بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر، انتقال حرارت و جریان سیال در حالت گذرا در یک پانل خنککننده درپوش کوره قوس الکتریک شبیهسازی شده است. چگونگی توزیع و تغییرات دما در دو سمت سرد و گرم لولههای پانل با تغییر سریع شرایط مرزی مساله بر حسب زمان که در زمان شارژ کوره اتفاق میافتد، ارایه شده است.
هدف اصلی، یافتن توزیع دما در این لولههای پانل و بررسی دلایل خرابی آن جهت جلوگیری از توقف کار کوره و خسارتها و هزینههای ناشی از این توقفات میباشد. پس از تولید هندسه پانل در نرمافزار سالیدورکس، این هندسه توسط شبکه با سازمان گسستهسازی شده است. جریان لزج و تراکمناپذیر سیال و انتقال حرارت روی شبکههای باسازمان سه بعدی حل شد. دمای آب خروجی و توزیع دمای پانل در زمانهای مختلف سیکل کاری جهت محاسبه خستگی و تنشهای حرارتی به وجود آمده در پانل به علت گرم و سرد شدن آن ارایه شده است.
مقدمه
کوره های قوس الکتریک به واسطهی تولید قوس الکتریکی و مواد مذاب درون آن دارای دمای داخلی بسیار بالایی میباشند. برای تولید فولاد با استفاده از کورههای قوس الکتریک نیاز به کار مداوم کوره میباشد و هرگونه توقف کوره باعث کاهش ظرفیت تولید و ایجاد ضرر و کاهش سود قابل توجهی به واحد صنعتی مربوطه میشود. ازاینرو برای افزایش توان تولید و تعداد ذوب بیشتر کورهها بایستی اجزای داخلی کوره در مقابل دماهای بسیار بالا و تنشهای حرارتی ناشی از آن محافظت شوند
به منظور عایق کردن حرارتی و محافظت جداره کوره از دو روش آجر نسوز یا پانلهای خنک شوندهی آبی استفاده میگردد. در شکل 1 نمایی از دو روش آجر نسوز و پانل خنک شونده مشاهده میشود.
تجربیات بدست آمده در صنایع فولادسازی نشان میدهد که استفاده از پانلهای خنکشونده در کورههای قوس الکتریک به جای آجرهای نسوز باعث افزایش راندمان کار و صرفهجویی اقتصادی عمده ای در کار تولید شده است و لذا در بیشتر کورهها از این روش استفاده میشود.
شکل :1 بدنه کوره قوس الکتریک با آجر نسوز و پانلهای خنککننده
یکی از مراحل تولید فولاد در کورههای قوس الکتریک، شارژ کوره توسط آهن قراضه و آهن اسفنجی میباشد.
شکل :2 مرحله شارژ کوره قوس الکتریک
در مرحله شارژ کوره، درپوش از روی کوره بلند شده و کنار می-رود تا فضا برای تخلیه آهن قراضه فراهم گردد. تا زمانی که درپوش بر روی کوره قرار دارد در مقابل شار حرارتی بالای ناشی از مذاب میباشد اما با جابجا شدن درپوش این شار حرارتی به طور پیوسته از روی درپوش برداشته میشود و لولههای پانل در معرض جابجایی طبیعی با هوا قرار میگیرند. در شکل 2 نمایی از مرحله شارژ کوره توسط آهن قراضه مشاهده میشود.
درپوش کوره همانند بدنه آن به وسیله تعدادی پانل خنککننده پوشانده میشود. در شکل 3 پانلهای خنککننده درپوش کوره قابل مشاهده میباشد.
شکل :3 پانلهای خنک کننده درپوش کوره
به واسطهی دبی نسبتا زیاد آب خنککننده درپوش، با برداشته شدن شار حرارتی درپوش به سرعت خنک میشود. این سرد و گرم شدن متوالی باعث ایجاد خستگی و تنشهای حرارتی سیکلی در پانل شده که به شدت عمر کاری آن را کاهش میدهد.
