Сложный теплообмен в энергетических установках

4. Разработанные методы тестированы на ряде модельных задач лучистого переноса энергии, результаты расчетов сопоставлены с данными экспериментальных исследований сложного теплообмена и поля течения в щелевом канале и радиантных камерах трубчатых печей коробчатого типа ППР-1360 и ЗР 150/6. Установлено, что отличия результатов расчета от соответствующих экспериментальных данных не превышает: температуры продуктов сгорания 5%, локальной теплонапряженности реакционных труб 13 %.

5. Проанализировано влияние неравномерного распределения концентрации и размеров частиц по поперечному сечению сопла на уровень радиационных потоков к стенке. Показано, что частицы конденсированной фазы, находящиеся в пределах пристеночного слоя, оказывают экранизацию излучения, приходящего из ядра потока. Когда предельная линия тока частиц отрывается от стенки, эффект экранизации практически отсутствует. Характерное для дозвуковой части сопла увеличение концентрации у стенки приводит к снижению лучистых потоков к стенке до 12 %. Неравномерности концентрации поперек потока, характерные для минимального сечения сопла и для сверхзвуковой области течения, могут привести к увеличению лучистых потоков к стенке до 50 %. Увеличение модального радиуса частиц к периферии потока приводит к росту лучистых потоков к стенке до 25 %, при уменьшении средних размеров к периферии потока к их уменьшению до 16%. Неравномерности распределения концентрации и средних размеров частиц конденсированной фазы поперек потока, имеющее место в различных сечениях сопла Лаваля, оказывают противоположное влияние на лучистые потоки от двухфазных потоков.

6. Предложено соотношение для спектрального коэффициента спонтанного излучения полидисперсных сред, когда температурное отставание частиц конденсата от температуры газовой фазы зависит от их размеров. Исследовано влияние температурного отставания частиц на уровень излучения двухфазных продуктов сгорания в соплах. Показано, что учет температурного отставания частиц приводит к увеличению лучистых потоков во всем спектральном диапазоне. Однако наиболее сильное увеличение лучистых потоков за счет температурного отставания частиц получается в коротковолновой части спектра при 1 мкм. Задержка кристаллизации частиц за счет их переохлаждения также приводит к значительному увеличению лучистых потоков у выходного сечения сопла, особенно в коротковолновой части спектра ( 3 мкм).

7. Исследовано влияние зависимости теплофизических свойств продуктов сгорания от температуры на аэродинамические параметры течения, поле температуры и на результирующие тепловые потоки к трубчатому экрану. Установлено, что если использовать при вычислении локальных значений скорости течения средние по потоку теплофизические свойства, то характер поля течения практически не меняется при наличии определенных отличий в значениях локальных скоростей продуктов сгорания. В то же время пренебрежение переменностью теплофизических свойств может привести к отличию расчетных значений локальной температуры газа на 8090 К, отклонения плотностей результирующих тепловых потоков к поверхности нагрева достигают 10 %.

8. Изучено влияние температуры поверхности реакционных труб на результаты расчета сложного теплообмена в камерах радиации трубчатых печей. При различных распределениях температуры поверхности нагрева, характерных в трубчатых печах, отличия в поверхностных плотностях результирующих потоков тепла к реакционным трубам не превышают 7 %, температуры газа 5 % . Температура труб в рассмотренных диапазонах их изменения не влияет на поле течения. Установлено также, что термогравитационные силы при расчете сложного теплообмена в топках трубчатых печей можно не учитывать.

9. Изучено влияние характера тепловыделений в объеме факела на лучисто конвективный теплообмен в печах. Процесс организации выгорания топлива в объеме факела значительно влияет на распределение поверхностных плотностей результирующих лучистых потоков вдоль реакционных труб, на поля температур и скоростей вблизи факела. Суммарные тепловые потоки и средняя теплонапряженность труб при этом отличаются не более чем на 6 %, температуры дымовых газов на выходе почти одинаковы.

