ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОТРУБНОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА НА БАЗЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Аннотация и ключевые слова
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.

Ключевые слова:
теплоотдача, котел-утилизатор, конвекция, интенсификация теплообмена
Текст
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.
Список литературы

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.