Повышение эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на основе моделирования тепловых и газодинамических процессов

Выводы по первой главе - конструктивное совершенствование судовых котлов-утилизаторов должно учитывать необходимость улучшения ряда показателей, в первую очередь, тепловой эффективности, газодинамического сопротивления, габаритов и надёжности; - перспективными направлениями конструктивного совершенствования судовых котлов-утилизаторов являются: использование водотрубной схемы, применение схем тока, способствующих интенсификации теплоотдачи и повышению тепловой эффективности при ограниченном газодинамическом и гидродинамическом сопротивлении и обеспечивающих необходимые температурные режимы работы элементов котлов-утилизаторов; - методики теплового расчёта котлов-утилизаторов, основанные на использовании осреднённых параметров, с достаточной для практики точностью позволяют выполнять проектные и поверочные расчёты по отношению к исследованной группе схем тока теплоносителей. Для исследовательских расчётов при разработке котлов-утилизаторов новых конструктивных схем целесообразно применять методики расчётов с использованием математических моделей с распределёнными параметрами; - по результатам исследовательских расчётов перспективных котлов-утилизаторов должны быть разработаны основы инженерного метода теплового расчёта котла новой конструктивной схемы. На основании выполненного анализа поставлены следующие задачи данной работы: - разработка эффективной тепловой и гидро-газодинамической схемы судового котла-утилизатора; - разработка исследовательской математической модели перспективного котла-утилизатора для определения особенностей течения теплоносителей и тепломассообмена в его проточной части; - создание основ инженерной методики теплового расчёта котла-утилизатора; - экспериментальная проверка эффективности разработанных конструктивных решений и точности расчётной методики. 2. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОТРУБНОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЕГО ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ 2.1. Конструкция котла-утилизатора и особенности его работы На основании выводов раздела 1 данной работы целесообразно выработать технические требования к перспективному судовому котлу-утилизатору: - котёл должен иметь прямые трубы для осуществления ревизии, обслуживания и ремонта теплообменной поверхности; - в котле должно быть обеспечено поперечное обтекание труб газами для повышения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи; - целесообразно применение многоходовой схемы по газовой стороне для увеличения скорости газов; - целесообразно применение многоходовой схемы по водяной стороне для увеличения скорости течения воды; - котёл должен иметь осевую компоновку для компактного вертикального размещения в шахте машинного отделения (МО) или горизонтального размещения под подволоком МО; - котёл должен иметь съёмные крышки водяных полостей и лючки обслуживания газовых полостей. В связи с указанными требованиями значительный интерес вызывает схема воздухоохладителя судового газотурбинного двигателя (рисунок 2.1), приведённая в книге [71]. Конструкция на рисунке 2.1 благодаря организации многократного тока по межтрубному пространству в необходимой мере позволяет увеличить скорость одного теплоносителя и получить тем самым повышенное значение коэффициента теплопередачи. Кроме того, она удовлетворяет требованию прямолинейности труб. Рисунок 2.1 – Воздухоохладитель 1 – вход воздуха; 2 – трубная доска; 3 – корпус; 4 – трубчатая матрица кольцевого типа; 5 – промежуточная трубная доска (дефлектор); 6 – вход и выход воды. С учётом положительных свойств схемы на рисунке 2.1 авторами [53] предложен вариант её модификации применительно к требованиям, предъявляемым к котлам-утилизаторам. Новая схема котла-утилизатора представлена на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 - Многоходовой перёкрёстноточный котёл-утилизатор с прямыми трубами В нашей работе на базе схемного решения [54] предложено оформить конструктивное исполнение и организовать течение теплоносителей как показано на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 - Эскиз котла-утилизатора Газы поступают через входной патрубок 1 в канал 2, образованный трубной системой 3. Поскольку в средней части котла установлена непроницаемая перегородка 4, газы разворачиваются в радиальном направлении и проходят кольцевой трубный пучок между теплообменными трубами и попадают в периферийный кольцевой канал 5, образованный наружным рядом труб и цилиндрическим корпусом 6. По данному