10. Изучено влияние эффективной степени черноты трубчатого экрана эф на локальные и суммарные характеристики результирующих тепловых потоков к поверхности нагрева. В областях изменения 0,6 эф 1, характерной для реальных установок, влияние степени черноты на величину суммарного потока тепла не превышает 5%. В то же время локальные значения лучистых потоков тепла вдоль трубы при таких изменениях эффективной степени черноты эф могут отличаться более чем на 20 %, а температуры продуктов сгорания в факеле на 90 оС. С увеличением эф возрастает степень неравномерности обогрева реакционных труб. Установлено также, что характер отражения футеровки практически не влияет на результаты расчетных значений лучистых потоков к реакционным трубам.

11. Установлено, что селективность излучения продуктов сгорания оказывает существенное влияние на характеристики локального и суммарного теплообмена в топочных камерах рассмотренных в данной работе трубчатых печей. Отличия расчетных характеристик в приближении серой модели от соответствующих данных, полученных с учетом селективности, составляют: по локальным значениям поверхностных плотностей лучистого потока - 33%, конвективного потока 31%, интегральному тепловосприятию поверхности нагрева 23%.

12. В результате параметрических исследований сложного теплообмена в топочных камерах трубчатых печей при сводовом и настильном режимах сжигания топлива установлено, что в обоих случаях имеют место аналогичные по характеру зависимости параметров суммарного теплообмена от определяющих режимных и конструктивных характеристик. При уменьшении ширины топочной камеры наблюдается интенсификация суммарного теплообмена, что обусловлено ослаблением экранирующего влияния продуктов сгорания на факел и увеличением средней скорости движения дымовых газов. Обнаружено, что существует оптимальное парциальное давление излучающих компонент в составе продуктов сгорания р (или оптическая плотность топочного объема), обеспечивающее максимальную теплоотдачу поверхности нагрева. Это явление объясняется ростом оптической прозрачности топочной среды при уменьшении р .

13. Показано, что наибольшую теплоотдачу в топочной камере с настильным сжиганием топлива обеспечивает расположение ярусов горелок вблизи свода камеры. При смещении ярусов горелок вниз к поду суммарная теплоотдача в топочной камере снижается, однако распределение плотности теплового потока к поверхности нагрева становится более равномерным. Таким образом, при многоярусном расположении горелок на боковых стенах топочной камеры появляется возможность регулировать распределение поверхностной плотности теплового потока по длине реакционных труб.

14. В результате сравнительного анализа эффективности работы камер радиации трубчатых печей при сводовом и настильном режимах сжигания топлива показано, что сводовый режим обеспечивает большую суммарную теплоотдачу поверхности нагрева. Более низкое тепловое напряжение поверхности нагрева при настильном сжигании топлива объясняется относительно высокой оптической плотностью области топочного объема, расположенного между поверхностью нагрева и факелом, а также слабым влиянием настильной стены на формирование лучистого потока тепла к реакционным трубам.

15. Разработан метод расчета сопряженного теплообмена в трубчатой печи паровой конверсии природного газа. Создан пакет прикладных программ, реализующий алгоритм совместного численного решения задачи внешнего теплообмена и расчета внутриреакторных процессов. Полученные результаты показывают, что пакет программ позволяет получить достаточно полную информацию о процессах, происходящих как внутри реакционных труб, так и в объеме топочной камеры.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Вафин, Д.Б. Численное исследование влияния радиационных свойств трубчатого экрана и продуктов сгорания на теплообмен в топках трубчатых печей / А.М. Абдуллин, Д.Б. Вафин // ИФЖ. 1993. т. 65. № 2. с. 171 177.

2. Вафин, Д.Б. Численное моделирование локального теплообмена в топках трубчатых печей на основе дифференциальных приближений для лучистого переноса тепла / А.М. Абдуллин, Д.Б. Вафин // ИФЖ. 1991. т. 60. № 2. с. 291 297.

3. Вафин, Д.Б. Излучение двухфазных потоков в соплах Лаваля / Д.Б. Вафин, А.Ф. Дрегалин, А.Б. Шигапов // ИФЖ. 1981. т. 41. № 1. с. 34 39.

4. Вафин, Д.Б. Выражение коэффициентов разложения индикатрисы рассеяния по полиномам Лежандра через коэффициенты Ми / Д.Б. Вафин, А.Ф. Дрегалин // ИФЖ. 1978. т. 35. № 4. с. 648 650.