هدف در این تحقیق شبیهسازی این رفتار سیستم و بدست آوردن نحوهی تغییرات دما در پانل برحسب زمان جهت تحلیل خستگیها و تنشهای حرارتی در آن میباشد.
برای بررسی دلایل شکست و ترک خوردن و نشتی در سیستم پانلهای خنکشونده کوره قوس مطالعات اندکی صورت گرفته است. این تحقیقات به صورت تجربی و آزمایشگاهی و یا به صورت شبیه-سازی عددی صورت گرفته که در اینجا به بعضی از این تحقیقات اشاره میشود.
صارمی و همکاران [1]، در سال 1375 به بررسی علل خوردگی در سیستم پانلهای خنک شوندهی کورهی قوس الکتریک واحد فولادسازی مجتمع فولاد مبارکه پرداختند. در مشاهدات اولیه آنها آثار شدید سایش در قسمتهای خاصی از لولهها همراه با وجود ترکهای متعدد در مقطع آنها تشخیص داده شد.
اسلامی و همکاران [2]، در سال 1388 به بررسی علت نشتی پانلهای آبگرد دیواره کوره قوسالکتریکی در مجتمع فولاد مبارکه پرداختند. آنها برای بررسی علت شکست، به وسیلهی میکروسکوپ نوری متالوگرافی و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی به آنالیز ناحیه شکست پرداختند.
مهرجردی و همکاران [3] ، 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. با استفاده از مدل تشعشعی ساخته شده در نرمافزار انسیس و اعمال شرایط مرزی مناسب، توزیع دما و شار حرارتی در سطوح داخلی کوره قوس الکتریک محاسبه گردید.
کنعانی و همکاران [4]، 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 کرده و نتایج را با توجه به اطلاعات تجربی بدست آمده از شرکت فولاد خوزستان مطابقت دادند. آنها با اعمال شرایط مرزی مناسب و استفاده از مدل سطح به سطح برای حل معادلات گسسته سازی شده تشعشع، سهم انرژی بر روی پانلهای آب خنک-کن دیوار و درپوش کوره و دمای این سطوح و همچنین مقدار شار حرارتی منتقل شده از قوس الکتریک به سطح مذاب را بدست آوردند.
بهبهانی نژاد و حاجیدولو [5]، در سال 1388 به تحقیق پیرامون بهبود سیستم خنک کاری پانلهای درپوش کورههای ذوب 5 و 6 مجتمع فولاد خوزستان پرداختند. آنها طبق آمارهای شرکت از توقفات کار کورهها دریافتند که کورههای 5 و 6 فولاد خوزستان دارای بیشترین آمار توقف بوده و در آنها پانلهای درپوش هستند که به علت محل قرار گیری آنها در کورهها بیشترین آسیب دیدگی را دارند.
در تحقیقات تجربی که انجام شده است تنها به علت شکست حاصل از جنس پانلها و آلودگی آب خنککننده اشاره شده است. در شبیهسازیهای عددی انجام شده نیز تنها توزیع دما و شار در حالت پایا بر روی فضای داخلی کوره بدست آورده شده و تحقیقی در حالت گذرا انجام نگرفته است. در این تحقیق علاوه بر شبیهسازی حالت دایم حالت گذرای پانل نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
مدلسازی هندسی
هندسه مساله با استفاده از نقشههای پانل خنککننده در نرمافزار سالیدورکس تولید شد. در شکل 2 نمایی از هندسه پانل خنککننده مشاهده میشود. برای ترسیم هندسه در نرمافزار ابتدا بایستی ترسیمهی اولیهای از مدل کشیده شود و بعد از کشیدن ترسیمه با استفاده از دستور جاروب و انتخاب شکل مقطع و مسیر مناسب هندسهی مورد نظر ساخته میشود.
شکل :4 هندسه تولیدی پانل خنک کننده
معادلات
معادلات حاکم بر جریان سیال درون لوله معادلات ناویر- استوکس به همراه معادلهی انرژی میباشند. با توجه به عدد رینولدز در لوله این معادلات بایستی برای رژیم جریان آشفته نوشته شوند:
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 تنشها را طبق معادله 4 به سرعت متوسط جریان ارتباط میدهد.