периферийному каналу газовый поток перетекает в кормовую часть котла, где под действием перепада давления между периферийной полостью и центральной полостью 7 выходного участка котла проходят через трубный пучок в направлении оси котла и через выходной патрубок 8 удаляются наружу. Таким образом, газ совершает радиально-реверсный ток через кольцевой трубный пучок. Водяные полости организованы короткими обечайками 9 с фланцами 10 к которым герметично крепятся кольцевые крышки 11. Многоходовое движение воды обеспечивается установкой радиальных перегородок 12 в водяных полостях. Предварительный расчёт показывает, что для достижения эффективных скоростей в трубах целесообразно организовать 4…8 ходов по воде. Предложенное конструктивное исполнение и схема обеспечивает ряд дополнительных преимуществ: - благодаря радиально-реверсному току газа число рядов труб может быть уменьшено в два раза по сравнению с одноходовой схемой, что при высокой тепловой эффективности обеспечит уменьшение наружного диаметра котла и улучшит условия его компоновки; - более двух ходов по газу организовывать нецелесообразно с целью сохранения низкого газодинамического сопротивления котла; - в периферийную кольцевую полость газы попадают после передачи более половины теплоты нагреваемому теплоносителю и имеют достаточно низкую температуру (около 200 °С). В связи с этим температура металла корпуса значительно ниже, чем у известных водотрубных котлов, что обеспечивает пониженные термические напряжения и способствует достижению высокого ресурса котла; - корпус котла находится под низким давлением, температура корпуса ниже температуры окалинообразования углеродистой стали, в связи с чем толщина металла корпуса может быть значительно уменьшена в сравнении с аналогами и достигнуто снижение массы котла. В то же время оригинальная конструкция предложенного котла-утилизатора требует решения ряда вопросов: - для данного сложного типа тока в литературе не найдено готовых решений для расчёта тепловой эффективности и среднего температурного напора в интегральной форме; - неизвестен закон распределения скорости и температуры газового потока по трубному пучку по осевой координате и по рядам трубок. Знание этого распределения необходимо для нахождения определяющих скоростей и температур; - не определено соответствие течения в кольцевом трубном пучке течению в исследованных вариантах, по отношению к которым в справочной литературе приведены зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи. Экспериментальное исследование, на основании которого могли бы быть найдены ответы на данные вопросы, чрезвычайно сложно и в полном объёме на данном этапе не выполнимо. Решение поставленных вопросов должно быть найдено путём разработки математической модели котла-утилизатора с распределенными параметрами на базе совместного решения дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса и моделирование неизотермического течения теплоносителей в проточной части котла. 2.2. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса в котле-утилизаторе Выделим характерную секторную часть котла-утилизатора, считая, что по окружности в каждом сечении параметры идентичны. Это вполне допустимо с учётом осевой симметрии котла и подводящих патрубков (рисунок 2.4). Примем, что на входе в сечении 2 скорость и температура величины постоянные. Рисунок 2.4 - Расчётная схема Теплофизические характеристики (кинематическая вязкость, теплопроводность, число Прандтля, плотность и др.) зависят от температуры нелинейно, и рассчитывая по известным экспериментальным и теоретическим данным. Внутри трубного пучка и в каналах течение вязкое с массопереносом. Таким образом, в принятой постановке рассматривается трёхмерная задача тепломассообмена в кольцевой трубной системе с учётом неравномерности течения внутри трубной системы и нелинейности динамических и тепловых характеристик. Горячий газ от двигателя поступает через секторное сечение 1, движется по каналу 7, из-за наличия перегородки 8 поступает под некоторым углом в межтрубное пространство системы труб 6, далее поступает в канал между трубами и поверхностью стенки 3, проходит кормовую часть трубной системы и попадает в канал 5. Вода движется по трубам 6. Возможны два варианта: течение с прямотоком или с противотоком. Цели теоретического исследования: - разработка математической модели котла-утилизатора с учётом нелинейностей теплофизических характеристик, произвольного задания полей скоростей и температуры, взаимовлияния скоростных и температурных полей. - определение пространственных полей температур и скоростей теплоносителей; - поиск способов