Моделирование тепловых режимов в канале воздушного охлаждения аппарата восстановления титана

T O Karasev,A V Perminov

doi:10.17072/1994-3598-2021-4-39-51

Abstract

Numerical modeling of thermophysical processes in the air cooling channel of titanium sponge reduction apparatus is performed. The cooling channel is an area bounded by a retort filled with liquid magnesium and the apparatus wall, on which heating elements are mounted. Air flows inside the channel, cooling the retort. A mathematical model is constructed based on unsteady Navier-Stokes equations in axisymmetric formulation using a k-ω SST turbulence model. The model takes into account the radiation heat transfer between the retort and reactor walls. Four variants of thermal boundary conditions are considered. The aim of this work is to create a mathematical model of conjugate heat transfer in an air channel. Based on this model, the temperature conditions of the retort wall are calculated and the profiles of the heat transfer coefficient along the retort wall for a wide interval of air flow rates are obtained. It is shown that temperature distributions along the retort are heterogeneous and strongly depend both on external boundary conditions and on the cooling intensity. Heat transfer coefficient distributions from its outer wall for different retort heating conditions are plotted and an empirical formula for calculating the profile of this coefficient is proposed.

Highlights

Выполнено численное моделирование теплофизических процессов в канале воздушного охлаждения аппарата восстановления титановой губки
The cooling channel is an area bounded by a retort filled with liquid magnesium and the apparatus wall, on which heating elements are mounted
Air flows inside the channel, cooling the retort

Summary

Введение

Промышленное производство титана методом Кролля [1,2], преобладающим в настоящее время – способ восстановления титановой губки, реализованный на наиболее крупных металлургических комбинатах. В работе [4] в зоне охлаждения реторты были использованы граничные условия (ГУ) третьего рода, но с фиксированным значением коэффициента теплоотдачи, не учитывающим неравномерность его распределения вследствие сложной картины течения внутри воздушного зазора. Основной целью данной работы является разработка математической модели, учитывающей геометрию канала охлаждения и расположение нагревателей, что позволит рассчитать достоверные профили распределения коэффициента теплоотдачи, температуры, тепловых потоков на внешней поверхности реторты для различных конфигураций нагрева при разных скоростях обдува. Полученные распределения в дальнейшем могут быть использованы в качестве граничных условий третьего рода, куда явно входит коэффициент теплоотдачи, для моделирования турбулентной конвекции жидкого магния в реакторе восстановления титановой губки. В действительности, воздушный зазор имеет эффективную длину охлаждения внешней стенки реторты около 3.3 м, распределение скоростей вдоль которой существенно неоднородно и зависит от многих факторов, например, скорости входящего воздушного потока, расположения отверстий подачи и отведения воздуха, сложной геометрии канала охлаждения.

Математическая постановка

Результаты расчетов

Заключение

13. Sergeev