بخشی از مقاله
چکیده
کوره هاي صنعتی دما بالا، امروزه در بسیاري از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. بحث طراحی و عایق کاري این کوره ها یکی از مباحث مهم در صنعت است که به طور فراوان به آن پرداخته می شود. در این مقاله هدف شبیه سازي و عایق کاري یک کوره صنعتی دما بالا است به طوریکه بهترین راندمان را نتیجه دهد. براي این منظور جهت طراحی و مش بندي طرح از نرم افزار گمبیت و براي تحلیل و شبیه سازي عددي از نرم افزار انسیس-فلوئنت استفاده شده و بحث بهینه سازي نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
پروژه در چهار حالت مختلف بررسی و در نهایت بین هر چهار حالت مقایسه صورت گرفته است. نتایج شامل موازنه کوره در هر حالت به همراه تحلیل معادلات پیوستگی، مومنتوم، توربولانس و انرژي است. بردارهاي سرعت به همراه پروفیل دمایی در هر حالت بدست آمده و در مورد آنها بحث شده است. در نهایت بهینه ترین حالت به همراه مواد مورد استفاده ارائه شده اند.
-1 مقدمه
آتش، احتراق و کوره از ابزارهاي اصلی توسعهي جوامع بشري و تمدن بودهاند. کورهها و گرمکنها به صورت مستقیم و غیر مستقیم، براي تولید تقریبا تمام ابزارها و همچنین خوراك و پوشاك به کار برده میشوند. کورهها بطور مستقیم در تولید فلزات، بستهبندي غذا یا نوشیدنی و همچنین به صورت غیر مستقیم، به عنوان مثال در تولید ابزارهاي کشاورزي به کار میروند. حتی در تولید یک محصول ساده مثل تختهي الوار نیز نیاز به یک مرحله خشک کردن وجود دارد که باید در یک کوره انجام شود.
انسان اولیه غذا را بر روي آتشهاي روباز طبخ میکرده است. در آتش روباز کنترل کمی بر فرآیند گرمایش وجود دارد. عصر برنز و پیدایش ریختهگري در حدود 5000-6000 سال پیش، مستلزم ساخت کوره با جریان هواي اجباري و حصول دماهاي گدازش سنگ معدن و تولید فلز مذاب بوده است. به این ترتیب، تولید فلز تا قرنها در مقیاس کوچک انجام میشود تا که دلیل آن کمیاب بودن سوخت مناسب - زغال سنگ - و هزینه بالاي تولید آن بود. تا آنکه آبراهام داربی که بیشتر سالهاي عمرش را به مطالعه در زمینه چگونگی کاهش هزینه تولید چدن اختصاص داده بود، با استفاده از کک به جاي زغال سنگ نقطه عطفی را در این صنعت پایه گذاشت. نتیجه موفقیت او، ساخت اولین پل آهنی جهان در سال 1779 بر روي رودخانهي سیورن در کلبروکدیل در شمال شرقی انگلستان بود.
کار مبتکرانه داربی اساس انقلاب صنعتی را بنا نهاد؛ زیرا تولید آهن دیگر محدود به منابع سوخت نبود. کورههاي بلند بسیاري در منطفهي دره سیورن ایجاد شدند و حتی دید هنرمندان را در نشان دادن آن ناحیه تحت تاثیر قرار داد که نمونهاي از آن در نقاشی آن زمان نشان داده شده است. این اثر اکنون در موزه علم لندن قرار دارد. داربی همچنین از ماشینهاي بخار براي به کار انداختن دمندههاي کوره خویش استفاده کرد و به این ترتیب وابستگی عملیات به انرژي آب و آبشارهاي محلی را کم کرد. این وابستگی باعث مشکلات بسیار و توقفهاي بسیار در پروسه تولید میشد.
