مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی اثرات بارگذاری حرارتی در سه طرح جدید از مشعل با لوله تابشی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
محمد جواد فرحمند حبیبی
علی حسنی
علی معظمی گودرزی
دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
چکیده
در پژوهش حاضر، به بررسی توزیع تنش و کرنش ناشی از گرادیان حرارتی در لوله تابنده از یک نمونه مشعل تابشی پرداخته می‌شود. در طرح این مشعل، دریچه‌های خروجی متعددی در جداره لوله تابنده تعبیه‌شده است و سیال حاصل از احتراق در کوره از این دریچه ها تخلیه ‌‌می‌شود. برای این مشعل سه نمونه لوله تابنده استوانه‌ای با طول، قطر، ضخامت و جنس یکسان که در هرکدام طرح دریچه‌های خروج سیال متفاوت است، مدل‌سازی شده است. به‌منظور شبیه‌سازی رفتار مکانیکی لوله‌های تابنده موردمطالعه، پس از مدل‌سازی هندسی و با لحاظ کردن جنس لوله و شرایط مرزی، از مجموعه نرم‌افزار تجاری انسیس بهره گرفته‌شده است. شرایط مرزی جهت حل عددی از نتایج آزمون‌های تجربی استخراج‌شده است. با توجه به میانگین سرعت سیال درون لوله تابنده، جریان در محدوده آشفته قرار می‌گیرد. به‌منظور به دست آوردن نمودار تنش-کرنش آلیاژ مورد آزمون از حل روابط رامبرگ-ازگود بهره گرفته‌شده است. از حل برهمکنش سیال-جامد توسط نرم‌افزار تجاری انسیس، بهترین طرح ازنظر حداقل بودن مقادیر تنش فون میزز نتیجه‌گیری شده است. همچنین با حذف بار حرارتی از قطعه در گام بعدی، تنش‌های پسماند پدید آمده در نمونه‌ها توسط نرم‌افزار محاسبه می‌گردد. به‌منظور نشان دادن صحت حل، چند نمونه از این مشعل ساخته و موردبررسی قرارگرفته تا نتایج حاصل از آن‌ها تائید کننده حل عددی ‌باشد.
کلیدواژه‌ها
تنش و کرنش حرارتی
شبیه سازی برهم‌کنش سیال-جامد
مشعل لوله تابشی
تست آزمایشگاهی

موضوعات

عنوان مقاله English

Modeling Thermal Loading Effects for Three New Designs of Radiant Tube Burner

نویسندگان English

Mohamed Javad Farahmand
Ali Hassani
Ali Moazemi Goudarzi
Babol Noshirvani University of Technology
چکیده English

In present study, the stress and strain distributions due to the radiant gradient in some radiant tube burners have been investigated. In the design of the burner, several outlet valves are mounted on the wall of the burner tube and the combustion-produced fluid is discharged by the outlets into the furnace. For this purpose, three cylindrical radiant tubes with the same length, diameter, thickness and material and difference in design of fluid outlets are modeled. To simulate the mechanical behavior of the pipes, after the geometric modeling and considering the pipe material and boundary conditions, ANSYS commercial software has been used. The boundary conditions for numerical solution are extracted from the results of the experimental tests. Due to the average fluid velocity within the radial tube, the fluid flow falls into the turbulent range. In order to obtain the stress-strain diagram of the tested alloy, the Ramberg-Osgood equation is used. Due to the solution of the fluid-solid interaction by ANSYS, the best design is concluded through the Von-Mises stress minimum values. Also, by removing the thermal load from the next load step, the residual stresses generated in the samples are calculated. To illustrate the accuracy of the solution, some specimens of the burner have been made and evaluated to verify the numerical solution.

کلیدواژه‌ها English

Thermal Stress and Strain
Modeling of the Fluid-Solid Interaction
Radiant Tube Burner
Experimental tests
[1] Malek Mohamadi D., D. Jalali V. (2008). Investigation of natural gas consumption for different pieces of bread to optimize energy consumption, Second Iranian Combustion Conference, Mashhad, Iran Combustion Association, Islamic Azad University of Mashhad [Persian].
[2] Xu, Q., Feng, J., Zhou, J., Liu, L., Zang, Y., & Fan, H. (2019). Study of a new type of radiant tube based on the traditional M-type structure. Applied Thermal Engineering, 150, 849-857.
[3] Xu Q, Feng J. Analysis of nozzle designs on zoned and staged double P-type gas-fired radiant tube [J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 114: 44-50.
[4] Denev, J. A., Dinkov, I., & Bockhorn, H. (2017). Burner design for an industrial furnace for thermal post-combustion. Energy Procedia, 120, 484-491.
[5] Marugán-Cruz, C., Flores, O., Santana, D., & García-Villalba, M. (2016). Heat transfer and thermal stresses in a circular tube with a non-uniform heat flux. International Journal of Heat and Mass Transfer, 96, 256-266.
[6] Irfan M.A., Chapman W. (2009). Thermal stresses in radiant tubes due to axial, circumferential and radial temperature distributions, Applied Thermal Engineering, vol. 29, no. 10 1913–1920.
[7] Irfan M.A., Chapman W. (2010). Thermal stresses in radiant tubes: A comparison between recuperative and regenerative systems, Applied Thermal Engineering, vol. 30, no. 2–3, 196–200.
[8] Dini G., Vaghefi S.M.M., Lotfiani M., Jafari M., Safaei-Rad M., Navabi M., Abbasi S., (2008). Computational and experimental failure analysis of continuous-annealing furnace radiant tubes exposed to excessive temperature, Engineering Failure Analysis, vol. 15, no. 5, 445–457.
[9] Hellenkamp, M., Pfeifer, H. (2016). Thermally induced stresses on radiant heating tubes including the effect of fluid–structure interaction. Applied thermal engineering, 94, 364-374.
[10] Caillat, S., Pasquinet, C. (2017). Radiant tubes lifetime prediction in steel processing lines using fluid–structure interaction modelling. Energy Procedia, 120, 596-603.
[11] Mohammadi, B., Pironneau, O., Analysis of the k-epsilon turbulence model, Wiley-Masson Series Research in Applied Mathematics, 1994.
[12] Thompson, M. K. (2006). Methods for generating rough surfaces in ANSYS. In Proceedings of the 2006 International ANSYS Users Conference & Exhibition, Pittsburgh, PA.
[13] Knupp, P. M. (2001). Algebraic mesh quality metrics. SIAM journal on scientific computing, 23(1), 193-218.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 9
شهریور 1400
صفحه 575-587