Numerical study of heat transfer coefficient of titanium reactor wall at air cooling

Abstract

Работа посвящена численному изучению теплового режима поверхности реторты в аппарате для производства титана. Рассматривается задача сопряженного теплообмена между стенкой цилиндрической реторты и стенкой печи с нагревателями. Между стенками находится зазор, через который прокачивается воздух. Целью работы является получение оценок для температурного режима стенки реторты и коэффициента теплоотдачи с ее поверхности при различных режимах нагрева и охлаждения аппарата. Данные о распределении тепловых потоков на стенках реторты необходимы для расчета турбулентных конвективных течений жидкого магния внутри реторты, поскольку неоднородность температуры может оказывать существенное влияние на процессы, происходящие у нее внутри. Расчетная область состоит из твердых стенок, между которыми движется воздух. Математическая модель основывается на системе нестационарных уравнений Навье–Стокса в осесимметричной постановке с применением RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes equations) подхода к описанию турбулентных полей. Модель позволяет наряду с механизмами вынужденной конвекции и теплопроводности учитывать также и радиационный теплообмен между двумя противоположными стенками. Изучаются четыре варианта нагрева, возможные при работе реактора. Получены оценки для необходимой скорости обдува, при которой удается сохранять нагрев стенки реторты в рабочем диапазоне от 750 до 950oС во всех режимах. Показано, что температура вдоль исследуемого участка стенки реторты неоднородна. Для коэффициента теплоотдачи с боковой поверхности реторты построены зависимости от вертикальной координаты и проведено их сопоставление с известной формулой расчета коэффициента теплоотдачи от плоской бесконечной поверхности с постоянным тепловым потоком через нее. Установлено, что в обсуждаемом случае, который является более сложным, рассчитанные значения коэффициентов оказались близки к предсказываемым известными инженерными формулами значениям только в части исследованных режимов. Обнаружено, что в значительном диапазоне рассматриваемых параметров наблюдаются заметные отличия полученных зависимостей от упрощенных оценок. Наибольшая разница имеет место вблизи входа в канал, где градиенты температуры максимальны.