Matematické modely spalování práškového uhlí v programu Fluent v aplikací na pádovou trubku

Transkript

1 Matematické moely salování ráškového uhlí v rogramu Fluent6.3.6 v alikací na áovou trubku Ing., Ph.., Marian, BOJKO, VŠB-TU OSTRAVA, KATERA HYROMECHANIKY A HYRAULICKÝCH ZAŘÍZENÍ, marian.bojko@vsb.cz Anotace V tomto řísěvku jsou efinovány jenotlivé matematické moely salování salitelné frakce uhelných částic v rogramovém systému Fluent Porobně jsou řestaveny tři moely lišící se zejména v efinici rychlosti chemické reakce. Posány jsou nutné arametry k efinici matematických moelů. Jenotlivé řístuy matematických moelů jsou alikovaný na rouění uhelných částic v áové trubce. Pro orovnání je vyhonoceno telotní ole a rozložení hmotnostních zlomků říměsí. Annotation Mathematical moels of combustion combustible fraction of coal article in rogram Fluent6.3.6 is efine in this article. Three moels are resente in etail. These moels iffer in efinition rate of chemical reaction. Necessary arameters are escribe for efinition of mathematical moels. Iniviual accesses of mathematical moels are alie on flow of coal article in roe tube. Temerature fiel an istribution of secies mass fraction is evaluate for comaring. Problematika CF moelování salování uhelných částic v áové trubce 1 Páová trubka řestavuje exerimentální zařízení vyhonocující úbytek hmotnosti uhelných částic ři růchou ocelovou trubkou určité élky a růměru. Ocelová trubka je umístěna ve svislém směru (směr tíhového zrychlení), a o celé élce je ohřívána na konstantní telotu. Na vstuu o áové trubky je řiváěna lynná směs ( O, CO, N ) o ané telotě a množství. Vstuní telota lynné směsi je stejná jak telota stěny ocelové trubky. Částice ráškového uhlí jsou kontinuálně řiváěná v ose áové trubky o lynné směsí. V exerimentálním zařízení jsou částice uhlí řiváěné v různých výškách áové trubky. Cílem exerimentálního zařízení bue vyhonocovat úbytek hmotnosti částic uhlí ro různé výše efinované omínky. O,CO,N Práškové uhlí T=konst. L Obrázek 1: Schéma áové trubky ANSYS konference 008 Luhačovice listoau

2 Z toho ůvou se nabízí alikace numerického moelování salování uhelných částic v áové trubce na záklaě výše efinovaných okrajových omínek. Proces salování uhelných částic řestavuje komlexní roblém z hleiska CF moelování, a roto je nutné rovést verifikaci matematického moelu z výsleky exerimentálního zařízení. Na záklaě orovnání je možné rovést korekci matematického moelu. Matematický moel rouění uhelných částic v áové trubce Problematiku rouění v áové trubce lze charakterizovat jako vícefázové rouění směsi lynů a isergované fáze (uhelné částice), ky ochází ke salování uhelných částic v růběhu ohybu vyhřívanou áovou trubkou. efinujeme vourozměrný osově symetrický neizotermní turbulentní K-esilon stanar moel. Uvažujeme rouění stlačitelných méii. Záklaní bilanční rovnice oisující stlačitelné rouění jsou rovnice kontinuity, Navier- Stokesovy rovnice, rovnice energie a rovnice ro hmotnostní zlomky []. Na vstuu o áové trubky se řiváí směs lynů (kyslík O, oxi uhličitý CO a usík N ) ři aném množství a telotě. Pohyb evných částic (uhelné částice) je moelován v ojetí vícefázového moelu založeného na Lagrangeově řístuu [1], []. Lagrangeově řístuu je lynná fáze uvažována jako kontinuum, a je řešena záklaními bilančními rovnicemi osanými výše, zatímco isergovaná fáze (částice) je řešena stoováním velkého očtu částic v rouovém oli. Tato isergovaná fáze může vyměňovat moment, hmotu a energii se sojitou fází. ále lze zahrnout hyroynamický oor, gravitační síly, ohřev a salování částic. isergovaná fáze je řiváěná v ose áové trubky v různých výškách, viz Obrázek 1. Rovnice ohybu částic je efinována rovnováhou sil ři oužití Lagrangeova řístuu a je ána vztahem: u t P g x ( u - up ) + ( ρp - ρ) + FX = F 1: rovnice ohybu částice ρ ke X P F je vnější objemová síla, ( u ) F - je síla hyroynamického ooru vztažená u 18μ na jenotku hmotnosti částice a je efinována vztahem: F = ρp u rychlost kaaliny (m.s -1 ) u rychlost částic, řešená integrací ole času (m.s -1 ) m - molekulární viskozita kaaliny (Pa.s) r - hustota kaaliny (kg.m -3 ) r hustota částic (kg.m -3 ) růměr částic (m) Re Reynolsovo číslo C Re 4 efinice matematických moelů ovrchového salování salitelné frakce uhelných částic 3 Po ostranění rchavé látky z částice násleuje ovrchové salování sotřebováváním salitelné frakce f comb částice omínkou m á ( 1- ò v,0 ) m, 0 ( f v, 0 = oíl rchavé látky, m, 0 = očáteční hmotnost částice) až o situace ky salitelná frakce je sotřebována m ñ - ò - f m ( 1 v,0 comb ), 0 ANSYS konference 008 Luhačovice listoau P

