Курсовая работа: Математическое моделирование тепловой работы вращающейся печи
На внутренней футеровке печи образуется гарнисажный слой, т.е. слой материала, который прилипает к стенке. В результате вращения печи более нагретый слой гарнисажа осыпается, а менее нагретый прикрепляется к футеровке, тем самым, образуя слой материала, который непрерывно нагревается от футеровки.
Вращающиеся печи, используемые для получения портландцементного клинкера, работают по принципу противотока. Сырьевая смесь подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а топливо – воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20 –30 метров длинны печи, вдувается со стороны нижнего (горячего) конца. Горячие газы движутся навстречу материалу и нагревают последний.
Интенсификация теплообмена и массообмена в зоне подогрева осуществляется путем установки различных теплообменников: ячейковых, металлических и керамических. Теплообменники увеличивают поверхность теплообмена газов с материалами, разделяя поток материала на несколько более мелких потоков, воспринимают тепло газов и регенеративно передают по материалу, интенсифицируют конвенктивный теплообмен, способствуют перемешиванию материала, защищают цепную завесу от перегрева за счет понижения температуры газов.
Скорость движения газов (CH4 и воздух) по длине печи различна на отдельных ее участках и изменяется от 6 до 13 м/с. Напор, затрачиваемый на перемещение газов через печь, расходуется на преодоление гидравлического сопротивления, слагающегося из сопротивления трения, местных сопротивлений в различных зонах печи, сопротивлении подъема газов и на создание скорости газов при выходе из печи.
В печи располагают зоны:
· Подогрева;
· Кальцинирования;
· Экзотермических реакций;
· Спекания.
В зоне подогрева (600 – 7000 С) образуются Al2 O3 , Si2 O3 ; в зоне кальцинирования (около 10000 С) образуется CaO и CO2 ; далее сырье поступает в зону экзотермичеких реакций, где с выделением теплоты образуются следующие минералы: 3CaO*Al2 O3 , 4CaO*Al2 O3*Fe2 O3 , 2CaO*SiO2 ; в конце печи, в зоне спекания, образуется 3CaO*SiO2 , и в результате всего получается клинкер.
Математическая формулировка задачи
В данной курсовой работе необходимо разработать математическую модель тепловой работы вращающейся печи, рассчитать параметры и температуру адиабатического диффузионного факела без теплообмена с футеровкой печи и технологическим материалом. Также необходимо произвести расчет радиационной теплоотдачи факела конвективного теплообмена воздуха в печи с футеровкой и технологическим материалом с целью определения параметров и температуры диффузионного факела с учетом теплообмена.
Предполагается проведение расчета стационарного температурного поля при заданной температуре на внутренней поверхности футеровки, что соответствует граничным условиям первого рода. После чего, необходимо рассчитать нестационарное температурное поле в футеровке печи при граничных условиях третьего рода.
Расчетные результаты должны быть представлены в виде таблиц и графиков.
Описание применяемых алгоритмов
Для математического моделирования горения природного газа в диффузионном факеле, расчета радиационно-конвективного теплообмена и температуры факела в курсовой работе предлагается применение аналитической теории, что значительно упрощает алгоритм решения задачи.
Выполнение курсовой работы разбивается на ряд последовательных этапов, что облегчает отладку программ и получение надежных расчетных результатов.
Сначала на основе аналитической теории составляется программа для расчета параметров и температуры адиабатического диффузионного факела без теплообмена с футеровкой печи и технологическим материалом. Затем к этой программе добавляются подпрограммы расчета радиационной теплоотдачи факела конвективного теплообмена воздуха в печи с футеровкой и технологическим материалом, и вносятся соответствующие изменения в основную программу с целью определения параметров и температуры диффузионного факела с учетом теплообмена.
Результаты расчета диффузионного факела используются при математическом моделировании температурного поля в футеровке печи. Овладевая основами численного интегрирования дифференциального уравнения теплопроводности, составляют программу для расчета стационарного температурного поля при заданной температуре на внутренней поверхности футеровки, что соответствует граничным условиям первого рода. На основе этой программы разрабатывается последующая программа для расчета нестационарного температурного поля в футеровке печи при граничных условиях третьего рода. Наконец, разрабатываются алгоритмы и вносятся в программу изменения и добавления в соответствии с индивидуальным заданием. Полученные расчетные результаты представляются в виде таблиц и графиков и анализируются с целью формулировки выводов и инженерных рекомендаций по улучшению тепловой работы промышленной печи.
Алгоритм расчета параметров диффузионного факела
Расчет выполняется на участке струйного течения, ориентировочную длину которого lс в движущейся системе координат можно найти, приравняв удвоенный радиус турбулентной струи внутреннему диаметру печи Dп :
где X0-расстояние до полюса струи. В неподвижной системе координат длина участка струйного течения возрастет на величину δх.
Длину участка струйного течения в неподвижной системе координат можно также найти из условия вовлечения в движение струй всего воздуха, подаваемого в печь, массовый расход которого определен следующим равенством:
Из равенства правых частей выражения следует, что:
Коэффициент избытка воздуха αв здесь задан, а стехиометрический коэффициент можно рассчитать по известному объему воздуха V°, теоретическая необходимому для сгорания одного кубометра природного газа, и плотности воздуха при нормальных условиях 