подачи кислородовоздушюй смеси под острым углом к вертикальной оси эдиационной камеры так, чтобы отходящие газы печи полностью вовлекались в зижение кислородовоздушшых струй, что является необходимым условием оследующего смешения горючих компонентов с окислителем.

Пятая глава посвящена развтггию численных методов математического мо-злирования комбинированного теплообмена. С этой целью обоснован новый \ropiiTM численного решения дифференциальных уравнений движения вязкой задкости и газа, уточнены полуэмпирические гипотезы пристенной турбу-энтности, разработан алгоритм численного математического моделирования адиационного теплообмена, реализующий расчетный метод совместных псгто-ов излучения. Приведен пример численного математического моделирования вижения газов и радиационно-конвективного теплообмена в экранированном иоходе котла-утилизатора за печью автогенной плавки медных концентратов.

Математическое моделирование радиационно-конвективного теплообмена теплотехнологичесхих установках включает в себя в качестве составной части ешенш дифференциальных уравнений неразрывности и Навъе - Стокса или ейнольдса. Так как применяемые в настоящее время методы численного ре -1ения дифференциальных уравнений движения вязкой среды не гарантируют ходимости итераций, особенно в случае применения крупных сеток, то раз-аботан более эффективный численный алгоритм PRIM (Pressure-Restrictive mplicit Method).

В отличие от применяемых до настоящего времени полунеявных вычисли-ельных методов типа SIMPLE, упрощенное выражение для поправки давления р' в расчетном узле сетки, введено непосредстенно в дискретные аналоги ифференциальных уравнений Навье - Стокса, что дало возможность все лены, содержащие искомые компоненты скорости, перенести в левую часть тих уравнений. В результате вычислжельная схема стала паи ¡остью неявной и ■риобрела свойство безусловной устойчивости. Компоненты скорости, вычис -яемыо но алгоритму PRIM, стремятся в процессе итераций удовлетворить >джпфеменно уравнениям Навье - Стокса и неразрывности.

В пристенной схЗ.гасти турбулентного потока обычно применяют гипотезы урбулеппи»"]!! Ван Дранста и Прандгля, которые плохо "стыкуются" друг с ipyi'iM. Потому путем дх>]м(х>тки по специальной методике на ЭВМ опуб-

линованных экспериментальных данных о распределении скорости вычислены значения пути смешения вблизи гладкой стенки. Как показано на рис. 7, при безразмерном расстоянии от стенки 20<у^.<40 происходит более быстрое, чем по экспоненте Ван Драйста, возрастание длины пути смоления до значений, соответствующих гипотезе Прандтля. Через точки на рис. 7 проведена кривая I, определяемая следующей эмпирической зависимостью при теоретически обоснованных значениях параметров К=041 и А = 30 :

= ку+{1-ехр[-у+/(^-0,25у2/л)]| . (25)

При у+<10 кривая 1 практически совпадает с кривой 2, построенной по экспоненте Вая Драйста, и при у4.=60 плавно переходит в прямую 3, представляющую гипотезу Прандтля.

Рис. 7. Безразмерная длина пути смешения вблизи гладкой стенки: 1 — по уравнению (25); 2 - гипотеза Прандтля; 3 - гипотеза Вая /файста; 4 - точки, рассчитанные по экспериментальным данным

Обоснование корректности и уточнение гипотез пристенной турбулентности, с помощью которых вычисляются скорость и турбулентная вязкость и оп -ределяются пристеночные функции, связывающие скорость и температуру среды на стенке и в ближайшем к границе узле сетки, является насущной задачей численных методов. Поэтому уравнение (25) распространено на турбулентное течение вязкой среды вблизи шероховатой поверхности.

Параметру А в (25) придан физический смысл суммарной толщины вязкого и переходного подслоев, образующих энергетически автономный пристенный слой жидкости. С увеличением безразмерной высоты выступов шероховатости толщина энергетически автономного пристенного слоя и, следовательно, величина параметра А уменьшаются вследствие дополнительной генерации энергии турбулентности на шероховатой стенке так, что параметр А становится равным нулю при величине безразмерной шероховатости = 60. Принятые допущения для турбулентпого течения у шероховатой стенки подтверждены сопоставлением с экспериментальными данными.

