Fackelfelder mit niedrigem Profil stellen erhebliche Herausforderungen an die Konstruktion, einschließlich länglicher Flammen, angemessener Luftzufuhr zu den Brenner Spitzen, die sich in den inneren Reihen befinden, und eines hohen Strahlungsflusses von der Flamme zum umgebenden Windzaun. Jüngste Arbeiten, die von Ingenieuren bei Alion Science and Technology für Zeeco durchgeführt wurden, konzentrierten sich auf die Analyse der Leistung einer firmeneigenen Brenner Spitze, die in großen Gasfackeln mit niedrigem Profil verwendet wird, bei denen mehr als 400 Brenner Spitzen in einer gestaffelten Rohrleitungskonfiguration, die von einem speziell entworfenen Windzaun umgeben ist, zusammengepackt sind. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse der CFD-Analyse dieser Gasfackel vorgestellt und die Fähigkeit des CFD-Tools zur Simulation der Rußbildung, des Strahlungsflusses, der Flammenform und der Flammenhöhe für Low-Profile-Fackeln im industriellen Maßstab veranschaulicht. Diese Arbeit wurde in Verbindung mit Fackeltests durchgeführt, bei denen Ethylen durch die Brenner Spitzen abgefeuert wurde. Die während dieser Fackeltests gesammelten Daten umfassten Video-, Strahlungsfluss- und Schalldaten. Die Testergebnisse wurden zur Kalibrierung des Verbrennungsmodells und zur Validierung der CFD-Vorhersagen von Flammenhöhe und Luftbedarf verwendet. Auf dieser Grundlage wurden die vorausgesagte Flammenhöhe und der Luftbedarf für zwei vollständige Fackelfälle ermittelt. Darüber hinaus wurden Schätzungen des Strahlungsflusses an den umgebenden Windzaun vorgenommen.
Es wurde eine Reihe von Berechnungen der Fackelleistung durchgeführt. Ziel der Berechnungen war es, den Luftbedarf unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen. Darüber hinaus wurde auch das Wärmestrahlungsprofil um die Fackel herum bestimmt. Für diese Analyse wurde in erster Linie das Programm ISIS-3D (Computational Fluid Dynamics, CFD) verwendet [1, 2, 3]. ISIS-3D wurde bereits in einer Reihe von Poolbrandanalysen zur Vorhersage der thermischen Leistung von Verpackungen eingesetzt [4]. In jüngerer Zeit wurde ISIS-3D für die Analyse von Fackeln eingesetzt. In dieser Anwendung wurden neue Verbrennungsmodelle für die Handhabung neuer Brennstoffmischungen, einschließlich Propan und Ethylen, implementiert. Die Verbrennungs- und Strahlungsmodelle wurden mit Flammengröße, -form und Strahlungsmessungen verglichen, die bei Tests mit einemBrenner und mehrerenBrenner unter windstillen und windarmen Umgebungsbedingungen gemessen wurden.
Das CFD-Modell enthielt verschiedene Details, je nach dem, welcher Fall durchgeführt wurde. Für einen einzelnen Brenner Fall wurde ein Berechnungsgebiet von 6 m x 6 m x 30 m gewählt. Für einen Fall mit mehrerenBrenner wurde eine Domänengröße von 35 m x 35 m x 25 m gewählt. Für das gesamte Feld wurde das Berechnungsgebiet 10 m über den Windzaun hinaus erweitert, der das gesamte Fackelfeld umgibt.
Es wurden vier vollständige Feldberechnungen durchgeführt, die einen Spitzenströmungsfall und einen anhaltenden Mischgasfall ohne Seitenwind darstellen. Diese Berechnungen hatten eine Netzdichte von über 700.000 Zellen für den Mischgasfall und 1.200.000 Zellen für den Spitzenströmungsfall. Der simulierte physikalische Bereich reichte in allen Richtungen 10 m über den Zaun hinaus und hatte eine Gesamthöhe von 25 m. Die Ergebnisse dieser Berechnungen wurden verwendet, um den Gesamtluftbedarf für die Fackel sowie den Strahlungsfluss zu zwei Mittelpunkten des Windschutzes zu ermitteln.
Die in diesem Papier vorgestellte Arbeit dokumentiert eine instationäre Flammenanalyse für die Mehrspitzen-Niedrigprofil-Fackel. Zu den Zielen dieser Arbeit gehört die Vorhersage des Gesamtluftbedarfs und der erwarteten Flammenhöhe für einen Fall mit anhaltender Strömung und einen Fall mit Spitzenströmung bei der Verbrennung von Ethylen. Das ISIS-3D CFD-Modell wurde zur Durchführung von Computersimulationen für einen Test mit einem Brenner und einem Test mit drei Brenner verwendet, um die Modellvorhersagen zu überprüfen. Auf der Grundlage der Modellüberprüfung wurde das gesamte Feld simuliert. Es wurden Simulationen des gesamten Feldes durchgeführt, die alle Brenner im Fackelfeld sowie den umgebenden Zaun einschlossen. Die ISIS-3D-Vorhersagen zeigen, dass genügend Luft durch den Zaun geführt wird, um zu verhindern, dass sich die Flamme über die Oberseite des Zauns hinaus ausbreitet und spürbaren Rauch für den Fall des Spitzenflusses erzeugt, der als Grenzfall angesehen wird. Die Strahlungsflüsse zum Windschutzzaun werden mit bis zu 100.000 W/m2 vorhergesagt.
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