Распределение температуры в прилегающем к своду пространстве методической печи при работе плоскопламенной горелки

Принцип работы плоскопламенных горелок основан на создании закрученного потока, который благодаря эффекту Коанда безотрывно растекается по поверхности свода, формируя плоский факел, обеспечивающий интенсивный конвективный нагрев кладки свода. Нагрев металла в таких печах происходит в значительной степени излучением от раскаленного свода.

В горелках типа ГР [1] осуществляются подача газообразного топлива вдоль оси горелки и тангенциальная подача окислителя (воздуха), в результате чего происходит их активное перемешивание в закрученном потоке, способствующее началу горения на поверхности горелочного камня, оказывающего каталитическое воздействие на этот процесс.

Растекающийся по поверхности свода поток частично состоит из продуктов сгорания, а частично – из перемешанных, но еще не сгоревших реагентов. В области рабочего пространства под горелками возникает эффект разрежения, приводящий к возникновению внутренних зон рециркуляции [2], в которых активные химические компоненты возвращаются к корню факела и активно перемешиваются с более горячими продуктами сгорания, где вступают в реакцию, увеличивая стабилизацию пламени в областях с относительно низкими скоростями [3; 4].

Совместное решение задач газодинамики, конвективной диффузии, горения топлива и теплообмена в пространстве, примыкающем к промышленной плоскопламенной горелке, является актуальным, поскольку правильность выбора конструктивных и режимных параметров обеспечивает возникновение разомкнутого факела, безотрывно растекающегося по поверхности свода, обеспечивающего его конвективный нагрев и последующую интенсивную передачу теплоты металлу радиационными механизмами. Сложность и взаимозависимость решаемых задач обусловили необходимость использования CFD-комплекса ANSYS Fluent.

Для исследования вопроса была построена 3D-модель фрагмента печи и плоскопламенной горелки. Для описания турбулентного течения применена k-ε модель турбулентности (RNG), для описания конвективной диффузии – модель Species Transport, взаимодействие химии и турбулентности учитывали с помощью подмодели Eddy Dissipation, параметры одноступенчатой реакции горения метана взяли из базы данных ANSYS Fluent.

Параметры моделируемой горелки соответствуют плоскопламенной горелке с тангенциальным подводом воздуха¹ со следующими геометрическими характеристиками: диаметр горелочного камня – 250 мм, диаметр входного патрубка для воздуха – 150 мм, диаметр газового сопла – 60 мм, общая длина горелочного камня – 450 мм.

На рис. 1 показан разрез температурного поля фрагмента печи с установленной горелкой для расчета с расходом природного газа – 60 нм³/ч, воздуха – 600 нм³/ч (коэффициент избытка воздуха α = 1,05) при температуре воздуха и газа 20 °С. Свод и под печи приняты адиабатными.

Из представленных данных видно, что при выбранных параметрах происходит требуемое формирование плоского факела – выходящий из горелки поток прижимается к своду и растекается вдоль него, что соответствует принципу работы таких горелок. Изменение температуры печной среды вдоль оси горелки, представленное на рис. 2, показывает, что ядро горения с температурой в диапазоне 1850 – 2050 К локализовано в подсводовом слое толщиной около 75 мм. Наличие максимума температуры 2050 К в точке, отстоящей от плоскости поверхности свода на расстоянии L = 75 мм, обусловлено, видимо, тем, что в поток продуктов сгорания, смешанных с непрореагировавшими компонентами (температура смеси около 1850 К), подмешивается, вследствие разрежения под горелкой, часть печной среды того же состава. Это сопровождается дожиганием непрогоревшего топлива в зоне рециркуляции. При дальнейшем удалении от свода температура печной среды плавно снижается, достигая 800 – 900 К на расстоянии 100 – 150 мм от кладки.

Оптимизация конструкций и режимных параметров горелок для промышленных печей обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности [5], а методы CFD позволяют улучшить процессы горения.

Выводы

Разработанная модель газодинамики, конвективной диффузии, горения топлива и теплообмена во фрагменте нагревательной печи с плоскопламенной горелкой адекватно отражает процессы, происходящие в рабочем пространстве печи, и может быть использована для определения рациональных режимных параметров работы горелки и (при дополнении моделью радиационного теплообмена) соответствующих им тепловых условий на поверхности нагреваемого металла.