воздействия на течение теплоносителя с целью улучшения интегральных показателей эффективности теплообмена. Используем для описания взаимодействия сред систему уравнений, включающую уравнения неразрывности, Рейнольдса и энергии: (2.1) где индекс i =1 относится к дымовым газам, i = 2  к воде, i = 3  к стали, p  абсолютное давление, T  абсолютная температура, i  плотность соответствующей среды, p/1 = (cp1 – cv1)T, 2, 3  const,  вектор скорости соответствующей среды ,  тензор напряжений, связанный со скоростями деформаций обобщенной гипотезой Ньютона  эффективные вязкость и теплопроводность соответственно,  ламинарные вязкость и теплопроводность,  турбулентные (вихревые) вязкость и теплопроводность, связанные между собой через турбулентное число Прандтля и определяемые по выбранной модели турбулентности. Теплофизические и транспортные свойства дымовых газов принимались по [3]. С целью возможной минимизации расчётных процедур в расчётную область включены 16 трубок. Число рядов трубок – 5. На данном этапе предполагаем, что основные закономерности течения и теплообмена в данной расчётной области проявятся. В качестве граничных условий принято: - на входе 1 в сектор для горячего теплоносителя Vx = Vy = 0; Vz = 25 м/с; Т = 873 К. - на входе 2 (течение воды) Vx = Vy = 0; Vz = 0.5 м/с; Т = 293 К. - на поверхности наружной стенки 3, на торцовых поверхностях трубных решёток – условия адиабатности и прилипания; - на выходе 5 газов и 6 воды давление примем равным атмосферному Р = Ратм; - на боковых сторонах 7 условия симметрии Vn = 0; . На поверхностях контакта «вода-сталь» и «газ-сталь» приняты условия прилипания. На границах перехода «газ-сталь» и «вода-сталь» отсутствуют скачки температур. Функции температур – гладкие. В областях течения газов и воды работает система уравнений Рейнольдса и энергии. Учитываются влияние конвекции и теплопроводности. Для области стали (трубки, трубные решётки) решаются уравнения теплопроводности. Поскольку температуры на границе областей в начальный момент неизвестны, они определяются в нестационарной процедуре с условием выхода на стационарный режим. Целесообразность такого подхода обусловлена тем, что в этом случае не требуется задание коэффициентов теплоотдачи на границах областей, тем более, что условия течения на этих границах неизвестны. Решение поставленных задач осуществлено в прикладном пакете гидродинамики ANSYS CFX. Для построения сеточной модели области расчёта использован пакет ANSYS ICEM. Путём предварительных оценок выбрано для области газов 3 млн. узлов, 0,4 млн. узлов на область, занятую металлом. Всего около 3,8 млн. узлов. Сетка базировалась на блочной гексагональной структуре ячеек. Зоны примыкания к обтекаемым поверхностям, там, где формируется пограничный слой описывались на порядок более густой сеткой. На основе предварительных численных экспериментов выбрано расположение узловых элементов нормально к поверхности трубок. В областях, где ожидается резкое изменение параметров (скорости, направления, температуры) распределение узлов более густое и равномерное по длине трубок на «спокойных» участках. Численное решение задачи в соответствии с организацией пакета ANSYS CFX выполнено на базе метода конечных объёмов. Поскольку уравнения системы (2.1) описывают течение сжимаемой среды (по газовой стороне), необходимо было выбрать начальные условия, обеспечивающие сходимый процесс. Так при задании начальных условий в варианте: То = 293 К; ; Pо = Ратм (∆Pо = 0) либо То = 293 К; V1x = V1y = 0; V1z = 25 м/с; Ро = Ратм (∆Pо = 0) решение приводило к формированию большого количества ударных волн, их отражению и взаимодействию. Причина – применение псевдонестационарного подхода к решению стационарной задачи. В результате при резкой подаче горячего газа возникали указанные газодинамические особенности «раскачивающие» решение. Положительный результат получен при задании в варианте: То = 873 К; ; Pо = Ратм (∆Pо = 0) либо То = 873 К; V1x = V1y = 0; V1z = 25 м/с; Ро = Ратм (∆Pо = 0). Однако даже с этими условиями на начальном этапе решения пришлось использовать релаксирующие процедуры и схему «против потока» первого порядка точности. После первых 30…40 шагов релаксирующие процедуры отменялись и осуществлялся переход на конвективную схему переноса второго порядка точности. Интегрирование системы (2.1) осуществлялось с одинаковым временным шагом для всех уравнений. На заключительном этапе расчета, когда поля скоростей становятся близки к стационарным, рациональным оказывается увеличение шага интегрирования для уравнения энергии. Первоначально система уравнений (2.1) замыкалась составной SST