Численное исследование теплоотдачи стенки титанового реактора при воздушном охлаждении
Автор: Карасев Тимофей Олегович, Теймуразов Андрей Сергеевич, Перминов Анатолий Викторович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.13, 2020 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена численному изучению теплового режима поверхности реторты в аппарате для производства титана. Рассматривается задача сопряженного теплообмена между стенкой цилиндрической реторты и стенкой печи с нагревателями. Между стенками находится зазор, через который прокачивается воздух. Целью работы является получение оценок для температурного режима стенки реторты и коэффициента теплоотдачи с ее поверхности при различных режимах нагрева и охлаждения аппарата. Данные о распределении тепловых потоков на стенках реторты необходимы для расчета турбулентных конвективных течений жидкого магния внутри реторты, поскольку неоднородность температуры может оказывать существенное влияние на процессы, происходящие у нее внутри. Расчетная область состоит из твердых стенок, между которыми движется воздух. Математическая модель основывается на системе нестационарных уравнений Навье-Стокса в осесимметричной постановке с применением RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) подхода к описанию турбулентных полей. Модель позволяет наряду с механизмами вынужденной конвекции и теплопроводности учитывать также и радиационный теплообмен между двумя противоположными стенками. Изучаются четыре варианта нагрева, возможные при работе реактора. Получены оценки для необходимой скорости обдува, при которой удается сохранять нагрев стенки реторты в рабочем диапазоне от 750 до 950ºС во всех режимах. Показано, что температура вдоль исследуемого участка стенки реторты неоднородна. Для коэффициента теплоотдачи с боковой поверхности реторты построены зависимости от вертикальной координаты и проведено их сопоставление с известной формулой расчета коэффициента теплоотдачи от плоской бесконечной поверхности с постоянным тепловым потоком через нее. Установлено, что в обсуждаемом случае, который является более сложным, рассчитанные значения коэффициентов оказались близки к предсказываемым известными инженерными формулами значениям только в части исследованных режимов. Обнаружено, что в значительном диапазоне рассматриваемых параметров наблюдаются заметные отличия полученных зависимостей от упрощенных оценок. Наибольшая разница имеет место вблизи входа в канал, где градиенты температуры максимальны.
Вынужденная конвекция, турбулентность, коэффициент теплоотдачи, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/143172507
IDR: 143172507 | УДК: 532.517.4:536.252 | DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.4.33
Numerical study of heat transfer coefficient of titanium reactor wall at air cooling
This paper is concerned with a numerical study of the thermal regime of the retort surface in an apparatus for the production of titanium. The problem of conjugate heat transfer between the outer wall of a cylindrical retort and the wall of a furnace with heaters, with an air gap between them, is considered. The aim of the work is to obtain estimates for the temperature regime of the retort wall and its surface heat transfer coefficient at different heating and cooling regimes. Data on the distribution of heat flows on retort walls are needed to calculate the turbulent convective flows of liquid magnesium inside the retort, since the non-uniformity of temperature can have a significant impact on the processes occurring inside the retort. The computational domain consists of solid walls with moving air between them. The mathematical model is based on a system of axially symmetric non-stationary Navier-Stokes equations, and the RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) approach is used to describe turbulent fields. Along with the mechanisms of forced convection and thermal conductivity, the model also takes into account the radiation heat transfer between two opposite walls. Four heating modes representing different possible variants of the device operation are considered. Estimates have been obtained for the required blowing rate, which allows keeping retort walls in the working range from 750 to 950 ºС in all modes. It is shown that the temperature along the considered wall section is essentially heterogeneous. Dependencies for the heat transfer coefficient at the side surface of the retort on the vertical coordinate are constructed. Comparison with known formulas for calculation of the heat transfer coefficient obtained for flat infinite surface with uniform heat flux is carried out. It has been established that, in the case under discussion which is more complex, the calculated coefficients are close to those predicted by the known engineering formulas only in part of the regimes examined in this study. In a large range of considered parameters, there are noticeable differences between the obtained dependencies and the simplified estimates; the greatest difference occurs near the channel entrance, where the temperature gradients reach their maximum.