5. Вафин, Д.Б. Тепловой расчет топок с многоярусным расположением настилающих горелок /Д.Б. Вафин // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2009. №12. С. 5360.

6. Вафин, Д.Б. Анализ эффективности работы технологических трубчатых печей при разных режимах сжигания топлива / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2009. № 34. С. 52 57.

7. Вафин, Д.Б. Расчет излучения осесимметричных двухфазных сред с температурной неравновесностью фаз / Д.Б. Вафин // Вестник КГТУ им А.Н. Туполева. 2009. № 1. С. 18 21.

В монографии:

8. Вафин, Д.Б. Дифференциальный метод теплового расчета топок (Научное издание) / Д.Б. Вафин. Казань: Изд. центр "Школа", 2008. 114 с.

Статьи в сборниках, авторские свидетельства на изобретения и материалы конференций:

9. Вафин, Д.Б. Сложный теплообмен в технологических печах нефтехимической промышленности / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин // Вестник Казан. технол. универс. 2009. № 1. С. 90 96.

10. А. с. 778483 СССР, МКл 3 G 01 1/28. Способ получения прозрачного образца расплава тугоплавкого окисла / А.А. Ананьев, Д.Б. Вафин, В.Ю. Зыков, А.Б. Шигапов (СССР). № 2707973 / 2226; заявл. 05.01.79; опубл. 14.07.80, (не подлежит опубликованию в открытой печати). 5с.

11 А. с. 807170 СССР, МКл 3 G 01 21/81. Устройство для измерения оптических свойств расплавов окислов металлов и металлоидов/ А.А. Ананьев, Д.Б. Вафин, В.Ю. Зыков, А.Б. Шигапов (СССР). № 2693469 /1825; заявл. 09.11.78; опубл. 23.02.81, Бюл. № 7. 3 с.: ил.

12. Вафин, Д.Б. Математическая модель сложного теплообмена во вращающихся цилиндрических печах / Д.Б. Вафин, А.В. Садыков; Казан. хим.технол. инт. Казань, 1992. 13 с. Деп. ВИНИТИ 9.09.92. № 2747 В 92.

13. Вафин, Д.Б. Применение дифференциального метода для теплового расчета радиантных камер трубчатых печей при настильном сжигании топлива / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, Р.А. Хаматвалеев // Реакционные трубчатые печи. Исследование и конструирование. М.: Химия, 1990. с. 47 54.

14. Вафин, Д.Б. Численное решение задачи сложного теплообмена и горения газообразного топлива в топках трубчатых печей / Д.Б. Вафин, А.В. Садыков, М.А. Харичко // Реакционные трубчатые печи. Исследование и конструирование. М.: Химия, 1990. с. 37 46.

15. Вафин, Д.Б. Влияние особенностей выгорания газообразного топлива на радиационноконвективный теплообмен в цилиндрических печах / Д.Б. Вафин, А.В. Садыков // Межвуз. сб. Тепло и массообмен в химической технологии. Казань: КХТИ. 1989. с. 21 25.

16. Вафин, Д.Б. Особенности влияния селективности излучения на расчетные характеристики сложного теплообмена в топках трубчатых печей / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин // Межвуз. сб. Тепло и массообмен в химической технологии. Казань: КХТИ. 1989. с. 15 20.

17. Вафин, Д.Б. Расчет турбулентных течений с химическими реакциями в задачах сложного теплообмена / Д.Б. Вафин, А.В. Садыков // Межвуз. сб. Тепло и массообмен в химической технологии. Казань: КХТИ. 1988. с. 16 20.

18. Вафин, Д.Б. Некоторые результаты численного исследования аэродинамики топочных устройств / Д.Б. Вафин, А.В. Садыков; Казан. хим.технол. инт. Казань, 1988. 14 с. Деп. в ОНИИТЭХИМ, Черкассы. 20. 07.88. № 722XII88.

