ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ В КАНАЛАХ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Приведены описание и результаты численного эксперимента на основе математической модели секционного котла-утилизатора с интегрированным в общий корпус байпасным ходом, проведенного в пакете вычислительной гидрогазодинамики FlowVision. Задачами моделирования являлись определение условий работы теплообменного модуля с учетом возможной неоднородности поля скорости на входном участке и определение степени влияния этой неоднородности на поле температур в газовом тракте. Вычислительный эксперимент включал несколько предварительных этапов, в том числе получение из геометрической модели исследуемого котла-утилизатора твердотельной модели газового пространства, определяющей границы расчетной области, и задание граничных условий при начальной температуре в газоходе 60 °С. Моделирование температурного поля достигалось методом вытеснения холодного газа. По результатам численного эксперимента установлено, что неравномерность распределения скорости (по модулю) теплоносителя в проточных полостях котла-утилизатора незначительна, за исключением отрывной зоны в выходном патрубке, а характер изменения температуры газа позволяет перейти от сеточных моделей с тысячами конечно-объемных элементов к моделям инженерного расчета, где рассматриваются уравнения теплопередачи для десятка узлов. В итоге получены информация о характере движения газа в каналах рассматриваемого котла-утилизатора, позволяющая предложить оптимизацию его конструкции, и необходимые результаты (поля скорости и температуры) для построения и верификации модели теплообменного аппарата со слабо распределенными параметрами.