Список литературы Численное исследование теплоотдачи стенки титанового реактора при воздушном охлаждении
- Гармата В.А., Петрунько А.Н., Галицкий Н.В., Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А. Титан. М.: Металлургия, 1983. 559 с.
- Гармата В.А., Гуояницкий Б.С., Крамник В.Ю., Липкес Я.М., Серяков Г.В., Сучков А.Б., Хомяков П.П. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1968. 643 с.
- Сергеев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П., Козлов В.М. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1971. 320 с.
- Мальшин В.М., Завадовская В.Н., Пампушко Н.А. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1991. 208 с.
- Халилов Р.И., Хрипченко С.Ю., Фрик П.Г., Степанов Р.А. Электромагнитные измерения уровня жидкого металла в замкнутых объемах // Измерительная техника. 2007. № 8. С. 41-44.
- Krauter N., Eckert S., Gundrum T., Stefani F., Wondrak T., Frick P., Khalilov R., Teimurazov A. Inductive system for reliable magnesium level detection in a titanium reduction reactor // Metall. Mater. Trans. B. 2018. Vol. 49. P. 2089-2096.
- Тарунин Е.Л., Шихов В.М., Юрков Ю.С. Свободная конвекция в цилиндрическом сосуде при заданном тепловом потоке на верхней границе // Гидродинамика. 1975. Вып. 6. С. 85-98.
- Цаплин А.И., Нечаев В.Н. Численное моделирование неравновесных процессов тепломассопереноса в реакторе для получения пористого титана // Вычисл. мех. сплош. сред. 2013. Т. 6, № 4. С. 483-490.
- Теймуразов А.С., Фрик П.Г. Численное исследование конвекции расплавленного магния в аппарате восстановления титана // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 4. С. 433-444.
- Teimurazov A., Frick P., Stefani F. Thermal convection of liquid metal in the titanium reduction reactor // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 208. 012041.
- Карасев Т.О., Теймуразов А.С. Моделирование турбулентной конвекции жидкого магния в аппарате восстановления титана в рамках подходов RANS и LES // Вычисл. мех. сплош. сред. 2019. Т. 12, № 4. С. 353-365.
- Teimurazov A., Frick P., Weber N., Stefani F. Numerical simulations of convection in the titanium reduction reactor // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. Vol. 891. 012076.
- Khalilov R., Kolesnichenko I., Teimurazov A., Mamykin A., Frick P. Natural convection in a liquid metal locally heated from above // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 208. 012044.
- Широков М.Ф. Физические основы газодинамики. М.: Физматгиз, 1958. 341 с.
- Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990. 368 c.
- Федоров В.К. Инженерный метод расчета конвективного теплообмена при безотрывном обтекании тел газовым потоком // ИФЖ. 1965. T. 8, № 2. С. 198-203.
- Bergman T.L., Lavine, A.S., Incropera F.P., DeWitt, D.P. Introduction to Heat Transfer, 6th Edition. John Wiley & Sons. 2011. 962 p.
- Modest M.F. The improved differential approximation for radiative heat transfer in multi-dimensional media // J. Heat Transfer. 1990. Vol. 112. P. 819-821.
- Howell J.R. A catalog of radiation configuration factors. McGraw-Hill, 1982. 243 p.
- Howell J.R., Menguc M.P., Siegel R. Thermal Radiation Heat Transfer. Taylor & Francis, 2015. 1016 p.
- Marshak R.E. Note on the spherical harmonics method as applied to the Milne problem for a sphere // Phys. Rev. 1947. Vol. 71. P. 443-446.
- Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. Vol 32. P. 1598-1610.
- Pope S.B. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000. 771 p.
- Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ. Справочник. СПб.: СПбГАХПТ, 1999. 320 с.
- Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
- Issa R.I. Solution of the implicitly discretized fluid flow equations by operator-splitting // J. Comput. Phys. 1985. Vol. 62. P. 40-65.
