ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОТРУБНОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА НА БАЗЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Авторы:
1.
Волжская государственная академия водного транспорта
2.
Научно-исследовательский институт механики при Нижегородском государственном университете им. Н. И. Лобачевского
3.
Волжская государственная академия водного транспорта
Тип:
Статья
Страницы:
с 48
по 54
Статус:
Опубликован
Получено:
20.02.2014
Одобрено:
25.02.2014
Опубликовано:
25.02.2014
Классификаторы:
УДК 621.1.016:536.2
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 31.361
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 31.361
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
теплоотдача, котел-утилизатор, конвекция, интенсификация теплообмена
Аннотация (русский):
Разработан котел-утилизатор новой конструкции, с трубной системой, в сечении имеющей кольцевую форму. В котле организуется высокая скорость движения теплоносителя, что соответственно увеличивает теплоотдачу и уменьшает темп отложения накипи. Решаемые задачи: создание новой методики расчета динамических и тепловых характеристик котла-утилизатора перекрестноточного типа, определение температурных и скоростных полей. Большое внимание уделялось областям, расположенным со стороны внутренней и внешней поверхности трубок, в зонах разрушения динамических и тепловых пограничных слоев. Для описания течений вблизи стенок применялась составная SST-модель турбулентности Ментера. На основе анализа интегральных и локальных характеристик модели спроектирован и построен натурный образец нового котла-утилизатора. Испытания котла-утилизатора показали хорошую сходимость экспериментальных данных с расчетными. Сделан вывод о целесообразности применения системы кольцевых дефлекторов как наиболее эффективного средства интенсификации и снижения гидродинамических потерь.
Разработан котел-утилизатор новой конструкции, с трубной системой, в сечении имеющей кольцевую форму. В котле организуется высокая скорость движения теплоносителя, что соответственно увеличивает теплоотдачу и уменьшает темп отложения накипи. Решаемые задачи: создание новой методики расчета динамических и тепловых характеристик котла-утилизатора перекрестноточного типа, определение температурных и скоростных полей. Большое внимание уделялось областям, расположенным со стороны внутренней и внешней поверхности трубок, в зонах разрушения динамических и тепловых пограничных слоев. Для описания течений вблизи стенок применялась составная SST-модель турбулентности Ментера. На основе анализа интегральных и локальных характеристик модели спроектирован и построен натурный образец нового котла-утилизатора. Испытания котла-утилизатора показали хорошую сходимость экспериментальных данных с расчетными. Сделан вывод о целесообразности применения системы кольцевых дефлекторов как наиболее эффективного средства интенсификации и снижения гидродинамических потерь.
Ключевые слова:
теплоотдача, котел-утилизатор, конвекция, интенсификация теплообмена
теплоотдача, котел-утилизатор, конвекция, интенсификация теплообмена
Введение Нами разработан котел-утилизатор новой конструкции (рис. 1). Трубная система котла имеет в сечении кольцевую форму, по трубам движется вода. Благодаря установленным в водяных коллекторах перегородкам в трубах по воде организуются от четырех до семи ходов, что обеспечивает высокую скорость течения теплоносителя и, соответственно, увеличенную теплоотдачу и уменьшенный темп отложения накипи. Горячий газ совершает реверсный ток, двигаясь во входном участке поперек трубного пучка от оси к периферии, а в выходном участке – от периферии к оси благодаря наличию поперечной перегородки. Данное конструктивное решение обеспечивает ряд положительных качеств котла: высокий коэффициент теплопередачи, малые габариты, осевую компоновку, пониженную температуру корпуса и др. Однако нестандартная конструкция обусловила ряд расчетных и проектных трудностей: - для принятого сложного типа тока в литературе [1] не найдено точных интегральных зависимостей расчета тепловой эффективности и среднего температурного напора; - отсутствуют данные или рекомендации по учету влияния застойных зон, неравномерности