3 V okamžiku ky salitelná frakce je sotřebována f comb, částice obsahuje zbytkový oel, a oje zětně k ohřevu inertní částice. Zákon ovrchového salování sotřebovává reaktivní obsah částice omocí stechiometrické rovnice. Vyžauje efinování stechiometrického koeficientu S ro kyslík v reakci ovrchového salování. char( s) + Sb ox( g) roucts( g) b Tři moely rychlosti heterogenních ovrchových reakcí ro salování částic jsou efinovány. ifúzní moel ( iffusion-limite rate moel ) Kombinace ifúzního moelu a moelu rychlosti chemické reakce na záklaě aktivační energie ( kinetice/iffusion-limite rate moel ) intrinsic moel IFÚZNÍ MOEL RYCHLOSTI REAKCE POVRCHOVÉHO SPALOVÁNÍ [1] Tento moel řeokláá, že roces salování robíhá rychlosti určující ifúzi oxiantu o ovrchu částice: m t Y T r = -4 i, m : rychlost reakce ro ifúzní moel S b ox ( T + T ) ke, ifúzní koeficient ro oxiant v rouovém oli (m.s) Y ox i m lokální hmotnostní zlomek oxiantu v lynu r hustota lynu (kg.m -3 ) stechiometrický koeficient výše efinován S b KOMBINACE IFÚZNÍHO MOELU A MOELU RYCHLOSTI CHEMICKÉ REAKCE NA ZÁKLAĚ AKTIVAČNÍ ENERGIE ( KINETICE/IFFUSION-LIMITE RATE MOEL ) [1] Tento moel řeokláá, že ovrchové salování zahrnuje ifúzi a kinetiku chemické reakce na záklaě aktivační energie. Rychlost reakce je efinována vztahem: m rrt Yox o R = -A 3: rychlost reakce ro kombinovaný moel t M + R ke w, ox [( T + T )/ ] 0.75 o 0 = C1 4: ifúzní rychlostní koeficient -( E / RT ) R = C e 5: rychlostní konstanta le Arrheniuse A locha ovrchu kulové částice ( ) 0 x arciální tlak oxiantu v okolí salované částice K efinování moelu je nutné zaat arametry C C, E 1,. ANSYS konference 008 Luhačovice listoau

4 INTRINSIC MOEL Obobně jak řechozí moel i tento moel řeokláá, že ovrchové salování zahrnuje ifúzi a chemickou reakci. S tím, že chemická reakce efinuje skutečnou rychlost včetně ifúze skrz óry. Rychlost reakce je efinována vztahem: m rrt Yox o R = -A 6: rychlost reakce ro Intrinsic moel t M + R ke 0 w, ox [( T + T )/ ] 0.75 o = C1 7: ifúzní rychlostní koeficient R = h r Ag ki 8: rychlostní konstanta skutečné chemické reakce včetně rychlosti ifúze 6 skrz óry. Ke h je efektivní faktor nebo oměr aktuální rychlosti salování k osažitelné rychlosti oku neuvažujeme ifúzi. A g je secifická vnitřní locha ovrchu zuhelnatěné částice. k i -( E i / RT ) = A e 9: rychlostní konstanta skutečné chemické reakce le Arrheniuse i Aekvátnost oužití výše efinovaných matematických moelů rocesu salování je silně sojeno s řesným efinováním jenotlivých arametrů, které jsou nezbytné. ále musím řesně secifikovat fyzikální a chemické vlastností ráškového uhlí. Alikace matematických moelů salování salitelné frakce ráškového uhlí v áové trubce 4 Byly oužity jenotlivé matematické moely salování včetně řeefinovaných arametrů rogramu Fluent6.3.6 a to ouze otestováním jejich vlivu. ůvoem je, že fyzikální exeriment ještě nebyl realizován. Vstu lynné směsi L 0.1 Vstu uhlí Obrázek : Geometrie áové trubky včetně jenotlivých vstuů ANSYS konference 008 Luhačovice listoau

