On numerical analysis of thermal radiation in participating and scattering medium in metallurgical furnaces

• Autorzy: Dionizak J.

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna radiacyjnej wymiany ciepła w piecach metalurgicznych w obecności zawiesiny pyłów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

There are numerous examples of metallurgical processes, when the technological process involves single or multiphase reacting flow at high temperaturę. The influence of thermal radiation on physical and chemical processes must be accounted for when reliable process modeling results are expected. Thermal radiation calculation can be cumbersome if inadequate numerical method is applied. The paper presents the thermal radiation model for the mixed convection, conduction and radiation heat transfer with participating media. The flux and discrete ordinates methods has been used for the solution of some example problems. Finally, the model application in 3D flash smelting process simulation has been discussed, where multiphase reacting flow is strongly influenced by the thermal radiation. The obtained results shows the dominant role of radiation scattering and emission of solid/liquid particles in overall heat transfer in the flash smelter. It is strongly advised to close the heat transfer problem by the auxiliary calculation of heat losses through the furnace walls, as it removes necessity to supply assumed temperatures of the walls and stabilizes numerical computations. Simulation results were compared with available industrial measurements.

PL

Wielofazowy przepływ z reakcjami chemicznymi w wysokich temperaturach występuje w wielu procesach metalurgicznych. Wpływ promieniowania cieplnego na przebieg konwersji chemicznej i fizycznej musi być uwzględniony na tyle precyzyjnie aby możliwe było uzyskanie wartościowych wyników symulacji takich procesów. Obliczenia wymiany ciepła przez promieniowanie może być bardzo pracochłonne o ile zostanie dobrana niewłaściwa metoda numeryczna. W artykule przedstawiono model radiacyjnego transportu energii dla mieszanej konwekcyjno-dyfuzyjnej i promienistej wymiany ciepła w ośrodku rozpraszająco-emitującym. Model oparto na równaniu transportu energii promienistej. Opisano zastosowanie metod numerycznych strumieni i kierunków dyskretnych na paru prostych przykładach. Przedstawiono także implementację opisanych metod do 3-wymiarowej symulacji procesu zawiesinowego wytopu miedzi. Otrzymane wyniki ujawniają dominującą rolę zjawiska rozpraszania i emisji promieniowania przez cząstki koncentratu w procesie wymiany ciepła w piecu zawiesinowym. Zaleca się domknięcie modelu transportu ciepła przez dodatkowe obliczenia strat ciepła przez ściany pieca, dzięki czemu unika się konieczności wprowadzania założonego rozkładu temperatury ścian pieca i równocześnie stabilizuje obliczenia numeryczne. Wyniki symulacji porównano z dostępnymi wynikami pomiarów przemysłowych.

Słowa kluczowe

EN

metallurgical process simulation; radiation heat transfer; numerical methods; flash smelting

PL

symulacja procesu metalurgicznego; radiacyjna wymiana ciepła; obliczenia numeryczne; proces wytopu

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, iss. 3
• Strony: 783--794
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Dionizak J.

• Department of Process Enegineering, AGH University of Science and technology, 30 Mickiewicza Ave, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] J. Donizak, A. Hołda, Z. Kolenda, Progress in Computational Fluid Dynamics 5, 3/4/5 (2005).
• [2] M. F. Modest, Radiative Heat Transfer, Mc Graw-Hill Co. (2000).
• [3] H. C. Hottel, A. F. Sarofim, Radiative Transfer, McGraw-Hill Co., NY (1967).
• [4] J. Mahan, J. Robert, Radiation Heat Transfer. A Statistical Approach., John Wiley & Sons Inc., NY (2002).
• [5] J. C. Chai, S. V. Patankar, Handbook of Numerical Heat Transfer, 2nd Ed., Eds.: W. J. Minkowycz, E. M. Sparrow, J. Y. Murthy, John Wiley & Sons Inc. (2006).
• [6] R. Siegel, J. R Howell, Thermal Radiation Heat Transfer, Hemisphere, NY (1981).
• [7] Chiao-Min Chu, S. W. Churchill, Journal of Physical Chemistry 59, 855-863 (1955).
• [8] Y. B. Hahn, H. Y Sohn, Proceedings of a Symposium Mathematical Modeling of Materials Processing Operations, USA, Palm Springs, 799-834 (1987).
• [9] C. F. Gerald, P. O. Wheatley, Applied numerical analysis, Addison-Wesley (1994).
• [10] J. S. Truelove, Trans. oftheASME 109, 108-1051 (1987).
• [11] W. A. Fiveland, J. of Heat Transfer 106, 699-706 (1984).
• [12] Seung Hyun Kim, Kang, Y Huh, Int. J. Heat and Mass Transfer 43, 1233-1242 (2000).
• [13] W. A. Fiveland, J. of Heat Transfer 109, 809-812 (1987).
• [14] W. A. Fiveland, J. Thermophys. Heat Transfer 2 (4), 309-316(1988).
• [15] J. S. Truelove, J. Quant, Spectrosc. Radiat. Transfer 39, 27-31 (1988).
• [16] B. Leckner, Combustion and Flame 19, 33-48 (1972).
• [17] C. Crowe, M. Sommerfeld, Y Tsuji, Multiphase fiows with droplets and particles, CRC Press (1998).
• [18] A. A. Shook,G. A. Eltringham, B. R. Adams, K. A. Davies, G. Caffery, The Brimacombe memoriał symposium, Eds. G. A. Irons, A. W. Cramb, Met. Soc. 349-362 (2001).