Так как в теплотехнологических установках теплоносителями обычно явля -ются газы или "малотеплопроводные" жидкости, для которых число Прапдтля больше единицы и при турбулентной теплоотдаче основное сопротивление переносу теплоты сосредоточено в тонком пристенном слое, то малейшая пе-. точность в описании механизма обмена в вязком или переходном подслое приводит к расхождению расчетного и экспериментального распределения темпе -ратуры. Поэтому потребовалось уточнить значения турбулентного числа Прав -дтля в пристенной части турбулентного потока путем обработки на ЭВМ опубликованных экспериментальных данных для теплоносителей с различными значениями молекулярного числа Праядтля: для воздуха (Рг и 0,7), воды (Рг и 5) и трансформаторного масла (Рги 50).

Рассчитанное здесь по экспериментальным значениям температуры турбулентное число Прандтля имеет в области 40 <у+< 100 значения, близкие к опубликованным: для воздуха Ргт = 0,83, для воды Ртт= 0,&4, для трансформаторного масла Ргт = 0,88. Таким образом, в области логарифмичнсхого закона стенки можно пр1шимать расчетное зпачене Р^ » 0,85.

В то же время результаты вычислений свидетельствуют о сложном немо нотонном характере изменения турбулентного числа Прандтля в вязхом и переходном подслоях. По мере приближения к стенке в переходном подслое наблюдается сначала некоторое уменьшение турбулентного числа Прандтля Ргт, затем быстрое возрастание, сменяющееся снова его снижением вблизи стенки в вязком подслое. В результате кривые приобретают экстремальный вид с максимумом, смещающимся в сторону стенки при увеличении молекулярного числа Прандтля Рг .

Теоретическое рассмотрение условий переноса теплоты позволяет обьяс -нить немонотонный характер изменения турбулентного числа Прандтля вблизи стенхи. ЛохальныЙ тепловой поток в турбулентном вихре, вызванный моле -кулярной теплопроводностью, пропорционален мгновенному температурному градиенту и, следовательно, должен достигать наибольшей величины в облагги мг/симальной интенсивности пульсаций температуры. К такому же выводу привч'ят теоретический анализ дифференциального уравнения переноса температурных пульсаций в пристенной области турбулентного течения и сопоставление с опубликованными экспериментальными данными, согласно которым положения максимумов пульсаций температуры в турбулентных потоках воздуха, воды и трансформаторного масла практически совпадают с рассчитанны ->ь \есь положениями максимумов турбулентного числа Прандтля.

С точки зрения математического моделирования радиационно-конвективного теплообмена, наиболее важна оценка физических свойств газообразной среды. Поэтому кривая, определяющая величину турбулентного числа Прандтля для воздуха, аппроксимирована уравнением, с помощью которого определена постоянная интегрирования в логарифмическом законе распределения безразмерной температуры вблизи стенки:

где рл , рф - плотность среды при температуре стенки и средняя плотность на участке интегрирования..

¿п^ + 9,7,

(26)

Численная реализация дифференциального метода совместных потоков излучения при математическом моделировании радиационного теплообмена тре- . бует определенного преобразования расчетной системы дифференциальных уравнений во избежание возможной несходимости итерационного процесса. Вычислительная схема станет устойчивой, если в дифференциальные уравнения вместо лучистой температуры ввести величину определяющей температуры ТЕ , учитывающей суммарное влияние термодинамической и лучистой температур на локальный поток результирующего излучения:

Г^Тл40 + ^-(аТл40-арГ4). (27,

В результате дифференциальное выражение (4) для вектора плотности потока результирующего излучения в ослабляющей среде примет вид

Чло-!^7^ <2В)

Подстановка (27) и (28) в дифференциальные уравнения переноса энергии приводит последние к форме, пригодной для численного решения задач ком -бинирсваяного теплообмена в ослабляющей среде с учетом лучистой температуры дополнительного излучения границ АТ^ :

дрс/

дх

+

с}ЦрУСрТ-Хдга<1Г) ■

12ка I

+ ——I

Зк+а

С1Ё

арГ4 -а- 4асЛТд = <?им , (29)

-и- <30)

ЗА+сг

где V - Ш'ктр скорости, ). - коэффициент теплопроводности среды, 0И1М тепле па. выделяющаяся в единице объема вследствие химических р»>.шщп1.

Граничные условия к уравнению (29) задаются значениями термодинамической температуры или тепловых потоков на поверхности стен, ограждающих расчетный объем, а граничные условия к уравнению (30) следуют из выраже -гош (6). Дня уравнений движения на поверхности стен используются условия "прилипания" газообразной среды и постоянства давления по нормали к стеяко.

