بخشی از مقاله
چکیده
هدف از پژوهش اخیر مدل سازي فرآیند خشک شدن تک گندله آهن با کمک نرمافزار Fluent بهمنظور دستیابی به مدلی کارآمد براي پیشبینی رفتار گندلهها در داخل بستر میباشد. در این پژوهش اثر سرعت جریان هواي ورودي بر فرآیند خشک شدن مورد بررسی قرارگرفت. فرآیند خشک شدن در سه سرعت 0/7، 1/5 و 2/5 متر بر ثانیه و با گاز ورودي خشک با دماي 150 درجه سانتیگراد انجام شد. نتایج حاصله نشان میدهد که با افزایش سرعت هوا رفتار مدل از مدل هسته کوچک شونده فاصله گرفته و همچنین این هسته از مرکز گندله خارج شده و به عقب رانده میشود. زمان خشک شدن نمونههاي 1 تا 3 به ترتیب 574، 430 و 340 ثانیه بهدست آمد.
مقدمه
گندله آهن یکی از مواد اولیه مهم در صنعت تولید آهن به شیوه احیاي مستقیم به شمار میآید. گندلهها همچنین بهعنوان شارژ در کوره بلند نیز مورداستفاده قرار میگیرند. ازاینجهت خواص فیزیکی و مکانیکی آنها از اهمیت بالایی برخوردار است. سنگ معدن پس از آسیا و سرند شدن با افزودن آب و مواد افزودنی تبدیل به گندلههاي خام می شود . این گندلهها سپس وارد کورههاي پخت شده، ابتدا خشکشده و سپس وارد منطقه پیش گرم و سپس پخت کامل و سرد شدن میگردند.
در مرحله خشک شدن گندلهها ابتدا از پایین در معرض جریان هواي داغ قرار گرفته تا استحکام لازم در لایههاي زیرین تأمین و سپس وارد مرحله خشک شدن از بالا میشوند. از آنجاییکه 25 درصد مصرف انرژي در پخت گندله در این بخش مصرف میشود، مطالعه دقیق فرآیند از اهمیت بسزایی برخوردار است. همچنین کنترل نرخ تبخیر و دماي گاز ورودي بهمنظور جلوگیري از ازدیاد فشار داخلی و متعاقب آن ایجاد ترك که باعث اکسیداسیون سریع آنها پس از احیا می شود از اهمیت بالایی برخوردار است
مدلسازي
هندسه مسئله
این مسئله شامل یک تک گندله کروي به شعاع 0/6 سانتیمتر معلق درون یک کوره استوانهاي شکل به شعاع 5 سانتیمتر و طول 15 سانتیمتر است که گندله تر مطابق شکل 1 در 1/3 ابتدایی کوره قرارگرفتهاست. جریان هواي داغ و خشک از سمت چپ کوره با سرعتهاي معین فرضی، که به دلیل تفاوت سرعت جریان در لایه هاي مختلف بستر گندله در نظر گرفتهشدهاند، وارد و از سمت راست کوره خارج میگردد.
شبیهسازي
شبیهسازي توسط نرمافزار تجاري Ansys Fluent نسخه 17 و بهصورت تک فاز انجام شدهاست. در این شبیهسازي به دلیل وجود تقارن از شرط مرزي تقارن محوري استفاده شدهاست. همانطور که در شکل 1 دیده میشود نصف سطح مقطع کوره و گندله رسم شده و محور تقارن منطبق بر محور X در نظر گرفته شدهاست. به دلیل خطاي موجود در پیشبینی انتقال حرارت به جسم متخلخل در نرمافزار فلوئنت [6] و با توجه به تراکم ذرات جامد در سطح گندله [3]، از مدلی شامل گندله با تخلخل متغیر و یک لایه جامد به ضخامت صفر بر سطح آن، در شبیهسازي فرآیند استفاده شده است. شرط تشخیص همگرایی براي باقیمانده هاي پیوستگی و سرعت کوچکتر از 10-4 ، گونهها 10-5 و براي انرژي 10-6 نسبت به تکرار قبل در نظر گرفتهشده تا خطاي ناشی از تکرار تا حد ممکن ناچیز باشد. بهمنظور کاهش خطاي ناشی از مشبندي، آزمون استقلال جواب از مش انجام شدهاست. فرضیات زیر بهمنظور سهولت در مدلسازي فرآیند بهکاربرده شدهاند:
• آب درون گندله بهصورت آزاد است.
• انتقال حرارت در داخل گندله از طریق هدایت انجام میشود.
• انتقال جرم بخار در دماي جوش توسط معادله فیک مدل شدهاست.
معادلات حاکم و شرایط مرزي
معادلات بقاي پیوستگی و مومنتوم و انرژي در تمامی مراجع دینامیک سیالات محاسباتی شرح داده شدهاست .[7] لذا از تکرار آنها در این مقاله اجتناب می شود صرفاًو روابط و معادلات مورد استفاده شرح داده میشود. این معادلات بهصورت کدهاي UDF1 به زبان C++ در نرمافزار فلوئنت مورد استفاده قرار گرفتهاند. شرایط اولیه و مرزي مورد استفاده مطابق جدول 1 میباشد.
مکانیسمهاي خشک شدن
تبخیر سطحی
در ابتداي فرآیند خشک شدن گندله در جریان هوا در دماي زیر نقطه جوش، تبخیر از سطح صورت میگیرد و تا زمانی که نرخ نفوذ آب به سطح از نرخ تبخیر بیشتر است ادامه پیدا میکند . در این مرحله اختلاف میان فشار بخار تعادلی در هر دما در سطح گندله و رطوبت نسبی هواي اطراف، نیروي محرك انتقال جرم است
