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

Выводы по второй главе - разработаны требования и учтены конструктивные параметры перспективного судового котла-утилизатора; - разработана математическая модель котла-утилизатора с распределёнными параметрами на базе прикладного пакета программ вычислительной гидро-газодинамики ANSYS CFX; - выполнены исследовательские расчёты структуры потока газов котла-утилизатора с учётом осевой симметрии. Получены условия сходимости расчётных процедур. Исследовано влияние структуры потока на входе в трубный пучок, на тепловые характеристики котла-утилизатора; - показано положительное влияние на теплообмен в трубном пучке установки системы диффузорных дефлекторов; - определены параметры трубной системы котла-утилизатора, обеспечивающие его эффективную работу. 3. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЁТА КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА 3.1. Исходные положения Разработанная математическая модель котла-утилизатора с распределенными параметрами позволяет решать задачи анализа в разделах теплопередачи и гидрогазодинамики. Однако, ввиду чрезвычайно высокой трудоёмкости подготовительных работ, продолжительности вычислительных процедур и необходимости использования высокопроизводительной вычислительной техники, применять полученную математическую модель в проектной практике весьма затруднительно. В связи с этим, с учетом полученных данных о структуре и параметрах потоков теплоносителей, целесообразно разработать основы инженерной методики расчёта судового котла-утилизатора предложенной конструкции с использованием известных базовых понятий и соотношений, применяемых для моделей теплообменников с сосредоточенными параметрами. Рассматриваемая конструкция котла-утилизатора предполагает во всех схемах использование осесимметричного поперечного реверсивного тока по газовой стороне (рисунок 3.1) Рисунок 3.1 - Схема движения газов в котле-утилизаторе. С целью увеличения скорости движения нагреваемой жидкости по трубам целесообразно по окружности кольцевой системы теплообменных труб организовать несколько ходов. Предварительный анализ показывает, что для обеспечения эффективной скорости 0,3…1,0 м/с внутри труб, число ходов должно составлять 4…12. Разбиение фронта трубной доски на участки однонаправленного тока может выглядеть согласно рисунку 3.2 а) Вариант четырёх ходов по стороне воды б) Вариант 12 ходов по стороне воды Рисунок 3.2 - Схемы разбиения трубных досок С точки зрения удобства размещения патрубков подвода-отвода нагреваемой жидкости на корпусе котла число ходов целесообразно применять четным: 4; 6; 8; 10; 12. Для дальнейшего анализа систему тока котла представим в форме развёртки. Для четырёхходовой схемы (рисунок 3.3). Аналогично можно представить развёртки для вариантов с другим количеством ходов по нагреваемой жидкости. Готовых интегральных зависимостей для расчета суммарной тепловой эффективности или среднего температурного напора для данной схемы в рассмотренной литературе не найдено. Однако, в соответствии с известными подходами [66, 73], полученные варианты схем тока можно разбить на систему элементарных перекрёстноточных теплообменников соединённых в комплекс (рисунок 3.4). Рисунок 3.3 - Развёртка четырёхходовой схемы котла-утилизатора с реверсным поперечным током газов Рисунок 3.4 - Комплекс из элементарных перекрёстноточных теплообменников для расчётной схемы котла-утилизатора С целью упрощения дальнейших выкладок целесообразно рассмотреть комплекс как группу из четырёх пар перекрёстноточных теплообменников, включённых с общим противотоком (1-2; 5-6) и с общим прямотоком (3-4; 7-8). В конструкторской практике для определения параметров теплообменника на конечных стадиях проектирования чаще применяется методика поверочного расчёта, т.е. для известной геометрии проточной части при известных основных параметрах теплоносителей, известной схеме тока рассчитывают выходные температуры теплоносителей. Рассмотрим одно из возможных решений данной задачи в приложении к исходной схеме на рисунке 3.4. Поскольку входные температуры по газу у каждой пары одинаковы, а сами пары включены по нагреваемой жидкости последовательно, нет необходимости решать систему уравнений для всех элементарных теплообменников комплекса. Достаточно найти удобные представления для противоточной и прямоточной схемы включения пар, поскольку они в общей схеме повторяются. Любые дальнейшие изменения в сторону увеличения числа ходов потребуют лишь приложения полученных соотношений к каждой паре последующей по течению жидкости. 