Experimentální měření a numerický výpočet tepelných toků ve spalovcí komoře s plynovým hořákem: prakticky využitelné modely pro vířivé difúzní spalování

Experimental and numerical investigation of wall heat fluxes in a gas fired furnace: practicable models for swirling non-premixed combustion

journal article - other

en

Natural gas combustion and combustion of other light hydrocarbon gases is still one of the primary means of gaining heat. This applies especially for process and energy industries, where gas combustion is used as heat source for various processes. It is therefore of crucial importance, that the combustion chamber is designed properly in order to optimize the heat transfer process. Recently, CFD (Computational Fluid Dynamics) tools have proved themselves as a great potential aid for designers and engineers. These tools allow predicting of various phenomena of practical interest. The main focus of this study is to validate a numerical model for swirling combustion in terms of wall heat fluxes using reliable measured data. The first part of this study deals with the experimental measurement of wall heat fluxes. Two burner duties are taken into account: 745 kW and 1120 kW. The second part consists in a numerical analysis of the problem. The simulations are performed using unsteady RANS with four different turbulence models coupled with chemistry and radiation models. Boundary conditions are set identically to the experiment. Two simulations are performed (one for each burner duty) and fine-tuned. The measured and simulated wall heat flux profiles are finally compared and shortcomings if the numerical model are reported and discussed.

Spalování zemního plynu a dalších lehkých uhlovodíků je stále jedním z primárních zdrojů výroby tepelné energie. Toto platí zejména pro procesní průmyslu a energetiku, kde spalování plynu je používáno jako zdroj energie v mnoha různých procesech. Je proto velmi důležité, aby spalovací komory byly zkontruované vhodně, tj tak, aby optimalizovaly přenos tepla. CFD modelování se ukazuje být nástrojem, který má velký potenciál pomoci v tomto ohledu konstruktérům. Umožňuje totiž predikce různých jevů praktického významu.Tato studie je zaměřena především na ověření numerického modelu spalování pomocí tepelných toků s využitím solehlivých naměřených dat. První část studie je zaměřena na experimentální měření tepelných toků. Jsou zapracovány dvě výkonové úrovně, 745 a 1120 kW. Druhá část obsahuje numerickou analýzu tohoto procesu. Simulace jsou provedeny s použitím časově závislé formulace tzv. RANS přístupem s čtyřmi běžnými modely turbulence, spojenými s modelem pro chemické reakce a přenos tepla radiací. Okrajové podmínky jsou nastaveny v souladu s experimentálními podmínkami.Jsou analyzovány a odladěny predikce pro oba výkony hořáku. Konečně, naměřené a vypočtené profily odvedených tepelných toků jsou porovnány a na základě tohoto srovnání jsou identifikovány a diskutovány nedostatky numerických modelů.

Natural gas combustion and combustion of other light hydrocarbon gases is still one of the primary means of gaining heat. This applies especially for process and energy industries, where gas combustion is used as heat source for various processes. It is therefore of crucial importance, that the combustion chamber is designed properly in order to optimize the heat transfer process. Recently, CFD (Computational Fluid Dynamics) tools have proved themselves as a great potential aid for designers and engineers. These tools allow predicting of various phenomena of practical interest. The main focus of this study is to validate a numerical model for swirling combustion in terms of wall heat fluxes using reliable measured data. The first part of this study deals with the experimental measurement of wall heat fluxes. Two burner duties are taken into account: 745 kW and 1120 kW. The second part consists in a numerical analysis of the problem. The simulations are performed using unsteady RANS with four different turbulence models coupled with chemistry and radiation models. Boundary conditions are set identically to the experiment. Two simulations are performed (one for each burner duty) and fine-tuned. The measured and simulated wall heat flux profiles are finally compared and shortcomings if the numerical model are reported and discussed.

CFD, Spalování, Difúzní, Tepelné toky stěnou

CFD, Combustion, Non-premixed, Wall heat fluxes

2012

25.08.2012

AIDIC Servizi S.r.l.

Milano, Italy

1974-9791

29

2

1399–1404

6