19. Вафин, Д.Б. Параметрический анализ внутреннего теплообмена в трубчатых реакторах / Н.Х. Ахунов, Д.Б. Вафин, А.А. Сагдеев; Казан. хим.технол. инт. Казань, 1986. 15 с. Деп. в ОНИИТЭХИМ, Черкассы. 20. 07.86. № 320хп86.

20. Вафин, Д.Б. Теплообмен излучением между коаксиальными цилиндрами конечной длины / Д.Б. Вафин, А.В. Садыков, А.М. Абдуллин; Казан. хим.технол. инт. Казань, 1986. 12 с. Деп. в ОНИИТЭХИМ, Черкассы. 03. 07.86. № 854хп86.

21. Вафин, Д.Б. К расчету оптимального теплового режима работы трубчатых печей / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин // Межвуз. сб. Тепло и массообмен в химической технологии. Казань: КХТИ. 1984. с. 60 63.

22. Вафин, Д.Б. К измерению температуры гетерогенных сред / Д.Б. Вафин, А.Б. Шигапов // Межвуз. сб. Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов. Казань: КАИ. 1984. с. 56 66.

23. Вафин, Д.Б. Влияние процесса кристаллизации частиц окиси Al2O3 на излучение двухфазных потоков / Д.Б. Вафин, Г.А. Важинский, В.П. Ившин // Межвуз. сб. Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов. Казань: КАИ. 1982. с. 61 64.

24. Вафин, Д.Б. Зависимость излучения гетерогенных продуктов сгорания от температурной неравномерности фаз / Д.Б. Вафин, А.Б. Шигапов, В.И. Ибатуллин // В межвуз. сб. Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов. Казань: КАИ. 1982. с. 55 60.

25. Вафин, Д.Б. Влияние неравномерности распределения параметров двухфазного потока на излучение среды / А.Б. Шигапов, Д.Б. Вафин // Межвуз. сб. Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов. Казань: КАИ. 1980. с. 110 114.

26. Вафин, Д.Б. Радиационные свойства высокотемпературных продуктов сгорания, содержащих конденсированные частицы борного ангидрида и фтористого лития / А.Б. Шигапов, В.Ю. Зыков, Д.Б. Вафин // Межвуз. сб. Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов. Казань: КАИ. 1980. с. 99 110.

27. Вафин, Д.Б. Решение двумерного уравнения переноса излучения / А.Б. Шигапов, Д.Б. Вафин // Межвуз. сб. Тепло и массообмен в двигателях летательных аппаратов. Казань: КАИ. 1979. Вып. 2. с. 101106.

28. Вафин, Д.Б. Влияние характера отражения футеровки на теплообмен излучением в топках / Д.Б. Вафин // Матер. межрег. науч.-пр. конф. Инновац. процессы в области образования, науки и производства. т. 1. Казань: Учреждение редакция "Бутлеровские сообщения". 2004. С. 35 39.

29. Вафин, Д.Б. Взаимовлияние механизмов теплообмена в технологических печах / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков // Труды Всероссийской научн. конф. Тепло- и массообмен в хим.технологии. Казань: КГТУ. 2000. с. 38.

30. Вафин, Д.Б. Вопросы радиационной газовой динамики в технологических печах / Д.Б. Вафин // Труды межд. н.техн. конфер. Технико-экономические проблемы промышл. производства. Н. Челны: КАМПИ. 2000. с. 63.

31. Вафин, Д.Б. Тепловой расчет трубчатых печей с излучающими стенками на основе дифференциального метода / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин // Тезисы докл. V междунар. конф. Методы кибернетики химикотехнологических процессов. Казань: Казан. гос. технол. унт. 1999. с 17.

32. Вафин, Д.Б. Расчет интегрального теплообмена в трубчатой печи В 101 и анализ её работы / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков // Труды V междунар. конференц. Нефтехимия 99. Нижнекамск. 1999. с. 55 57.

33. Вафин, Д.Б. Численное моделирование теплообмена и газодинамики в топках трубчатых печей при настильном режиме сжигания топлива / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин // Сб. научн. тр. Интенсификация химических процессов и переработки нефтяных компонентов / КГТУ, Казань, Нижнекамск: ИПЦ. 1999. С. 117122.