течения теплоносителей, углов нагнетания теплоносителей на трубки и др.; - нет данных по выбору основных геометрических размеров трубного пучка, элементов корпуса и газового тракта. Рис. 1. Эскиз котла-утилизатора В связи с этим нами, с целью исследования тепловых, гидродинамических и газодинамических характеристик нового котла-утилизатора, принято решение воспользоваться методами математического моделирования рабочих процессов на базе решения связанной задачи гидродинамики и теплопередачи. Задание условий Основными задачами, решаемыми в ходе исследований, являются: - создание новой методики расчета динамических и тепловых характеристик котла-утилизатора перекрестноточного типа, в которой учитываются факторы нелинейности теплофизических характеристик, обусловленных конвекцией и взаимодействием скоростных и температурных полей; - определение полей скоростей и температур теплоносителей, распределения температур на стенках и перегородке котла-утилизатора при одном проходе воды через систему трубок; - разработка способов интенсификации процессов теплообмена между теплоносителями для данного котла-утилизатора. Процессы, протекающие внутри котла-утилизатора, описываются уравнениями неразрывности, импульсов и энергии и замыкаются уравнениями SST-модели турбулентности Ментера: где , , функции смещения где у - расстояние до ближайшей стенки. . , . Турбулентная вязкость вычисляется как , где - осредненный тензор скоростей вращения. Эмпирические константы SST-модели Ментора: r - плотность газа; u, v, w - проекции вектора скорости жидкости; p - давление в жидкости; - эффективная вязкость; ,, - проекции массовой силы; m - физическая (ламинарная) вязкость; mt - турбулентная вязкость; k - кинетическая энергия турбулентности; ω - завихренность. В уравнениях неразрывности, количества движения и энергии неизвестными являются функции u, v, w, p, Т, k, ω. Граничные условия являются специфическими и приводятся ниже. Теплофизические и несущие свойства дымовых газов принимались по [2]. Расчетной зоной задачи является сектор котла-утилизатора, содержащий 16 трубок в пяти рядах. В качестве граничных условий заданы: - условия на входе 1 в котел-утилизатор для дымовых газов Vx = Vy = 0, Vz = 25 м/с, T = 873 K; - условия на входе 2 в котел-утилизатор для воды Vx = Vy = 0, Vz = 0,5 м/с, T = 293 К; - условия адгезии и адиабатичности на внутренних поверхностях котла-утилизатора: боковой плоскости и торцевых плоскостях выше входного и выходного отверстий дымового газа, не включая внутреннюю поверхность трубок; - условия на выходе для дымовых газов и на выходе для воды p = pатм (избыточное давление отсутствует); - условия симметрии на боковых поверхностях расчетной зоны Vn = 0, . Для зон, заполненных дымовым газом и водой, решаются уравнения Рейнольдса и уравнение энергии с учетом условий конвекции и теплопроводности, а для зоны, заполненной сталью - уравнение теплопроводности. Температура между зонами до решения задачи неизвестна и находится в процессе решения. Такой метод не распространен в инженерной практике, т. к. не требует задания коэффициентов теплоотдачи на границах зон, заполненных теплоносителями. Методы решения задачи Задача решалась с применением пакета вычислительной гидрогазодинамики ANSYS CFX. Большое внимание уделялось областям, расположенным со стороны внутренней и внешней поверхности трубок, в зонах распределения динамических и тепловых пограничных слоев. Рассредоточение концентрических точек по оси котла-утилизатора - равномерное для трубок и неравномерное со смещением к входу-выходу и перегородке для зоны, заполненной газом. Необходимо, чтобы начальные условия были максимально близкими по сравнению с естественными условиями начала процесса теплопередачи. В связи с этим возможны два способа задания начальных условий для дымовых газов: 1. T0 = 293 K, , p0 = pатм (Dp0 = 0); либо T0 = 293 K, V1x = V1y = 0, V1z = 25 м/с, p0 = pатм (Dp0 = 0). 