Цель работы
Осуществить моделирование процесса смешения однофазных потоков воздуха и чистого кислорода в аппарате смешения известной конфигурации для получения воздуха доменного дутья методами вычислительной газодинамики с использованием специального программного обеспечения COMSOL, ANSYS или др.
Объект моделирования
Объект моделирования - узел смешения в составе блока обогащения кислородом воздуха доменного дутья.
В составе блока обогащения кислородом предусмотрено три узла смешения с одинаковой геометрической конфигурацией, но разными параметрами воздуха доменного дутья. Для моделирования принимается унифицированный узел смешения для всех узлов смешения ДП в соответствии с рисунком 1.
Описание и назначение объекта моделирования
Узел смешения представляет из себя упрощенный струйный аппарат (см. рисунок 1) и устанавливается на магистральной линии воздуха доменного дутья (давление не более 0,6 МПа (изб.)) для его обогащения по кислороду за счет подачи чистого кислорода, в аппарат после станции редуцирования.
Задачи моделирования
- Обосновать / опровергнуть факт не превышения концентрации кислорода выше 39 % в потоке магистрального воздуха за аппаратом смешения известной конфигурации в случае подачи предельного количества чистого кислорода на смешение при соответствующих условиях. В случае превышения установленного значения концентрации за узлом смешения определить минимальную длину участка, после которого концентрация не превышает указанное значение.
- Определить минимальное расстояние от границы точки смешения Lmin по ходу движения доменного воздуха, на котором в поперечном сечении будет выполнено условие
где \(ε\) – соответствует абсолютной погрешности поточного анализатора в контуре регулирования содержания кислорода в доменном воздухе с отрицательной обратной связью 50 ppm.
Исходные данные для моделирования
В качестве исходных данных для моделирования предоставлены:
- параметры компримированного воздуха, подаваемого на обогащение в узел смещения;
- параметры кислорода, подаваемого из воздухоразделительной установки (ВРУ) и системы газификации;
- требования к итоговым параметрам воздуха доменного дутья после узла смешения.
Конкретные численные параметры, принятые для моделирования представлены на рисунке 2.
Упрощенная схема узла смешения с обозначением потоков для определения исходных данных представлена на рисунке 3.
Приведение расходов к одному базису
Поскольку эксплуатирующая организация в качестве основной единицы расходов использует объемные единицы, необходимо привести все параметры потоков к единому базису - массовому или мольному для корректного составления массовых и концентрационных балансов без привязки к плотности потоков при рабочих условиях в системе.
Для последующего пересчета массовой концентрации в объемную и наоборот определена соответствующая зависимость, представленная на рисунке 5.
Номограмма контура регулирования узла смешения
Для построения номограммы контура регулирования были составлены массовый и концентрационный балансы для узла смешения. Общий вид балансов и принятые обозначения параметров потоков представлены на рисунке 6.
Решение массового баланса относительно требуемого расхода воздуха доменного дутья, расхода чистого кислорода в узел смешения, а также требуемой концентрации кислорода в воздухе доменного дутья построена номограмма регулирования производительностью узла смешения. Номограмма представлена на рисунке 7.
Параметры модели
Характеристики расчетной модели, параметры глобальной и локальной сетки, граничные условия представлены на рисунке 8.
Особенности конструкция узла смешения
В качестве особенностей предлагаемого к CFD-анализу узла смешения можно отметить:
- Применяется насадка с радиальными лопатками для закрутки потока вдоль оси смесителя по аналогии с лопаточным диффузором центробежных компрессоров, которая позволяет равномерно распределить кислород вдоль несущего потока воздуха при незначительном перепаде давления с наименьшей скоростью выхода из насадки.
- На дальнейших этапах проработки будет проведен анализ целесообразности использования медно-никелевого сплава (Monel или др.) в качестве конструкционного материала для насадки.
- Производителем заявлено достижение средней расчетной концентрации на расстоянии, не превышающем 15 калибров от места смешения.
Общий вид результатов моделирования
Результаты моделирования узла смешения методами CFD представлены в формате продольного разреза на рисунке 10 и рисунке 11. Наибольший интерес представляет график изменения средней объемной концентрации кислорода в трубопроводе за узлом смешения.
Изменение концентраций вдоль оси смесителя - мин/макс O2 (об.)
Аналитическая оценка изменения средней концентрации в сечениях за узлом сечения позволяет консервативное определить место установки датчика контроля концентрации кислорода относительно узла смешения. Результаты консервативной оценки расстояния от узла смешения до места установки датчика представлен на рисунке 12.
Контроль качества смешения кислорода с потоков сжатого воздуха дополнительно проводился по отклонению максимальной и минимальной концентрации в поперечных сечениях с шагом 2 метра. На рисунке 13 представлены поперечные сечения на расстоянии от 0 до 14 метров от узла смешения.
Выводы
В результате анализа предлагаемой конструкции узла смешения CFD-методами получены следующие выводы:
- Средняя объемная концентрация кислорода в потоке доменного дутья приближается к горизонтальной асимптоте – значению уставки во всех случаях моделирования на расстоянии 15 калибров трубы от точки смешения, как заявлено в гарантии производителя.
- Производитель заявляет возможность снижения расстояния от точки смешения для достижения значения уставки средней объемной концентрации до 5 калибров трубы в случаях, когда выполняется соотношение \(G_{O_2}/G_{Air} \sim 0.25\), что корректно и подтверждается моделированием при параметрах, близких к выполнению этого условия.