34. Вафин, Д.Б. Автоматизация теплового расчета высокотемпературных технологических печей / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков // Тезисы докладов IV междун. конференции Нефтехимия 96. Нижнекамск. 1996. с. 47.

35. Вафин, Д.Б. Математическое моделирование сопряженного теплообмена в технологических печах / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков // Тезисы докл. междунар. н.техн. конф. Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении. Казань: КАИ. 1995. с. 131 132.

36. Вафин, Д.Б. Теплообмен в огневых камерах трубчатых печей / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков // Тезисы докл. II Минского международного форума по тепло и массообмену. Секция Радиационный и комбинированный теплообмен. Минск. 1992. с. 23.

37. Вафин, Д.Б. Исследование сложного теплообмена во вращающихся цилиндрических печах / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков // Тезисы докл. VII Всесоюзн. конф. по радиационному теплообмену. Ташкент. 1991. с. 136 137.

38. Вафин, Д.Б. Радиационно конвективный теплообмен в радиантных камерах трубчатых печей прямоугольного сечения / А.М. Абдуллин, Д.Б. Вафин, А.В. Садыков // Тезисы докл. VII Всесоюзн. конф. по радиационному теплообмену. Ташкент. 1991. с. 134 135.

39. Вафин, Д.Б. Программный комплекс для автоматизированного определения технологических и тепловых режимов работы высокотемпературных трубчатых печей / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков и др. // Материалы VII Всесоюз. конфер. Математические методы в химии. Казань. 1991. с. 194 196.

40. Вафин, Д.Б. Пакет программ для теплового расчета трубчатых печей / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков и др.// Материалы Всесоюзн. выставки программных комплексов по численному решению задач термомеханики. М.: МГТУ. 1990. с. 11.

41. Вафин, Д.Б. Пакет прикладных программ для теплового расчета топочных устройств / Д.Б. Вафин, А.М. Абдуллин, А.В. Садыков // Материалы Всесоюзн. засед. секции Теплообмен излучением ГКНТ СССР Современное состояние и основные направления повышения надежности и интенсификации тепло массообмена в крупных теплоэнергетических агрегатах. Куйбешев. 1989. с. 46.

42. Вафин, Д.Б. К математическому моделированию сложного теплообмена в топках трубчатых печей с учетом горения газообразного топлива / Д.Б. Вафин, А.В. Садыков, М.А. Харичко // Материалы Всесоюзного заседания секции Теплообмен излучением Научного совета по проблеме Массо и теплоперенос в технологических процессах ГКНТ. Грозный. 1988. с. 5.

43. Вафин, Д.Б. Роль селективности излучения в радиационно конвективном теплообмене в топках трубчатых печей при сводовом сжигании топлива / А.М. Абдуллин, Д.Б. Вафин, Р.А. Хаматвалеев // Материалы Всесоюзного заседания секции Теплообмен излучением Научного совета по проблеме Массо и теплоперенос в технологических процессах ГКНТ. Грозный. 1988. с. 78.

44. Вафин, Д.Б. Интегрирование двухмерных уравнений переноса излучения в Р 1 приближении методом конечных элементов / А.М. Абдуллин, Д.Б. Вафин // Тез. докл.VI Всесоюз.науч.-техн. конф. по радиационному теплообмену в техн. и технологии / ИФТПЭ . Каунас. 1987. с. 8 9.

45. Вафин, Д.Б. Численное исследование радиационноконвективного теплообмена в топках трубчатых печей / А.М. Абдуллин, Д.Б. Вафин, А.В. Садыков // Тез. докл.VI Всесоюз.науч.-техн. конф. по радиационному теплообмену в техн. и технологии / ИФТПЭ . Каунас. 1987. с. 17 18.

46. Вафин, Д.Б. Исследование оптических констант расплавленных окислов металлов при высоких температурах / А.Ф. Дрегалин, А.Б. Шигапов, В.Ю. Зыков, Д.Б. Вафин // Тезисы докладов 4-й Всесоюзная конференция по радиационному теплообмену. Киев: Наукова думка. 1978. с. 80 81.

Размещено на Allbest.ru