2. T0 = 873 K, , p0 = pатм (Dp0 = 0); либо T0 = 873 K, V1x = V1y = 0, V1z = 25 м/с, p0 = pатм (Dp0 = 0). В первом варианте задания начальных условий решение возможно при использовании в качестве расчетной модели для дымовых газов модели несжимаемой жидкости. Это допущение является достаточно грубым для решения поставленной задачи. В связи с этим задача решалась с заданием начальных условий вида 2. В начале система уравнений неразрывности завершалась составной SST-моделью турбулентности Ментера [3]. Эта модель является комбинацией k-e модели (более точное описание течений вблизи стенок) и k-w модели (моделирование потока вдали от твердых поверхностей). Как показали расчетные эксперименты, в данной области задач рациональнее применять однопараметрическую транспортную модель вихревой вязкости Ментера [4]. Показательно, что при сравнении результатов промежуточных этапов расчета заметно различие тепловых и скоростных полей. Несмотря на это, итоговые результаты расчета одного прохода частиц воды через котел-утилизатор оказываются достаточно близкими. Натурный эксперимент и его результаты На основе анализа интегральных и локальных характеристик расчетной модели спроектирован и построен натурный образец нового котла-утилизатора. На начальном этапе проектирования с целью обеспечения высокой тепловой эффективности при требуемом газодинамическом сопротивлении выполнены расчеты котла для ряда значений длины трубного пучка L = {1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2,0} м. На рис. 2 показан изготовленный котел-утилизатор с этими характеристиками. Масса нового котла Мк = 320 кг. С учетом максимально требуемого газодинамического сопротивления DPог = 1,0 кПа принят к проектированию котел с параметрами Lтр = 1,5 м; dтр = 20 × 1 мм; число рядов труб в радиальном направлении nр = 8. На входе установлена система из трех направляющих дефлекторов. Число ходов по воде nх.в = 4. Испытания котла в составе когенерационной установки с газопоршневым двигателем Caterpillar G3508LE показали на номинальном режиме при массовом расходе рабочего тела Gг = 3 162 кг/с тепловую эффективность h = 0,858 при газодинамическом сопротивлении DPк = 1,22 кПа. Рис. 2. Натурный образец котла-утилизатора Сравнение полученных результатов с расчетными данными показало хорошую сходимость (рис. 3). Расчеты проводились для нескольких вариантов котла-утилизатора, отличающихся от исходного варианта установкой в поток газа дефлекторных поверхностей с целью интенсификации теплообмена. Рис. 3. Зависимости тепловой эффективности и газодинамического сопротивления котла от длины трубного пучка На рис. 4 представлены графики изменения значений температуры воды вдоль оси трубок (по одной из каждого ряда для двух рассматриваемых вариантов: и - исходный вариант, к - вариант с кольцевыми дефлекторами). Рис. 4. Графики изменения значений температуры воды вдоль оси трубок (по одной из каждого ряда для двух рассматриваемых вариантов: и – исходный вариант, к – вариант с кольцевыми дефлекторами) Температура воды в варианте c дефлекторами растет более плавно и почти для всех рядов трубок оказывается выше, чем в исходном варианте. Выводы 1. Разработан новый метод расчета тепловых и динамических характеристик котла-утилизатора перекрестноточного типа, в котором учтена нелинейность теплофизических и динамических характеристик теплоносителей. 2. Разработанная методика позволила, с помощью пакета вычислительной гидрогазодинамики ANSYS CFX, получить поля скоростей и температур теплоносителей. 3. Смоделированы и применены различные способы интенсификации теплопередачи. Анализ результатов расчетов позволил сделать вывод о целесообразности применения системы кольцевых дефлекторов как наиболее эффективного средства интенсификации и снижения гидродинамических потерь. 4. На базе новой методики спроектирован полноразмерный котел-утилизатор. 5. Эксплуатационные параметры нового котла-утилизатора значительно опережают параметры аналогов, используемых в составе судовых энергетических установок речного флота.
1. Бажан П. И. Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каневец, В. М. Селиверстов. М.: Машиностроение, 1989. 367 с.
2. Исаченко В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергия, 1975. 488 с.
3. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications / F. R. Menter // AIAA Journal. 1994. Vol. 32, N 8. Р. 1598-1605.
4. Menter F. R. Eddy Viscosity Transport Equations and their Relation to k-ε the Model / F. R. Menter // NASA Technical Memorandum 108854, November 1994. 19 p.