Лучистая. температура дополнительного излучения границ определяется суммированием по сферическому телесному углу Ю дополнительного излучения (7), поступающего в расчетную точку от всех поверхностей, ограждающих расчетный объем:

Для интенсивности анизотропного дополнительного излучения на поверхности . стьчки при граничных условиях (6) получена расчетная формула:

где Ядф — поверхностная плотность эффективного излучения стенки, -

важность потока результирующего излучения неограниченной среды на по-ей]. тости стенки, <р - угол между направлением луча и нормалью к стенке. После выподненяых преобразований расчетных уравнений численный метод

название SMART (Superposition Method Applied to Radiative Transfer), становится почти столь же простым, как и метод диффузионного приближения. В го же время точность вычисления тепловых потоков и температурного поля возрастает на порядок.

Приведен пример численного математического моделирования движения газов и радиацнонно-конвективного теплообмена в экранированном горизонтальном газоходе котла-утилизатора за печью автогенной плавки медных концентратов, подтверждающий целесообразность математического моделирования в задачах оптимизации конструктивных схем теплотехнологических установок.

(31)

(32)

математического моделирования комбинированного теплообмена, получивший

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработал новый метод совместных потоков излучения для расчета ра-иационного теплообмена в теплотехнолотических установках. Использование ринцина суперпозиции излучения неограниченной среды и дополнительного ¡злучения границ позволило получить уточненные градиентные зависимости 1ежду плотностью потока результирующего излучения, лучистой и термодша-¡теской температурами в неограниченной среде, уточнить дифференциальное -равнение переноса излучения и сформулировать граничные условия, для не-потропного излучения. Для дополнительного излучения границ предложены отегральные расчетные выражения.

1. Разработан приближенный аналитический метод математического моде-шрования радиационного теплообмена в теплстехнологических установках, годержащий новые расчетные уравнения для потока результирующего нз-\учен1и ч степени черноты ограниченных объемов неизотермическон селективной и запыленной газообразной среды в рамках приблнженш антисерого спектра, учитываюнрш эффект экран1фования излучения неизотермических газов их более холодными пристенными слоями в задачах расчета и оптими -зации теплотехнологических установок.

3. Создана аналитическая теория прямоточного диффузионного факела, со -держащая уравнения для расчета количества воздуха, вовлекаемого в струйное движение, массового расхода и концентрации несгоревшето топлива, длины факела и расположенш фронта пламени, а также средней энтальгош и тем -пературы газообразной среды в различных поперечных сечениях факела.

На основе аналитической теории разработаны методы матемапгоеского моделирования параметров диффузионного факела в вращающихся печах и смо -шения хислородовоздушных струй с отходящими газами промышленных печей при дожигатш горючего технологического уноса в котлах-утмпаторах, учитывающие влияние неизотермнчностн на горение и радиационную теплоотдачу факела.

4. Разработаны численные методы математического моделирования ком -бинировлнного теплообмена, содержащие новый алгоритм решения диффе-pelllllMAI.KIJX ypi.lllh'IIHH движения пятой среды PRIM по безусловно

устойчивой вычислительной схеме, уточненные полуэмаирические гипот пристенной турбулентности и алгоритм математического моделирова радиационно-- конвективного теплообмена SMART, реализующий расчет! метод совместных потоков излучения. С помощью численных алгоритмов PJ и SMART выполнено математическое моделирование движения газов радиационно—конвективного теплообмена в экранированном газоходе хотл утилизатора за печью автогенной плавки медных концентратов. Показ целесообразность математического моделирования в задачах расчета и опт кизации теплотехнологических установок.

5, Достоверность результатов проведенных, исследований обеспечена стр* тим теоретическим обоснованием расчетных уравнений, алгоритмов и метод Точность метода совместных потоков излучения подтверждена статзгстичео оценкой вероятности отклонения величины потоков результирующего излуче кия в эталонной задаче от результатов ее решения с помощью интегральн ypaivemoi переноса излучения,

В аналитическом методе математического моделирования расчетные зззг чеша степени черноты селекгизных газов сопоставлены с рекомендация: нормативного метода теплсосго расчета хотелкных агрегатов, а расчетные знг чения степени черноты запыленных газов с результатами ее измерений в топ ко"- ^агрегата. Достоверность аналитического метода математического модели poBt. ия радиационной теплоотдачи диффузионного факела подтверждена не пытаничми газомазуной горели: на "огневом" стенде.

6. Но ше аналитические методы математического моделирования радцаци онното теплообмена в теплеггехнологичеши установках не только устраняют основном недостаточную точность, свойствизтцуго пслужпиричесхим расчетнь методам, но и позволяют учитывать условия горения топлива в прямоточн< диффузионном факеле, что создает призпцшзтально новые возможности рас четного анализа тепловой работы вращающихся печей. Новые численные ме тоды и алгоритмы математического моделирования комбинированного тепло обмена в теплотехнологических установках устраняют проблемы, связанные чрезмерной трудоемкостью алгоритмов расчета радиационного теплообмет зональными методами и плохой их совместимостью с алгоритмами численно)

тпт дифференциальных уравнений газодинамики, горения, кондуктивного онвективного теплообмена.

