بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحليل عددي انتقال حرارت پانل هاي آبگرد کوره هاي قوس الکتريک و جايگزيني نمونه جديد پانل هاي آبگرد
چکيده
در کوره هاي قوس الکتريک ، براي جلوگيري از تخريب پوسته ي فولادي و همچنين خنک کاري ، از پانل هاي آبگرد به جاي آستر نسوز در بالاي سطح مذاب استفاده مي شود. تحليل حرارتي و توزيع دما در سطح لوله ها از بابت تلفات حرارتي و افزايش راندمان سرعت سيال اهميت بالايي دارد. هدف از ارائه ي اين تحقيق ، معرفي طرح پانل هاي آبگرد با سطح مقطع مربعي به منظور راندمان کاري بالا و بهينه ي مصرف انرژي مي باشد. به منظور تحليل حرارتي - سيالاتي ، ابتدا پانل با سطح مقطع دايره اي و مربعي به صورت مجزا با نرم افزار انسيس (ANSYS) طراحي و سپس با نرم افزار فلوئنت (Fluent) حل و تحليل گرديد. اين مدل شامل پانل فولادي و سيال گذرنده از پانل مي باشد که توزيع شار حرارتي ، فشار استاتيکي ، دما و سرعت سيال در آن محاسبه و مورد بررسي قرار گرفته است . پس از اعتبار سازي مدل ، جهت ارزيابي طرح با سطح مقطع مربع ، مطالعات متعددي انجام گرفته است که نهايتاً با شرايط مرزي مشخص ، مقايساتي با طرح قديم با سطح مقطع دايره اي از بابت افزايش طول عمر پانل ها، کاهش تلفات انرژي در کوره هاي قوس الکتريک براي پانل هاي آبگرد، افزايش سرعت گردش جريان سيال و کاهش توقفات کوره هاي قوس الکتريک در اثر سوراخ شدن پانل هاي آبگرد انجام شد که تثبيت اجراي امر بوده و دراين مقاله ارائه گرديده است . بررسي تأثير پارامترهايي چون دبي حجمي سيال و تغييرات ساير پارامترهاي سيالاتي ديگر نشان مي دهد که دبي آب ورودي به پانل تأثير بسزايي بر پارامترهاي سيالاتي و سرعت گردش جريان سيال در لوله ها دارد. ازاين رو با معرفي طرح نوپاي پانل ها با سطح مقطع مربع در صنعت فولاد مبارکه اصفهان ، بهترين راه کاهش شار حرارتي معين گرديد، که درنتيجه ، درصد انرژي تلف شده براي پانل ها به طور قابل توجهي کاهش و همچنين طول عمر پانلهاي آبگرد کوره هاي قوس الکتريک افزايش مي يابد.
واژگان کليدي : کوره قوس الکتريک ، پانل آبگرد، خنک کاري ، مقطع مربع ، بازدهي ، انرژي تلف شده ، طول عمر.
١- مقدمه
کمتر کارخانه اي است که با آب سروکار نداشته باشد. عمده نقش آب در صنعت وظيفه خنک کاري و جذب گرما از تجهيزات
يا مواد اوليه ، محصولات مياني و محصولات نهايي مي باشد. دلايل اصلي مصرف آب به منظور زير مي باشد:
١. ضريب انتقال حرارت بالا ٢. گرانروي پايين ٣. دسترسي آسان ٤. ارزاني قيمت
در بخش فولادسازي صنعت فولاد وظيفه ي اصلي آب خنک کردن تمام سيستم هاي کوره هاي قوس الکتريکي و گرفتن ناخالصي هاي مذاب و تختال هاي توليدي مي باشد. پانل هاي آبگرد در کوره هاي قوس الکتريک ، يک دستگاه خنک سازي بوده که با توجه به مطالعات صورت گرفته در سال هاي اخير از طرح جديدي با سطح مقطع مربع آن بهره وري به عمل آمده است .
استفاده از پانل هاي آبگرد از ميانه دهه ٧٠ آغاز شد و از آن زمان پانل هاي آبگرد به عنوان يکي از مهم ترين پيشرفت هاي تکنولوژي کوره قوس الکتريکي شناخته شدند. چندين طرح گوناگون از پانل هاي آبگرد وجود دارد. در طول سه دهه ي گذشته متداول ترين نوع آن سيستم هاي خنک کننده ي DAIDO، سيستم هاي صفحه ثابت IHI و جعبه هاي خنک کننده ي آب مي باشند.
طرح هاي گوناگوني ، مانند لوله و برخي ديگر مانند جعبه هايي با کانال هاي داخلي ، وجود دارد.
