بخشی از مقاله
چکیده
در دنیای مدرن امروزی فولاد یکی از مهمترین مواد تشکیل دهنده سازهها میباشد. کورهای قوس الکتریک در صنایع فولادسازی نقش بسیار مهمی دارند.دمای داخلی این کورهها به بالاتر از 1500 میرسد. برای جلوگیری از آسیب رسیدن به اجزای درونی کوره، بدنه و درپوش کوره به وسیلهی تعدادی پانل خنککننده پوشانده میشوند. بدین منظور شبیه سازی مدل واقعی از این پانلها و توزیع دما بر آنها ضروری میباشد.
در این تحقیق برای بررسی توزع دما، اقدام به شبیهسازی انتقال حرارت در پانل خنککنندهی درپوش شده است و سپس برای کاهش گرادیان دما نمونهای از پانل خنک کننده شبیه سازی شده و با پانل خنک کننده اصلی مقایسه شده است. برای این کار در ابتدا هندسهی سه بعدی آن توسط نرم افزار سالیدورکس تولید و سپس وارد نرمافزار نرمافزار گمبیت2 شده و شبکهی مناسب در آن ایجاد شد.معادلات حاکم بر مسئله توسط نرم افزار فلوئنت3 شبیهسازی و حل گردید و سپس، توزیع دما بر روی لوله ی پانل خنک کننده بدست آمد.
مقدمه
در واحدهای صنعتی توقف ناخواسته خط تولید حتی برای مدت زمان کمی میتواند ضرر مالی و هدر رفت انرژی بسیاری به آن واحد وارد کند. صنایع فولادسازی یکی از این واحدهای صنعتی میباشند. یکی از دلایل توفق تولید کوره میشود سوراخ شدن و عدم خنک کاری لوله های خنک کننده موجود در کوره در مقابل حرارت بسیار بالای درون کوره میباشد .[1]دماهای بالای درون کوره باعث ایجاد گرادیانهای دمای بالا و درنتیجه تنشهای حرارتی میشود. این تنشهای حرارتی میتواند باعث کاهش عمر لوله های خنک کننده شوند. در شکل 1 میتوان پانلهای خنک کننده درپوش کوره قوس را مشاهده کرد.
از آنجاییکه کوره ای قوس الکتریک از اهمیت بسیاری در صنایع فولادسازی برخوردارند، مستلزم انجام مطالعات علمی و عملی در زمینه بهینه سازی انرژی و افزایش تولید در آنها میباشد. به منظور محقق ساختن این مهم ضروری بود که مدل واقعی از یک پانل خنک کننده کوره قوس الکتریکی ایجاد و در شرایط دمایی واقعی شبیه سازی شود. در انتها جهت جلوگیری از توفقهای ناشی از خرابی پانلها یک طرح بهینه برای طرح پانل خنک کننده ارایه و شبیه سازی شده است.
در اینجا ضروری است به چند تحقیق که در زمینه کورههای قوس الکتریک انجام شده اشاره کرد.مهرجردی و همکاران [1]، در سال 1387 به شبیهسازی حرارتی پانلهای آبگرد در کورههای قوس الکتریک مجتمع فولاد مبارکه پرداختند. در تحقیق آنها به منظور تحلیل حرارتی پانلهای آبگرد در کوره قوس الکتریک مدلی تشعشعی با نرم افزار انسیس و مدل سیالاتی با نرمافزار فلوئنت و گمبیت طراحی گردید.
کنعانی و همکاران [2]، در سال 1386 به ارایه یک مدل عددی- تجربی جهت محاسبه انتقال حرارت در کورههای قوس الکتریک پرداختند. آنها برای درک بهتر فرایند ذوب در کورههای قوس الکتریک مدلی تشعشعی برای بررسی چگونگی توزیع این انرژی در داخل کوره معرفی کردهاند و نتایج را با توجه به اطلاعات تجربی بدست آمده از شرکت فولاد خوزستان مطابقت دادند.
هنینگ و همکاران [3]، در سال 2010 با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و اعمال شار حرارتی مشخص به سه نوع پانل خنککننده درپوش یک کوره قوس الکتریک، اقدام به شبیهسازی انتقال حرارت و جریان سیال در پانلها کردند و توزیع دما و سرعت جریان آب در آنها را بدست آوردند.
بهبهانی نژاد و حاجیدولو [4]، در سال 1388 به تحقیق پیرامون بهبود سیستم خنککاری پانلهای درپوش کورههای ذوب 5 و 6 مجتمع فولاد خوزستان پرداختند. آنها طبق آمارهای شرکت از توقفات کار کورهها دریافتند که کوره-های 5 و 6 فولاد خوزستان دارای بیشترین آمار توقف بوده و در آنها پانلهای درپوش هستند که به علت محل قرارگیری آنها در کورهها بیشترین آسیب دیدگی را دارند.آیرونز1 و گو[5] 2، در سال 2003 به بررسی جریان سیال و انتقال حرارت در کورههای قوس الکتریک پرداختهاند. آنها با ارایهی یک مدل تشعشعی برای کورهی قوس الکتریک جریان متناوب با سه الکترود و توان 100 مگاوات به تشریح انتقال حرارت در این کورهها پرداختهاند.
روش تحقیق
برای انجام این تحقیق لازم است ابتدا هندسه پانل از روی نقشههای موجود به صورت سه بعدی مدلسازی شود. این هندسه با استفاده از نرم افزار سالیدورکس ایجاد شده است. در شکل 1 هندسه تولید شده را مشاهده میکنید. سپس هندسه ایجاد شده به منظور اعمال شرایط مرزی و حل معادلات حاکم و محاسبه میدان جریان و دما در آن شبکه زده شود. معادلات حاکم، معادلات حاکم بر جریان سیال درون لوله که همان معادلات ناویر استوکس هستند و همچنین معادله انرژی میباشند.
این معادلات به ترتیب رابطهی پایستگی جرم، اندازه حرکت در جهت x، اندازه حرکت در جهت y، اندازه حرکت در جهت z و معادلهی انرژی میباشند.در روش متوسطگیری زمانی معادلات ناویر-استوکس، برای مدل کردن اثر آشفتگی نیاز است که تنشهای رینولدز به درستی مدل شوند. فرضیه بوزینسک این تنشهابه سرعت متوسط جریان ارتباط میدهد.برای حل معادلات آشفتگی نیاز به یک مدل ریاضی برای تنشهای نوسانی آشفته میباشد. برای شبیه سازی جریان آشفته، از مدل k- استاندارد استفاده شده است.