Ключевые слова:
теплопередача, котел-утилизатор, поле скоростей, температурное поле, расчет теплообменных аппаратов
Текст
Введение В отрасли современного судового котлостроения задачи минимизации массогабаритных показателей котлов-утилизаторов так же актуальны, как и решения, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик создаваемых теплообменных аппаратов: тепловой и гидродинамической эффективности, показателей надежности, экономических показателей и др. С целью удовлетворения требований компактности и удобства обслуживания группа специалистов предприятия ООО «Гидротермаль» и ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта» (ВГУВТ) разработала конструкцию секционного котла-утилизатора (рис. 1) с интегрированным в общий корпус байпасным ходом для использования в составе промышленного энергетического комплекса и, в перспективе, в составе судовой энергетической установки. Рис. 1. Конструкция секционного котла-утилизатора: 1 - входной патрубок с диффузором; 2 - проточная область подвода теплоносителя; 3 - теплообменная секция; 4 - проточная область отвода теплоносителя; 5 - выходной патрубок; 6 - заслонка; 7 - перегородка Котел-утилизатор сочетает в своей конструкции секционный теплообменный аппарат 3 с перегородкой 7, разграничивающей проточные области горячего входного потока и охлажденного выходного, и байпасный канал, создаваемый, при необходимости, открытием заслонки 6. Газообразные продукты сгорания (ПСГ) в котле-утилизаторе движутся следующим образом: через входной диффузорный патрубок 1 теплоноситель попадает в проточную область 2 и, пройдя теплообменную секцию 3, движется через область 4 к выходному патрубку 5. Для снижения потерь давления и более равномерного распределения по объему проточной области 2 потока дымового газа, ударяющегося о перегородку 7 при входе, патрубок 1 выполнен в форме двойного диффузора. Согласно данным [1], сочетание такого диффузора и перегородки-экрана 7 может создать некий подпор, способствующий растеканию потока в нужном направлении, и снизить потери давления внутри входного патрубка 1. В котле-утилизаторе реализована схема двукратного перекрестного тока с оборотом охлаждающей воды в вертикальной плоскости. Расчет таких аппаратов рекомендуется [2] выполнять по частям итерационными методами, рассматривая теплопередачу в каждом ходу теплоносителя как в отдельном теплообменном аппарате. Ключевой элемент котла-утилизатора рассматриваемого типа - теплообменная секция - размещена таким образом, что теплообмен в ней существенно зависит от поля скоростей ПСГ. На кафедре эксплуатации судовых энергетических установок ВГУВТ разработана и в течение длительного времени совершенствуется методика проектно-поверочного расчета теплообменных аппаратов различного типа [3-6]. В ее основе лежит модель теплопередачи со сосредоточенными параметрами [7], что затрудняет ее применение к котлам-утилизаторам, в которых предполагается неравномерность распределения скорости ПСГ на входе в теплообменную секцию. Осреднение скорости по площади входного сечения теплообменной секции может приводить к существенным погрешностям при определении температурного поля в теплообменной секции и, как следствие, к снижению точности теплового расчета. С другой стороны, существуют методики расчета теплообменного аппарата, базирующиеся на модели с распределенными параметрами. Такой подход характерен для конечно-элементных (конечно-объемных) методов, реализованных в ряде программных комплексов, таких как FlowVision, ANSYS и др. Представляет интерес расчетное исследование в одном из программных комплексов с целью определения условий работы теплообменной секции с учетом возможной неоднородности поля скорости на входе и ее влияния на поле температур в газовом ходе. Постановка задачи Расчетное исследование выполнялось в пакете FlowVision, возможности которого, на наш взгляд [8], вполне отвечают требованиям рассматриваемой задачи. Этапы подготовки расчетного исследования соответствуют классической схеме описания задач моделирования теплового и гидродинамического полей: выбирается решатель соответствующей системы дифференциальных уравнений и задаются условия однозначности. Из модели котла-утилизатора получена твердотельная модель газового пространства. Через формат VRML она передана в пакет FlowVision. Данная геометрическая модель определяет границы расчетной области при конечно-объемном моделировании движения газа. В данном случае задана одна расчетная область, для которой установлена модель решения дифференциальных уравнений движения несжимаемой жидкости и переноса энергии. Для моделирования турбулентности использована стандартная k-e модель [9]. Условия однозначности определены следующим образом (рис. 2): - рабочая среда - газ, с теплофизическими свойствами воздуха, зависящими от температуры; - начальная температура в газоходе 60 ºС; - начальная скорость принята равной нулю во всем пространстве котла-утилизатора, за исключением специально оговоренных граничных условий; - граничные условия: 1) на входе - скорость 10 м/с, температура 600 ºС; 2) на выходе задано нулевое противодавление; 3) на поверхности теплообмена - температура 61 ºС, полученная в ходе предварительного расчета котла-утилизатора по модели со сосредоточенными параметрами, поверхность шероховатая (логарифмическое распределение скорости в пограничном слое); 4) прочие поверхности - адиабатные, шероховатые. Рис. 2. Схема задания граничных условий Сетка в виде прямоугольных параллелепипедов в количестве 40 x 40 x 60 элементов с локальным измельчением на один уровень на поверхности трубок теплообменной секции. Количество ячеек составило 321,8 тыс., из них расчетных 143,4 тыс. Моделирование выполнялось в исследовательской версии пакета FlowVision на компьютере с процессором Intel Core Duo T5800 2,0 ГГц и 3 ГБ ОЗУ. Установившееся поле скоростей ПСГ в котле-утилизаторе достигалось в течение первого десятка итераций. Получение температурного поля осуществлялось способом вытеснения холодного газа (рис. 3). а б в г Рис. 3. Вытеснение холодного газа и формирование температурного поля: а - 0,013 с; б - 0,48 с; в - 0,77 с; г - 2,34 с Для этого было оценено характерное пролетное время газовой частицы от входного до выходного сечения, которое при типичной длине траектории 3,4-4,3 м и скорости на входе 10 м/с составляет 0,34-0,43 с. К концу второй секунды весь холодный «начальный» газ оказывается гарантированно вытесненным из котла-утилизатора. Полученное таким образом температурное поле является температурным полем, сформировавшимся в результате теплоотдачи в теплообменной секции котла-утилизатора. Следует отметить, что оно становится стационарным, что подтверждается визуальным наблюдением распределения температуры в газовой части котла-утилизатора. Моделирование 2,34 с движения газа заняло более 182 ч машинного времени. Результаты моделирования Поле скоростей устанавливается буквально с первых итераций и в дальнейшем практически не изменяется. Представляет интерес сравнение скорости (по модулю) в различных точках котла-утилизатора со скоростью в его входном сечении. В целом скорость ПСГ в проточной области котла-утилизатора меньше скорости во входном патрубке, за исключением отрывной зоны в начале выходного патрубка. В нем происходит сжатие струи, что приводит к существенному ускорению потока в части выходного патрубка. Таким образом, можно констатировать, что форма выходного канала нуждается в проработке вариантов и дальнейшей оптимизации. С другой стороны, на входе ПСГ в котел-утилизатор численное моделирование подтверждает, что «…экран за диффузором создает подпор, заставляющий поток растекаться по сечению. Это приводит к уменьшению области отрыва потока, а, следовательно, к более эффективному его растеканию. При этом сокращаются как потери внутри диффузора, так и потери динамического давления на выходе. Одновременно экран заставляет поток повернуться в радиальном направлении (на 90º) до выхода» [1] из входного патрубка. Вместе с тем отсутствие плавного обтекания кожуха теплообменной секции приводит, с одной стороны, к формированию застойной зоны около него, а с другой - к увеличению скорости ПСГ в узком сечении перед входом в теплообменную секцию. Этим достигается большая «дальнобойность» потока и выравнивание вертикальной компоненты (в направлении оси х на рис. 4) скорости на входе в теплообменную секцию. а б Рис. 4. Векторы скорости в продольном сечении (а) и поле скоростей на входе в теплообменную секцию и выходе из нее (б) Таким образом, за счет сужения потока удается нивелировать разницу в его скорости на входе в теплообменную секцию, что приводит к повышению равномерности теплоотдачи по длине труб, а в инженерном расчете такого теплообменного аппарата позволяет задавать постоянное значение скорости. На выходе из теплообменной секции также наблюдается некоторое ускорение потока, однако здесь это играет скорее негативную роль. В верхнем участке проточной области часть потока ускоряется вплоть до отрыва в выходном патрубке, а часть достигает задней стенки и, отражаясь от нее, формирует зону возвратного течения в нижнем участке проточной области и у боковых стенок. Температурное поле Неравномерность распределения температуры на входе в теплообменную секцию имеет место только на этапе прогрева котла-утилизатора. Примерно к концу второй секунды устанавливается стационарное температурное поле (рис. 5), что обусловлено описанным выше подходом к заданию начальных условий по температуре. A Б Рис. 5. Установившееся температурное поле в продольном сечении котла-утилизатора (слева) и в поперечных сечениях А и Б : шкала температур см. на рис. 3 В отсутствии тепловых потерь через стенки проточной области до теплообменной секции устанавливается температура, равная заданной входной температуре 600 ºС. В теплообменной секции ПСГ охлаждаются достаточно равномерно, как по длине труб, так и по фронту трубного пучка. Наблюдающаяся некоторая неоднородность температурного поля по глубине трубного пучка может быть вызвана с одной стороны значительной турбулизацией потока, а с другой - может быть следствием недостаточного измельчения конечно-объемной расчетной сетки. Но в пользу первой версии говорит меньшее охлаждение ПСГ вблизи боковых стенок из-за формирования «вредных» протечек, обычно имеющих место в теплообменных аппаратах. Средняя температура ПСГ после теплообменной секции составляет примерно 300 ºС, и лишь вблизи боковых стенок сохраняются слои с большей температурой, которые в дальнейшем смешиваются с ядром потока. В завершение анализа температурного поля в теплообменной секции сконструируем во FlowVision графики изменения температуры и передадим их в Excel (рис. 6). а б в Рис. 6. Графики изменения температуры по направлениям: а - с привязкой к расчетной модели; б - при различных значениях координаты y; в - при различных значениях координаты z В теплообменной секции в направлении движения газа (ось x) температура экспоненциально убывает, что хорошо согласуется с теорией теплопередачи. В направлении оси y из-за достигнутой равномерности распределения скорости получилось практически равномерное распределение температуры на входе в теплообменную секцию. Остывание ПСГ в этом направлении также происходит одинаково, что позволяет в инженерном расчете перейти от объемно-распределенной модели к плоско-распределенной. Сравнивая графики изменения температуры при разных значениях z, заметим, что в области разворота воды остывание ПСГ примерно на 100 ºС больше, чем в области около входа-выхода воды, что объясняется все-таки несколько большей скоростью газа в этой части теплообменной секции. Заключение Основные результаты, полученные в ходе численного моделирования поля скоростей и температур в котле-утилизаторе, мы считаем возможным разделить на общие и частные. К общим результатам можно отнести анализ методов расчета теплообменного аппарата с позиции возможностей учета неравномерного распределения параметров в его входном сечении на теплообмен. Представляется целесообразным для расчетов теплообменных аппаратов, где имеет место неравномерность скорости и (или) температуры на входе, применить схему, которая сочетала бы положительные свойства как сеточных моделей, так и моделей со сосредоточенными параметрами: высокую точность расчета, достигаемую путем учета влияния неравномерности распределения скорости на входе, и простоту подготовки и выполнения расчета. Назовем такую схему моделью со слабо распределенными параметрами. Для таких теплообменных аппаратов рассмотренный нами расчет может служить отправной точкой для задания исходных данных и проверки получившегося решения. Частные результаты моделирования состоят в том, что получены поля температуры и скорости для верификации модели теплообменного аппарата со слабо распределенными параметрами. Получена информация о характере движения газа в каналах котла-утилизатора. Выявлены удачные технические решения и элементы конструкции, нуждающиеся в изменении. Это позволит оптимизировать конструкцию котла-утилизатора данного типа. Еще одним достаточно важным результатом мы считаем накопление опыта в части построения геометрической модели, создания конечно-объемной сетки и организации вычислений температуры, скорости и турбулентности в каналах теплообменного аппарата сложной формы.
Список литературы

1. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

2. Селиверстов В. М., Бажан П. И. Термодинамика, теплопередача и теплообменные аппараты. М.: Транспорт, 1988. 287 с.

3. Валиулин С. Н., Шураев О. П. Математическая модель теплообменного аппарата серии ВВПИ // Вестн. Волж. гос. акад. водного транспорта. 2003. № 5. С. 149-154.

4. Шураев О. П. Математическая модель кожухотрубного теплообменного аппарата и ее применение // Сб. тр. X Всерос. науч.-техн. конф. «Новые информационные технологии» (Москва, 19-20 апреля 2007 г.). М.: МГУПИ, 2007. С. 165-170.

5. Шураев О. П. Математическая модель судовых теплообменных аппаратов и ее применение в имитационном моделировании систем дизеля // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: НГАВТ, 2010. № 1. С. 178-182.

6. Шураев О. П., Пискулин В. Г. Математическая модель и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов для судовых энергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2013. № 2. С. 169-173.

7. Бажан П. И., Каневец Г. Е., Селиверстов В. М. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989. 367 с.

8. Шураев О. П. Моделирование в среде Flow Vision некоторых тепловых и гидродинамических процессов в элементах судовых энергетических установок // Вестн. Волж. гос. акад. водного транспорта. 2006. № 20. С. 177-180.

9. Wilcox D. C. Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, Inc., 1994. 460 p.


Войти или Создать
* Забыли пароль?