برای حل معادلات آشفتگی نیاز به یک مدل ریاضی برای تنش-های نوسانی آشفته میباشد. برای شبیهسازی جریان آشفته، از مدل k- استاندارد استفاده شده است. در این مدل انرژی جنبشی آشفتگی و نرخ استهلاک آشفتگی از معادلات زیر بدست میآیند:
جهت محاسبه میزان شار اعمال شده بر پانل خنککننده درپوش کوره از رابطه زیر استفاده شده است. مقادیر دبی و اختلاف دمای آب خنککننده از مقادیر گزارش شده شرکت فولاد خوزستان استفاده شده است.
شرایط مرزی
برای حل عددی فرم گسسته معادلات دیفرانسیلی پارهای، تعیین شرایط مرزی و اولیه الزامی می باشد . در شبیهسازی عددی جریان سیال نیز علاوه بر مطرح بودن بحث ریاضی حل معادلات، باید نوع و فیزیک جریان نیز در مرزهای دامنه محاسباتی تعیین شوند. بنابراین هدف از تعریف شرایط مرزی در دینامیک سیالات عددی، مقید ساختن فرم گسسته معادلات برای حل آن در یک چارچوب خاص و نیز تعریف ویژگی جریان در مرزهای دامنه محاسباتی میباشد.
در مسئله حاضر برای جریان آب ورودی از شرط مرزی سرعت ورودی، در خروجی از شرط مرزی جریان خروجی و در دیوارههای مشترک بین مرز جامد و سیال که صفحات داخلی لوله میباشند از شرط مرزی انتقال حرارت مزدوج یا همان معادلات کوپل استفاده شده است.
برای صفحات بیرونی لوله نیز شرط مرزی انتقال حرارت جابجایی با هوای آزاد با ضریب انتقال حرارت و دمای مشخص برای صفحات بالایی پانل اعمال شده است و برای صفحات پایینی پانل شرط مرزی شامل دو قسمت حالت پایا و حالت گذرا میباشد.
در حالت پایا شرط مرزی شار حرارتی ثابت اعمال میشود. در حالت گذرا شرط مرزی از شار حرارتی با مقدار ثابت به صورت خطی نسبت به زمان کاهش مییابد و پس از گذشت 20 ثانیه شار حرارتی از روی پانل برداشته شده و شرط مرزی به انتقال حرارت جابجایی با هوای آزاد با دما و ضریب انتقال حرارت مشخص تغییر میکند و پس از 2 دقیقه که درپوش در هوای آزاد قرار گرفت شرط مرزی در مدت زمان 20 ثانیه به روی کوره برگشته و دوباره شرط مرزی به شار حرارتی تغییر میکند. شرایط مرزی و مقادیر آنها در جدول 1 آورده شده است.
جدول :1 شرایط مرزی
تولید شبکه
برای گسستهسازی میدان محاسباتی در لولهی خنککننده ابتدا باید نواحی محاسباتی را ایجاد کرد. همانطور که قبلا اشاره شد هندسهای که توسط نرمافزارهای طراحی تولید شد به شکل یک پانل واقعی بود. با وارد کردن هندسه به درون گمبیت هندسهی تولیدی تنها دارای یک حجم که همان گوشت لوله است، میباشد.
برای شبیهسازی کاملتر بایستی آب درون لوله نیز شبکه زده شود برای این کار باید حجم درون لوله با استفاده از صفحات موجود در گمبیت تولید شود. پس از به وجود آوردن حجم سیال، ناحیههایی که بایستی در آن ها تولید شبکه کرد، دو ناحیه سیال و جامد میباشند . شبکه ای که در این تحقیق تولید شده است یک شبکه باسازمان با سلولهایی به شکل چهارضلعی/ شش وجهی میباشد.
شکل :5 شبکه تولید شده در سیال درون زانویی لوله