моделью турбулентности Ментера [86]. Эта модель является комбинацией - модели (более точное описание течений вблизи стенок) и - модели (моделирование течений вдали от твердых границ). Однако, как показали вычислительные эксперименты, в подобном классе задач более рационально использовать однопараметрическую транспортную модель вихревой вязкости Ментера [87]. Характерно, что несмотря на различие полей скоростей и тепловых полей на промежуточных этапах расчета, итоговые результаты, соответствующие одному «ходу» частиц воды через ТА, оказываются весьма близки. Задача решалась на 8-процессорном вычислительном узле с 16 Гб оперативной памяти. Распараллеливание задачи осуществлялось методом декомпозиции области [56]. С учетом указанных выше предложений, время счета одного варианта занимает около 4 суток. Один из важных вопросов, на который получен ответ при моделировании, - структура потока газов в проточной части котла-утилизатора. На рисунке 2.5 показана система линий тока и величины скоростей газов для исходного расчетного варианта. Рисунок 2.5 - Структура потока газов в проточной части выделенного сектора котла утилизатора. Исходный вариант Видно, что поток газа, проходя по центральному каналу, распределяется при входе в трубную систему по координате Z неравномерно. Наибольший объёмный расход газа в радиальном направлении Y на участке перед поперечной перегородкой, наименьший – на участке, граничащим с входом. Соотношение проекций скоростей газов на ось Y и, соответственно, удельных расходов через межтрубное пространство на участке центральной перегородки и на входном участке достигает 2,5…3,0. При этом, если угол атаки на трубную систему в районе перегородки составляет 80°…90°, то на начальном участке он не превышает 45°. На выходе из трубного пучка в периферийную зону поток газа меняет направление и приобретает более упорядоченную структуру, с направлением движения близким к осевому. В целом, данные явления, с точки зрения интегрального значения теплопередачи во входном участке, играют отрицательную роль. В связи с этим, целесообразно в центральном канале котла-утилизатора установить газодинамические элементы, отклоняющие поток на участке входа наружу в радиальном направлении. В качестве таких газодинамических элементов предложено использовать систему из двух или более диффузорных дефлекторов, установленных концентрично. В выходном участке трубной системы картина качественно повторяется: наибольший расход газов формируется в зоне, примыкающей к задней трубной решетке. В районе центральной перегородки на первой трети выходного участка газы движутся не поперек трубного пучка, а вдоль. Это так же значительно снижает теплоотдачу по газовой стороне. Несмотря на то, что потеря теплоотдачи на начальном выходном участке в большой степени компенсируется ростом теплоотдачи на участке у задней трубной решетки, в целом данное явление так же приводит к снижению тепловой эффективности котла-утилизатора. С целью нейтрализации отрицательных последствий неравномерного течения газового теплоносителя предложено использовать следующее конструктивное мероприятие: в кольцевом периферийном канале последовательно установить два кольцевых дефлектора, отклоняющие поток в радиальном направлении к центру. На рисунке 2.6 показана структура потока газов в варианте с установленными в проточной части отклоняющими дефлекторами по результатам моделирования. Видно, что во входном участке, в результате воздействия на поток системы из двух кольцевых диффузоров, газы более равномерно обтекают трубную систему. Зона пониженных скоростей уменьшилась в 5…7 раз и её отрицательное влияние снизилось до небрежно малой величины 1,5…2,0%. В выходном участке структура потока так же значительно улучшилась. По всей поверхности труб сформировалось течение под углом к оси труб с величиной скорости в проекции на ось Y 2…4 м/с, что является приемлемым с точки зрения теплопереноса. При этом обмен тепловыми потоками между газом и водой возрастает примерно на 5%. Вместе с тем, среднее по входному сечению ТА сопротивление возрастает на 10%. На рисунке 2.7 представлены графики изменения 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 дефлекторовом варианте растет более плавно и почти для всех рядов трубок оказывается выше, чем в исходном варианте. Установка кольцевых дефлекторов ведет также к изменению температуры на стенках ТА. Перераспределение газового потока дефлекторами снижает абсолютные значения температуры и температурные градиенты на боковой поверхности ТА. На рисунке 2.8 показано изменение температуры на цилиндрической поверхности ТА вдоль ее образующей. С