5 Ty ráškového uhlí byl také vybrán z atabáze Fluent6.3.6 bez úravy fyzikálních a chemických vlastnosti, včetně efinování objemu salitelné frakce a alších arametrů. Jenotlivé matematické moely byly otestovány za stejných okrajových omínek. élka áové trubky je L = 1m a růměr = 66mm. Vstu ráškového uhlí o áové trubky je v ose trubky a 0.1m o řívoů lynné směsi o áové trubky. Vstu je realizován trubičkou o růměru = 5mm. Neuvažujeme granulometrii uhlí, ale konstantní růměr uhelných částic. NA VSTUPU O PÁOVÉ TRUBKY EFINUJEME PRŮTOK, TEPLOTU A SLOŽENÍ PLYNNÉ SMĚSI O =10% N = 37.6 % CO = 5.4 % Hmotnostní růtok Telota Q m = kg s T = 100K PARAMETRY ČÁSTIC UHLÍ NA VSTUPU V PÁOVÉ TRUBCE Telota částic T = 93K Průměr částic uhlí -5 = 9 10 m Hmotnostní růtok částic -6-1 = kg s Q m Konstantní telota stěny áové trubky T=100K -1 T=100K O, N, CO, Q= kg.s -1, T=100K Uhlí, Q= kg.s -1, = m, T=93.15K Obrázek 3: efinice okrajových omínek Fyzikální vlastnosti jenotlivých složek směsi a uhlí jsou efinovány z atabáze rogramu Fluent. Parametry jenotlivých matematických moelů ovrchového salování salitelné frakce jsou nastavené na záklaě ifóltních honot rogramu Fluent. Vyhonocení jenotlivých moelů ovrchového salování salitelné frakce v alikaci na áovou trubku 5 ANSYS konference 008 Luhačovice listoau

6 va matematické moely ovrchového salování byly orovnány ro stejné okrajové omínky na jenotlivých vstuech. Vyhonoceno je telotní ole v oélném řezu o élce áové trubky a rozložení oxiu uhličitého ( CO ). IFÚZNÍ MOEL RYCHLOSTI REAKCE POVRCHOVÉHO SPALOVÁNÍ Obrázek 4: Telotní ole Obrázek 5: Průběh oxiu uhličitého ( CO ) KOMBINACE IFÚZNÍHO MOELU A MOELU RYCHLOSTI CHEMICKÉ REAKCE NA ZÁKLAĚ AKTIVAČNÍ ENERGIE ( KINETICE/IFFUSION-LIMITE RATE MOEL ) Obrázek 6: Telotní ole Obrázek 7: Průběh oxiu uhličitého ( CO ) Z osažených výsleků vylývá, že oku oužijeme ifúzní moel rychlosti reakce ovrchového salování tak maximální telota v áové trubce je o 70 C vyšší než v říaě kombinace ifúzního moelu a moelu rychlosti chemické reakce. S tím souvisí i vyšší množství vzniklého oxiu uhličitého ( CO ). ZÁVĚR V tomto článku je hlavní ůraz klaen na ois a efinici jenotlivých matematických moelů ovrchového salování salitelné frakce v rostřeí rogramu Fluent Posány jsou tři moely včetně nutných arametrů k jejich efinici. Proto i tento článek je výchozí stuii k alikaci na roblém salování uhelných částic v áové trubce. V současnosti robíhá řírava na realizaci exerimentu. Násleně bue nutné efinovat vlastnosti uhelných částic na záklaě analýzy a uřesnit arametry jenotlivých moelů ve sojení s výsleky exerimentálního zkoumání. Z osažených výsleků vou moelů je atrný rozíl, roto je zcela nezbytné uřesnění výše efinovaných at. ANSYS konference 008 Luhačovice listoau

7 Problematika je řešena v rámci rojektu: Progresivní technologie a systémy ro energetiku Program MŠMT Výzkumná centra 1M LITERATURA [1] FLUENT: Fluent User s guie Fluent Inc VŠB-TU Ostrava <URL:htt://s1.vsb.cz/OC/Fluent_6.3.6/html/ug/main_re.htm>. [] Kozubková, M.: Moelování rouění - Fluent I,VŠB-TU Ostrava, s., <URL:htt:// [3] Janalík, J., Šťáva, P.: Mechanika tekutin. 00. Ostrava. VŠB TU Ostrava, 16 s, <URL: htt:// ANSYS konference 008 Luhačovice listoau