در واحد فولادسازي شرکت فولاد مبارکه هشت عدد کوره قوس الکتريکي وجود دارد. نيمه بالايي اين کوره ها (بالاتر از خط مذاب ) بطورکامل از پانل هاي آبگرد، متشکل از لوله هاي موازي که با جوش دادن کلاهک هايي به يکديگر متصل شده اند، پوشيده شده است . جنس اين لوله ها فولاد کربني B ASTM A١٠٦ مي باشد. هدف از استفاده از اين پانل ها کاهش دما و حرارت رسيده به بدنه کوره و عدم اعوجاج آن و نيز کاهش ميزان مصرف آستر نسوز بکار رفته به همين منظور مي باشد. بدين صورت که آب با فشار زيادي در حدود ٦-٤ بار در لوله هاي متصل به هم جريان يافته و حرارت رسيده به پانل را به برج هاي خنک کننده منتقل کرده و باعث خنک شدن آن مي گردد. اين پانل ها بسته به جنس ، ضخامت و شرايط کاري طول عمري تعريف شده (توسط سازنده ) دارند.
هدف از انجام اين پروژه با توجه به بررسي هاي به عمل آمده از طرح پانل هاي جديد آبگرد کوره هاي قوس الکتريک ضمن مطالعه ي جامع اقدام هاي عملياتي ، اقدام به گرفتن نمونه جهت شبيه سازي آن در نرم افزار ANSYS و سپس بررسي آن در نرم افزار Fluent مي باشد. جهت ارزيابي طرح با سطح مقطع مربع مطالعات متعددي انجام گرفت که نهايتا با شبيه سازي عددي و مقايسات انجام گرفته با طرح قديم ، افزايش طول عمر پانل ها[٣]، کاهش تلفات انرژي در کوره هاي قوس الکتريک براي پانل هاي آبگرد، افزايش سرعت گردش جريان سيال و کاهش توقفات کوره هاي قوس الکتريک در اثر سوراخ شدن پانل هاي آبگرد تثبيت اجراي امر بوده و دراين مقاله ارائه گرديده است .
٢- مروري بر مطالعات و منابع گذشته
فولاد توسط ذوب و بهسازي آهن و قراضه در يک کوره قوس الکتريکي (EAF) و يا کنورتور اکسيژني (BOF) توليد مي شود.
اولين تلاش ها براي ساخت کوره قوس الکتريکي در سال ١٨٠٠ توسط همورفي ديوي [٤] آغاز شد. وي توانست موفقيتي در اين زمينه کسب کند. در سال ١٨٧٨ ويليام زيمنس [٥] تلاش جدي براي ساخت کوره آغاز کرد. ولي به دليل محدود بودن ميزان انرژي برق توليدشده و همچنين عدم توسعه و تکامل کافي در صنعت الکترود گرافيتي ، افزايش توليد توسط کوره هاي قوس الکتريک به تعويق افتاد. اولين کوره قوس الکتريک تجاري با جريان مستقيم در سال ١٨٩٩ توسط هرولت ساخته شد. در طول سي سال گذشته ، رشد چشمگيري در زمينه توليد فولاد با کوره هاي قوس الکتريک وجود داشته است . تقريباً ٣٠% فولاد دنيا با کوره هاي قوس الکتريک توليدمي شوند. از دلايل عمده براي افزايش توليد فولاد را مي توان هزينه توليد و پيشرفت تکنولوژي در کوره قوس نام برد. امروزه در حدود ٤٠% فولاد در امريکاي شمالي به روش قوس الکتريکي توليد مي شود. براي جلوگيري از تخريب پوسته فولادي کوره هاي قوس الکتريک از پانل هاي آبگرد به جاي استر آجر نسوز در بالاي سطح مذاب استفاده مي شود.
عملکرد اصلي پانل هاي آبگرد جهت مقاومت در برابر دماي بالا در بدنه بالايي کوره براي تعويض استر آجر نسوز آن مي باشد.
مزيت و برتري هاي اصلي پانل هاي آبگرد عبارت است از:
١. کاهش هزينه عملياتي با تعويض استر آجر نسوز بر روي بدنه بالايي
٢. کاهش توقف ؛ زيرا مدت زمان تعويض پانل ها کمتر از زمان تعميرات آن ها از بابت آجرهاي نسوز مي باشد. علاوه بر اين ، مدت زمان سرويس دهي پانل هاي آبگرد در مقايسه با آجرهاي نسوز بيشتر مي باشد؛ بنابراين امکان دسترسي بيشتر به کوره را فراهم مي سازد.
٣. کاهش نيروي کار و بهبود محيط کاري ٤. افزايش ظرفيت کوره قوس
به طور خلاصه ، استفاده از پانل هاي آبگرد، به طور قابل ملاحظه اي ، کاهش هزينه آجر نسوز کوره قوس و نگهداري آن ها را به همراه دارد؛ که درنتيجه باعث افزايش دسترسي به کوره و توليدات آن مي شود؛ بنابراين تحليل حرارتي پانل هاي آبگرد از نظر
توقفات اضطراري (نشتي ها) و تلفات حرارتي اهميت ويژه اي دارد.