7. Приведены примеры использования прикладных возможностей разрабо-ных методов математического моделировати радиационного и комбиниро-ного теплообмена для решения задач расчета и оптимизации теплотехноло-еских установок. С помощью аналитического метода математического (влировапиа выполнен расчетный анализ условий радиационного теплооб-1а в промышленной печи и котлах-утилизаторах с целью определения их имальных конструктивных схем и параметров. Обоснована целесообразность ановки в радиационной части энерготехнологических котлов для серпокис -ных систем ширмовых поверхностей нагрева.

Выполнен расчетный анализ теплотехналошческих условий образования икерной обмазки в вращающихся печах с привлечением аналитического года математического моделирования теплоотдачи диффузионного факела и эрмулированы рекомендации по корректировке теплового режима обжига 1ент1юго клинера с целью повышения стойкости футеровки. Предложен ра-шалчнын способ дожигания горючего уноса в радиационной камера котла-кнзатора за печью автогенной плавки медных концентратов.

8. Разработанные численные методы математического моделирования ком -¡ирозанного теплообмена не требуют чрезмерного объема оперативной па-ги и быстродействия электронных вычислительных машин, хорошо сочета -ся с алгоритмами численного решенга Дифференциальных уравнений дви-ния газов и горения топлива в промышленных печах и топках, вследствие о создаются объективные условия для перехода к комплексному математи-жому моделированию их тепловой работы с целью надежного прогнозиро-1ия эксплуатационных параметров, определения оптимальных режимов теп -юй работы, снижения расхода топлива и экологически вредных промыш -шых выбросов.

Комплексное математическое моделирование необходимо для определения гимальных условий сжигания природного газа в рабочем пространстве стек->аренных ванных печей с учетом влияния радиационной теплоотдачи факела конвекционные потоки стекломассы и температуру свода печи, для установим места и скорости многоступенчатого ввода воздуха в топку содорегене -

рационпых котлоггрегатов при дожигании газообразных продуктов регенерации черного щелока с учетом условий минимального выноса газами минеральных компонентов, для достижения полного сгорания в циклонных камерах экологи -чески вредных отходов химических производств и для решения многих других инженерных задач расчета и оптимизации конструктивных схем и режимов тепловой работы теплотехнологических установок в промышленной теплоэнергетике.

9. Новые методы математического моделирования применяются проектам -ми и конструкторскими организациями при создании торелочных устройств вращающихся печей, определении рациональных условий дожигания горючего технологического уноса за печами автогенной плавки медных концентратов, для расчета и оптимизации энерготехнслогичесхих котлов и котлов -утилизатороз, а также широко используются в учебном процессе.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кузнецов В А К расчету теплообмена излучением в поглощающей среде //Инж.-фмз.журнал. -1980. -Т.38,№ 1. - С. 134-139.

2. Кузнеце® БА О закономерностях переноса излучения в ослабляющей среде // Химия и физико-химия строительных материалов: Сб. трудов. -М,: Изд. МИСИ и БТИСМ, 1980. -С 111 -115.

Кузнецов ВА Численный метод решения дифференциального уравнеши радиационного теплообмена II Химия и физико-химиа строительных материалов. -М.: Изд. МИСИ и БТИСМ,1981. -С, 59-67.

4. Ант. св. № 840555 СССР," М.Кл. Р22 В21/02. Котел / И.В. Горбатешсо, И.)!. Губин, В А Зайцев, ВА Кузнецов и др. -М.: ВНИИПИ ГК СССР, 1981. -3 с.

5. Кузнецов ВА, Черкас И.Н. О закономерностях турбулентного течения жидкости в трубах П Физико-химия строшельных материалов: Сб. науч. трудов, -М.: Изд. МИСИ и БТИСМ, 1983. -С. 115-121.

6. Кузнецов В А Закономерности конвективного переноса теплоты в турбулентном пограничном слое // Повышение эффективноаи, совершенствование процессов и аппаратов химических производств: Тезисы докладов все-ссаознойнаучной конференции ПАХТ-85. 4.2. -Харьков, 1985. -С. 56-58.

7. Кузнецов В А Уточнений гипотез пристенной турбулентности Н Инж.~ физ. журнал. -1986. -Т. 50, №6. -С. 917-922.