дефлекторами тепловые нагрузки на наружной стенке ТА существенно падают как на начальном участке (z < 0,5), так и в кормовой части (z > 0,5). Наибольшая температура оказывается на поверхности дефлекторов, установленных за входом в ТА. Рисунок 2.6 - Структура потока газов в проточной части выделенного сектора котла утилизатора. Вариант с кольцевыми дефлекторами Рисунок 2.7 - Графики изменения температуры воды в трубках Рисунок 2.8 - Температура на поверхности корпуса котла (расчет) Рисунок 2.9 - Результаты моделирования неизотермического течения между трубками (во входном участке) а) Исходный вариант б) Вариант с кольцевыми дефлекторами Рисунок 2.10 - Результаты моделирования неизотермического течения между трубками (в выходном участке) а) Исходный вариант б) Вариант с кольцевыми дефлекторами По данным расчётов (рисунок 2.9) следует отметить следующие особенности. Наибольшая плотность теплового потока приходятся на первые два ряда труб, соответственно на них падает основное снижение температуры газов при их радиальном течении. Следующие два ряда характеризуются значительно меньшими коэффициентами теплопередачи. С целью выравнивания локальных значений коэффициентов теплопередачи, по нашему мнению, целесообразно размещение труб на трубных досках делать не радиально-рядным, а с равномерным шагом по окружности на каждом радиусе. Данный вывод подтверждается эффективной работой пятого периферийного ряда труб, шаг которых в окружном направлении выбран средним по отношению к первому и второму рядам. Эффективным значением шага в окружном направлении является = 1,3…1,35. Торможение и выравнивание газового потока с помощью системы кольцевых дефлекторов приводит к улучшению работы трубной системы котла-утилизатора. На рисунке 2.9 (б) видно, что в этом варианте газовый поток остывает более интенсивно. Визуализация расчётов течения в кормовой части котла (в выходном участке) рисунке 2.10 так же показывает целесообразность применения плотных трубных системс шагом = 1,3…1,35 с компоновкой труб приближённой к шахматной. При этом в котлах-утилизаторах данной конструкции для эффективного отбора теплоты от отработавших газов вполне достаточно трубной системы с пятью – восьмью радиальными рядами труб.

Похожие:

	Термины и определения Технические требования на поставку комплектного водогрейного котла-утилизатора (кув) горизонтального		Типовая инструкция по пуску из различных тепловых состояний и останову... Инструкция предназначена для инженерно-технического персонала тепловых электростанций. Настоящая Инструкция выпускается вновь. Из...
	На поставку парового водотрубного котла дквр-4-13гм для нужд Акционерное общество «Марийский машиностроительный завод», именуемое в дальнейшем		Типовая инструкция по технической эксплуатации систем транспорта... Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,...
	6 июля 1998 года Вводится в действие Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,...		Рабочая программа дисциплины «Имитационное моделирование» Направление подготовки «Имитационное моделирование» являются получение теоретических знаний по имитационному моделированию и приобретение практических навыков...
	Основным направлением развития машиностроения является повышение... Это обеспечивается совершенствованием существующих и внедрения новых видов оборудования, технологических процессов и средств их механизации...		Примерная программа профессионального модуля техническая эксплуатация... Примерная программа профессионального модуля разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальностям...
	Минимальный перечень документов и информации по энергоблокам тепловых... Типы турбины и котла, входящих в состав энергоблока, основные технические характеристики энергоблока, турбины, котла, в том числе...		Инструкция по сборке кожуха Описание котла Производить эксплуатацию котла только после изучения и ознакомления указаниями по эксплуатации котла
	ИМ. К. Д. Памфилова Повышение эксплуатационной надежности магистральных и внутриквартальных тепловых сетей		К городской целевой программе «Энергосбережение и повышение энергетической... Информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности 5
	Последняя редакция коллективный договор бюджетного учреждения Чувашской Республики Бу «рссмп» Минздравсоцразвития Чувашии, направлен на повышение социальной защищенности работников, на обеспечение стабильности и...		Котла паспорт котла При передаче котла другому владельцу вместе с котлом передается настоящий паспорт
	Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,...		Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,...