طي بازديد دو نفر از مهندسين مجتمع فولاد مبارکه از ساخت پانل بدنه و سقف کوره قوس الکتريکي شرکت Cobresaea، در اين شرکت لوله هاي بويلري با نوع ٣٥.٨ ST -ASTM AA ١٠٦–ASTM AB ١٠٦ در حال توليد بوده است و نوع اين لوله ها در ساخت پانل تجربه شده است . طبق آمار به دست آمده پانل هاي بدنه ساخته شده از ٣٥.٨ ST تا ٦٠٠٠ ذوب و پانل هاي سقف از همين جنس تا ٨٠٠٠ ذوب کارايي دارند.
انواع پانل هاي آبگرد در کوره قوس الکتريکي عبارت اند از:
• پانل هاي آبگرد بدنه • پانل هاي آبگرد سقف • پانل هاي آبگرد EBT
بر اساس مطالعات گذشته ي مهندس عطا فلاح مهرجردي [٨] و مقالات متعدد ارائه شده در سال ١٣٨٧، پانل هاي آبگرد با سطح مقطع دايره اي ، با ساخت مدل رياضي انتقال حرارت و سيالات پانل هاي کوره قوس الکتريک از روش هاي عددي براي کاهش تلفات انرژي و کاهش توقفات کوره هاي قوس الکتريک در اثر سوراخ شدن پانل هاي آبگرد، مورد بحث و مطالعه قرار گرفته است که برخي از اطلاعات مرتبط آن با مقاله ي موجود، در ادامه مورد بررسي قرار مي گيرد.
فرضيات مدل در نرم افزار Fluent:
• ضخامت سرباره جامد شده بر روي پانل آبگرد در • سيال ورودي (آب ) به پانل ، نيوتني و تراکم ناپذير
تمام سطوح يکسان است . در نظر گرفته شد.
• سرعت و دماي آب ورودي به پانل يکنواخت در • شرايط حل معادلات براي سيال پايدار مي باشد.
نظر گرفته شد.
در اين مدل ارائه شده براي نرم افزار انسيس ، ابتدا يک مدل تشعشعي با نرم افزار مذکور ساخته شده است ، سپس کوره ي قوس الکتريک همراه با اعمال شرايط مرزي مدل و حل شده است که از آن ، توزيع دما و توزيع شار حرارتي به دست آمده و سپس در نرم افزار فلوئنت با مدل کردن پانل بدنه و اعمال شرايط مرزي ، مانند دبي آب ورودي و فشار خروجي پانل ، اطلاعات مهمي به
دست آمده است که نتايج حاصل به شرح ذيل مي باشد:
در شرايط موجود (نقطه ذوب سرباره ١٣٧٠ درجه سانتي گراد)، درصد انرژي تلف شده براي پانل هاي آبگرد ١.١٥ درصد از انرژي حرارتي کل مي باشد. با افزايش نقطه ذوب سرباره (توليد سرباره پفکي ) شار حرارتي کمتري به پانل هاي آبگرد اعمال مي شود.
درصورتي که بتوان نقطه ذوب سرباره را تا ١٤٥٠ درجه سانتي گراد افزايش داد، درصد انرژي تلف شده براي پانل هاي آبگرد به ٨.١٠ درصد از انرژي کل کاهش مي يابد.
٣- معادلات حاکم
٣-١- معرفي علايم و متغيرها
٥- روش تحقيق
هدف از انجام اين پروژه ، با توجه به بررسي هاي به عمل آمده از طرح پانل هاي آبگرد جديد کوره هاي قوس الکتريک ، ضمن مطالعه ي جامع اقدام هاي عملياتي ، اقدام به گرفتن نمونه جهت شبيه سازي آن در نرم افزار ANSYS و سپس بررسي آن در نرم افزار Fluent مي باشد. جهت ارزيابي طرح با سطح مقطع مربعي ، مطالعات متعددي انجام گرفت که نهايتا با شبيه سازي عددي و مقايسات انجام گرفته با طرح قديم افزايش طول عمر پانل ها، کاهش تلفات انرژي در کوره هاي قوس الکتريک براي پانل هاي آبگرد، افزايش سرعت گردش جريان سيال و کاهش توقفات کوره هاي قوس الکتريک در اثر سوراخ شدن پانل هاي آبگرد تثبيت اجراي امر بوده و در اين مقاله ارائه گرديد.
در اين تحقيق ، به منظور تحليل حرارتي پانل هاي کوره قوس الکتريک و محاسبه شارهاي حرارتي اعمال شده به سطوح داخلي کوره ، دو مدل پانل آبگرد بدنه با سطح مقطع دايره اي و سطح مقطع مربعي از لحاظ توزيع دما و نحوه خنک کاري سيستم مورد تحليل قرار گرفته است . مدل دوم به منظور افزايش کاري سيستم طراحي و در کوره مورداستفاده قرار گرفته است . براي نقشه هاي ارائه شده در شکل (١) و ( )، نتايج تحليل ها در فضاي مکعبي شکل که نمايي مفروض است به صورت زير مي باشد. مدل اغتشاشي مورداستفاده جهت حل معادلات جريان از نوع مدل تنش رينولدز مي باشد. اين مدل اغتشاشي در مقايسه با