تقریبا همه ابزارها و مواد غذایی در مرحلهاي از فرآیند تولید مورد گرمایش قرار میگیرند. فرآیندهاي گرمایش را میتوان به سادگی به فرآیندهاي دما- بالا و دما- پایین تفسیمبندي کرد یا این که مرز کاملا واضحی براي تعریف این دماها وجود ندارد، ولی اگر دماي دیوارهها در فرآیندي، کمتر از 400-800 ◦C باشد به عنوان فرآیند دما پایین و اگر بالاتر از 500-800 ◦C باشد، به عنوان فرآیند دما بالا شناخته میشود. فرآیندهاي دما بالا شامل فرآیندهاي تولید سیمان یا آهک، تولید آجر یا سرامیک، اغلب فرآیندهاي فلز کاري، فرآیند ساخت شیشه و غیره هستند. از فرآیندهاي دما پایین میتوان به فرآیندهاي خشک کردن، فرآوري غذا و استریلیزه کردن، تولید بخار، پالایش نفت و غیره اشاره کرد.
اطمینان از راندمان بالاي انرژي در فرآیندهاي دما بالا از فرآیندهاي دما پایین مشکلتر است. فرآیندهاي دما پایین مثل تولید بخار معمولا داراي راندمانی بیش از 80% هستند؛ در حالی که راندمان در فرآیندهاي دما بالا به ندرت به بیش از 50% میرسد. به دلیل محدود بودن منابع سوختی، مهندسان طراح کوره امروزه ملزم به افزایش راندمان کوره هستند. این الزام ناشی از مسائل زیست محیطی و تولید کمتر گازهاي گلخانهاي و همچنین ناشی از مسائل اقتصادي به دلیل هزینه زیاد سوختهاي فسیلی به ویژه نفت و گاز است.
-2 روش تحقیق
در این مقاله سعی شده تا دو بحث کلی مطرح شود. اول بحث هندسه و نوع خروجی هاي کوره و دیگري بحث عایق کاري و مواد مورد استفاده جهت عایق کاري کوره هاي صنعتی دما بالا. براي این منظور مدلی که در بخش بعد معرفی می شود ارائه شده و گیت هاي وروردي و خروجی کوره مورد بحث قرار خواهند گرفت. سپس براي تحلیل و شبیه سازي مدل از نرم افزار انسیس-فلوئنت 14.5 استفاده و معادلات حاکم حل شده و نتایج بدست آمده مورد بررسی قرار گرفته اند. هدف انتخاب و بدست آوردن یک حالت بهینه جهت ساخت یک کوره صنعتی دما بالا می باشد.
-1-2 مدل مسئله
مدل مسئله در شکل1 نشان داده شده است. یک کوره ریلی که داراي یک ورودي از پایین، دو اگزاست از کناره ها و گیت ورودي و خروجی از سمت چپ و راست جهت ورود و خروج ماده مورد استفاده که متغیر می باشد. گیت هاي ورودي و خروجی در دو حالت بررسی شده اند: عرض 1سانتی متر و طول 1متر، عرض 2سانتی متر و طول 1متر. هندسه در نرم افزار گمبیت رسم و مش بندي شده است. تعداد مش در حدود 1500000 بوده و کشیدگی آن زیر .7 می باشد. در شکل2 نمونه مش بندي مشاهده می شود. لازم به ذکر است که بعد از محاسبات دیرگداز به ضخامت 20 سانتی متر از هر طرف و آجرنسوز به ضخامت 10سانتی متر نیز به ابعاد کوره افزوده شده که در شکل1 نمایان است.
شکل -1 مدل کوره استفاده شده
شکل -2 مش بندي مدل در نرم افزار گمبیت
-2-2 معادلات و روابط حاکم بر مسئله
در مجموع مسئله داراي 7معادله کلی است که باید حل شوند. این معادلات شامل:
معادله پیوستگی، معادلات مومنتوم در سه بعد، معادله توربولانس، معادله انرژي و تشعشع می باشد. روابط تحلیلی حاکم بر این معادلات به فرم زیر ارائه شده اند:
روابط بالا به ترتیب نشان دهنده -1معادله پیوستگی، -2معادله مومنتوم که ترم آخر آن همان جمله رینولدز استرس است که نشان دهنده توربولانس می باشد، -3معادله انرژي که هدایت و جابجایی را در خود جا داده است. علاوه بر این روابط، روابط 4 و 5 که نشان دهنده جابجایی طبیعی و تشعشع می باشند نیز در این مسئله حل شده اند
