Les torchères à profil bas posent des défis de conception importants, notamment des flammes allongées, une alimentation en air adéquate pour les brûleurs situés sur les rangées intérieures et un flux de radiation élevé de la flamme vers la barrière de vent environnante. Le travail récent effectué par les ingénieurs d'Alion Science et Technologie pour Zeeco, Inc. s'est concentré sur l'analyse de la performance d'un embout de brûleur breveté utilisé dans les grandes torches à gaz à profil bas ayant plus de 400 embouts de brûleurs regroupés dans une configuration de tuyauterie étagée entourée d'une clôture de vent spécialement conçue. Cet article présente les résultats de l'analyse CFD de cette torche à gaz et illustre la capacité de l'outil CFD à simuler la formation de suie, le flux radiant, la forme de la flamme et la hauteur de la flamme pour les champs de torches à profil bas à l'échelle industrielle. Ce travail a été réalisé en conjonction avec des tests de torche où de l'éthylène a été tiré à travers les extrémités du brûleur. Les données collectées pendant ces tests comprenaient des images vidéo, le flux radiant et le son. Les résultats des tests ont été utilisés pour calibrer le modèle de combustion et pour valider les prédictions CFD de la hauteur de la flamme et de la demande en air. Sur cette base, la hauteur de la flamme et la demande en air ont été prédites pour deux cas de torches complètes. De plus, des estimations du flux radiant vers la barrière de vent environnante ont été fournies.
INTRODUCTION
Une série de calculs de la performance des torches a été effectuée. Le but de ces calculs était de prédire la demande en air dans diverses conditions. De plus, le profil de radiation thermique autour de la torche a également été déterminé. Le principal outil de calcul de dynamique des fluides (CFD) utilisé dans cette analyse était ISIS-3D [1, 2, 3]. Auparavant, ISIS-3D a été utilisé dans diverses analyses d'incendies de piscines pour prédire la performance thermique des colis [4]. Plus récemment, ISIS-3D a été appliqué à l'analyse des torches. Dans cette application, de nouveaux modèles de combustion ont été mis en œuvre pour traiter de nouveaux mélanges de combustibles, notamment le propane et l'éthylène. Les modèles de combustion et de rayonnement ont été comparés à la taille, à la forme et aux mesures de rayonnement de la flamme mesurées lors de tests à un et plusieurs brûleurs dans des conditions ambiantes sans vent et avec un vent faible.
Le modèle CFD comprenait différents détails en fonction du cas qui était exécuté. Pour un brûleur unique, un domaine de calcul de 6 m x 6 m x 30 m a été choisi. Pour un cas de multi-brûleurs, une taille de domaine de 35 m x 35 m x 25 m a été sélectionnée. Pour le champ complet, le domaine de calcul a été étendu de 10 m au-delà de la barrière de vent entourant le champ complet de la torche.
Calculs sur l'ensemble du terrain
Quatre calculs complets ont été effectués, représentant un cas de débit de pointe et un cas de gaz mixte soutenu sans vent latéral. Ces calculs avaient une densité de maillage de plus de 700 000 cellules pour le cas de gaz mixte et de 1 200 000 pour le cas de débit de pointe. Le domaine physique simulé était de 10 mètres au-delà du périmètre de la clôture dans toutes les directions avec une hauteur totale de 25 m. Les résultats de ces cas ont été utilisés pour évaluer la demande totale d'air pour la torche ainsi que le flux de rayonnement vers deux points centraux de la clôture.
CONCLUSIONS
Le travail présenté dans cet article documente une analyse de flamme transitoire pour la torche multi-pointes à profil bas. Les objectifs de ce travail comprennent la prédiction de la demande totale d'air et de la hauteur de flamme attendue pour un cas de débit soutenu et un cas de débit maximal brûlant de l'éthylène. Le modèle CFD ISIS-3D a été utilisé pour effectuer les simulations informatiques pour un test à un seul brûleur et un test à trois brûleurs afin de vérifier les prédictions du modèle. Sur la base de la vérification du modèle, le champ complet a été simulé. Des simulations de champ complet incluant tous les brûleurs du champ de torche ainsi que la clôture environnante ont été réalisées. Les prédictions d'ISIS-3D indiquent que suffisamment d'air est entraîné à travers la clôture pour empêcher la flamme de s'étendre au-delà du sommet de la clôture et de générer une fumée notable pour le cas de débit maximal qui est considéré comme le cas limite. Les flux de rayonnement vers la clôture éolienne sont prévus pour atteindre 100 000 W/m2.
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