Квазидвумерная математическая модель теплового и гидравлического режимов трубчатого газового нагревателя

Abstract

RU: Цель. В настоящее время существует целый ряд не решенных задач повышения надежности трубчатых газовых нагревателей (ТГН). Причиной различных дефектов ТГН является перегрев поверхности трубы нагревателя, при котором могут возникать деформации и прогары стенок. Эти процессы возникают в линейной части жаровых труб от высоких температур газов внутри трубы. Перегревы могут появляться также при запуске нагревателя, при котором температура за короткий промежуток времени может достигать максимальной величины, при этом относительно тонкие стенки трубы прогреваются быстро и неравномерно. Как показали экспериментальные исследования ТГН, большие перепады имеют температуры по периметру наружной поверхности трубы нагревателя. Для повышения точности математического моделирования трубчатых газовых нагревателей предлагается учесть фактор влияния распределения температур по угловой координате поверхности нагревателя. Методика. Работа посвящена математическому моделированию теплового и гидравлического режимов трубчатого газового нагревателя. Предлагается, что начальный и основной участки нагревателя не имеют тепловой изоляции и тепловой поток передается через стенку трубы в окружающее воздушное пространство. Известна математическая модель участков, которая зависит лишь от одной продольной координаты вдоль нагревателя и состоит из двух групп уравнений - уравнений теплообмена и уравнений движения. Для получения квазидвумерной математической модели теплового и гидравлического режимов ТГН предлагается учесть зависимость температуры поверхности нагревателя не только от линейной, но и от угловой координаты. Результаты. Разработана квазидвумерная математическая модель гидравлического и теплового режимов газового трубчатого нагревателя, которая представляет собой совокупность обыкновенных дифференциальных уравнений, при этом параметры режимов зависят как от линейной координаты, так и частично от угловой координаты. На основе разработанной модели можно решать прямую задачу расчета параметров нагревателя путем численного интегрирования. Модель основана на уравнениях сохранения массы, движения и энергии, а также теплового баланса. При этом рассматривались двумерный стационарный тепловой и гидравлический режимы. Достоверность двумерной математической модели газового трубчатого нагревателя обеспечивается тем, что она разработана на основе экспериментальных исследований и основана на математической модели трубчатого газового нагревателя, достоверность которой экспериментально доказана. Научная новизна. Построена квазидвумерная математическая модель ТГН на основе экспериментальных данных распределения температуры по периметру трубчатого газового нагревателя в зависимости от конструктивних и режимних параметров. Практическая значимость. Использование модели для расчетов поможет повысить эффективность проектных решений и качество функционирования трубчатого газового нагревателя. Предложенная математическая модель позволит проводить исследования при расчете надежности ТГН.

UK: Мета. Нині є цілий ряд не вирішених задач підвищення надійності трубчастих газових нагрівачів (ТГН). Причиною різних дефектів ТГН є перегрів поверхні труби нагрівача, при якому можуть виникати деформації і прогари стінок. Ці процеси виникають в лінійній частині жарових труб від високих температур газів всередині труби. Перегріви можуть з'являтися також при запуску нагрівача, при якому температура за короткий проміжок часу може досягати максимальної величини, при цьому відносно тонкі стінки труби прогріваються швидко і нерівномірно. Як показали експериментальні дослідження ТГН, великі перепади мають температури по периметру зовнішньої поверхні труби нагрівача. Для підвищення точності математичного моделювання трубчастих газових нагрівачів пропонується врахувати фактор впливу розподілу температур по кутовій координаті поверхні нагрівача. Методика. Робота присвячена математичному моделюванню теплового і гідравлічного режимів трубчастого газового нагрівача. Пропонується, що початкова та основна ділянки нагрівача не мають теплової ізоляції і тепловий потік передається через стінку труби в навколишній повітряний простір. Відома математична модель ділянок, яка залежить лише від однієї поздовжньої координати уздовж нагрівача і складається з двох груп рівнянь - рівнянь теплообміну і рівнянь руху. Для отримання квазідвовимірної математичної моделі теплового і гідравлічного режимів ТГН пропонується врахувати залежність температури поверхні нагрівача не тільки від лінійної, але й від кутової координати. Результати. Розроблена квазідвовимірна математична модель гідравлічного і теплового режимів газового трубчастого нагрівача являє собою сукупність звичайних диференціальних рівнянь, при цьому параметри режимів залежать як від лінійної координати, так і частково від кутової координати. На основі розробленої моделі можна вирішувати пряму задачу розрахунку параметрів нагрівача шляхом чисельного інтегрування. Модель заснована на рівняннях збереження маси, руху та енергії, а також теплового балансу. При цьому розглядалися двовимірний стаціонарний тепловий і гідравлічний режими. Достовірність двовимірної математичної моделі газового трубчастого нагрівача забезпечується тим, що вона розроблена на основі експериментальних досліджень та заснована на математичній моделі трубчастого газового нагрівача, достовірність якої експериментально доведена. Наукова новизна. Побудована квазідвовимірна математична модель ТГН на основі експериментальних даних розподілу температури по периметру трубчастого газового нагрівача в залежності від конструктивних і режимних параметрів. Практична значимість. Використання моделі для розрахунків допоможуть підвищити ефективність проектних рішень та якість функціонування трубчастого газового нагрівача. Запропонована математична модель дозволить проводити дослідження при розрахунку надійності ТГН.

EN: Purpose. Currently, there are long line of unsolved tasks of increase the reliability of the tube gas heaters (TGH). The cause of various defects in TGH is overheating of the surface of heater. As a result the strain and burnout walls is appeared. These processes can be in the linear part of the flame tube from the high temperature gas inside the pipe. The overheating can be arised during starting too. The temperature can reach the maximum value in a short term. The relatively thin walls of the tube are heated fast and unevenly. According to the experimental researches of TGH the temperature have a large fluctuant of temperature along the perimeter of the outer surface of the heater. Is proposed to take into account the factor of influence of the temperature distribution in the angular coordinate on the surface of the heater for increase of accuracy of mathematical modeling of tube gas heaters. Methodology. This work is devoted to mathematical modelling of the thermal and hydraulic regimes in tube gas heater. It is offered the beginning and main parts of the heater do not have a thermal insulation and heat flux is transmitted through the pipe wall into the surrounding airspace. The well-known mathematical model of the parts depends on the only coordinate longitudinal position along the heater and consists of two groups of equations such as heat transfer and motion. Is proposed to take into account the dependence the surface temperature of the heater not only from the linear coordinate but also from the angular coordinate for getting quasi two-dimensional mathematical model of thermal and hydraulic regimes TGH. Findings. It was developed a quasi two-dimensional mathematical model of the hydraulic and thermal regimes of gas tube heater. There are a set of ordinary differential equations. The parameters of regimes depend on both the linear and partly on the angular coordinate. According to the problem can solve by direct calculation of the parameters of the heater by numerical integration. The model is based on the equations of preservation of mass, movement and energy also on heat balance. The two dimensional stationary thermal and hydraulic regimes was calculated. Accuracy of data of a two dimensional mathematical model of gas tube heater is proved. It is based on experimental researches of a mathematical model of the tube gas heater. Originality. The quasi two- dimensional mathematical model TGH is constructed. It was based on experimental researches of temperature distribution along the perimeter of the tube gas heater in dependence on the projecting and regimes characteristics. Practical value. Using of the models for calculation results will help to improve the efficiency of design decisions and the quality of the functioning of the tube gas heater. That model will allow the investigate of TGH.