8. Кузнецов В А Теплообмен излучением в теплотехнологичесхих установках: Учеб. пособие. -М.: Изд. МИСИ и БТИСМ, 1986. -106 с.

9. Авраменко О.И., Глозмая АА, Рахимбаев Ш.М., Кузнецов В А Математическое моделирование тепломассопереноса при сжигании топлиза в зоне спекания и декарбонизации вращающихся печей // Интенсифихацш процесса обжига клинкера во вращающихся печах: Труды НИИцемента. Вып. 88. -М.: Изд. НИИцемент, 1986. -С. 42-52.

10. Кузнецов В А Излучение неизотермических сильно запыленных газов // Влияние митральной части энергетических топлив на условия работы паровых котлов: Тез. докл. IV всесоюзной конференции. Т. 4. - Таллин, 1986. -С. 33 - 37.

11. Кузнецов В.А. Теплообмен излучением в мощных вращающихся печах // Физтао-химичесхие основы производства строительных материалов: Сб. яауч. трудов. -М/. Изд. МИСИ и БТИСМ, 1986. -С. 80-84.

12. Кузнецов В А Метод расчета температура диффузионного турбулентного факела // Ускорение научно -технического прогресса в промышленности строительных материалов и строотельной индустрии: Тезисы докладов всесоюзной конферендтят. Ч. 1. -Белгород, 1987. -С, 57-58.

33. Кузнецов В А Метод расчета параметров диффузионного факела // Тезисы докладов 2-й всесоюзной научной конференции "Проблемы энергетики теплотехнологшГ. -М., 1987. -С. 71,

14. Кузнецов ЗА Метод расчета теплоотдачи диффузионного турбулентного факела // Энергосберегающая технология строителышх материалов. "Белгород, Изд. БТИСМ, 1988. -С. 48-51.

15. Кузнецов ВА Закономерности турбу.чеитдого течения жидкости вблизи шероховатой стенки // Инж.-физ. журнал. - 1988. -Т. 55, № 2. -С. 316-317.

16. Кузнецов В А. Теплообмен излучением в неизотермжеской среде // Геплоэнергетиха. -1989. -№ 1. -С. 19-20.

17. Кузнецов В А Турбулентный перенос теплоты малотеплопроводпой тхи-^остью вб/\из)| гладкой стенки // Теоретичесхиа основы химшесхой тохноло-ии. - 1991. -Т. 25, № 2. -С. 286-288.

18. Кузнецов В.А. Радиационная теплоотдача прямоточного диффузионного закнла // Теория и прлкпяа комплексной оптимизацтш радиационного тепло -бмена и горения при сжтгамт оргаличосик тоимга в энергетике и проишя -

ленности: Тезисы докладов Седьмой всесоюзной конференции по ради ционному теплообмену. -Ташкент, 1991. -С. 140-141,

19. Кузнецов ВА Эффективный метод расчета радиационного и комбшн рованного теплообмена // Тепломассообмен - ММФ - 92. Радиационный и ком бивированныйтеплообмен. Т. 2. -Минск, 1992. -С. 89-92.

20. Кузнецов ВА, Куролесова Т.И. Инженерный метод расчета темпера турного поля при формовании и термической обработке стеклоизделтш Стекло и керамика, -1993. -№5. -С. 12-13.

21. Кузнецов В А Математическое моделирование тепловой работы це ментной вращающейся печи: Учеб. пособие. -Белгород: Изд. БелГТАСМ, 19! -80 с.

22. Кузнецов ВА Математическое моделирование температурного поля футеровке вращающейся печи // Росурсо- и энергосберегающие технолоп строительных материалов, изделий и конструкций: Тезисы междуиародн! конференции. Ч. 1. -Белгород, 1995. -С. -57.

23. Кузнецов ВА Оптимизация радиационного теплообмена в энерготехно логических котлах сернокислотных систем И Комплексное использование теп и топлива в промышленности: Межвуз. научн. сборник, - Саратов: Изд. СП 1995. -С. 73-77.

24. Кузнецов ВА, Грачев М.В. Численный метод решешт дифференциал!, пых уравнении движения среды // Международная конференция "Математи чешю методы в химии и химической технологии" ММХ-9: Сб. тезисов. Ч. - Тверь, 1995. - С. 35-36.

25. Кузнецов В А., Грачев М.В. Математическое моделирование комОиниро паяного теплообмена в теплотехнологическш установках // Тепломассообмен ММФ--<№. Вычислительный эксперимент в задачах тепломассообмена и тепло передачи. Т. 9. -Минск, 1996.