3.2. Определение тепловой эффективности комплекса Рассмотрим пару условных перекрёстноточных теплообменников, включённых с общим противотоком (рисунок 3.5). Рисунок 3.5 - Расчетная схема комплекса из двух теплообменников, включённых противоточно На схеме (рисунок 3.5) теплообменники пронумерованы цифрами 1 и 2. Температуры t1, t2 относятся соответственно к первому и второму теплообменнику. Первый подстрочный индекс 1относится к газу, 2 - к воде. Второй подстрочный индекс 1 относится к входу, 2 – к выходу. Примем, что в числе исходных данных известны входные температуры теплоносителей t211 и t121, массовые расходы теплоносителей mτг,mτв, средние значения теплоносителей сτг , сτв, теплофизические свойства теплоносителей λг, λв,νг, νв, Pг,Pв, все линейные размеры трубных пучков, включая число рядов, шаги и размеры труб, физические характеристики материала труб и других элементов. В результате предварительного расчета найдены в первом приближении значения тепловой эффективности теплообменников ��1 и ��2. Определены отношения полных теплоемкостей теплоносителей. Поскольку отсутствуют потери теплоносителей на пути между теплообменниками 1 и 2 отношение полных теплоёмкостей для обоих: Выражения для тепловой эффективности теплообменников 1 и 2: (3.1) (3.2) Отношение теплоёмкостей через температуры: (3.3) Из схемы на рисунке 3.5: (3.4) Получили четыре уравнения связи параметров с четырьмя неизвестными. Решим систему поэтапно заменяя неизвестные переменные. Используя (3.4) получим: (3.5) (3.6) (3.7) (3.8) Выразим t111 из (3.5) и подставим в (3.6). После преобразований получим: (3.8) Сложим (3.7) и (3.8). После преобразований выразим: (3.9) Подставим t112 в (3.8) После преобразований получим выражение для определения t222: (3.10) Определим неизвестную температуру t112: (3.11) Аналогично может быть рассмотрена прямоточная схема включения двух перекрёстноточных теплообменников (рисунок 3.6) Рисунок 3.6 - Расчетная схема комплекса из двух теплообменников, включенных прямоточно Выражения для тепловой эффективности: (3.12) (3.13) Отношение теплоёмкостей через температуры: (3.14) Из схемы на рисунке 3.6 (3.15) (3.16) Согласно (3.14): (3.17) где Подставляем (3.16) в (3.17) и после преобразований получим: (3.18) Из уравнения (3.13): (3.19) С учетом (3.15) и (3.14) получим: (3.20) Подставляя (3.17) и (3.16) получим: (3.21) Из (3.14) с учётом (3.15), (3.21), (3.18): (3.22) Таким образом, определены концевые температуры противоточного и прямоточного комплексов теплообменников (1+2) и (3+4). То, что при выводе выражений (3.10), (3.11), (3.21), (3.22) значения тепловой эффективности у каждого элементарного теплообменника принимались различными, позволяет выполнить расчёты с учётом их конкретных свойств и принимать во внимание факторы как изменения теплофизических свойств теплоносителей по мере движения по теплообменной матрице, так и конкретное исполнение каждого участка проточной части котла-утилизатора, а так же влияние накопления отложений в участках котла. Значения тепловой эффективности η1, η2, η3, η4 могут быть определены по известным формулам, например, [66]: Перекрёстный ток, оба теплоносителя абсолютно не перемешаны: (3.23) Перекрёстный ток, оба теплоносителя идеально перемешаны: (3.24) Теплоноситель (mτcp)max идеально перемешан, теплоноситель (mτcp)min не перемешан: (3.25) Теплоноситель (mτcp)max не перемешан, теплоноситель (mτcp)min перемешан: (3.26) Условие перемешивания теплоносителей определяет использование формул (3.23)-(3.26). С учётом конструкций рассматриваемого котла-утилизатора можно считать, что теплоноситель (mτcp)max – вода, абсолютно не перемешан, т.к. он движется внутри пучка параллельных труб. Теплоноситель (mτcp)min – газ частично перемешивается по ходу движения в межтрубном пространстве. В какой мере происходит смешение, может дать экспериментальное исследование, либо численное моделирование потока. Можно ожидать, что наилучшее приближение может быть получено при использовании формулы (3.26). В дальнейшем, отклонение реального результата и расчетного значения можно учесть введением коэффициента смешения газового потока. Формально это можно выполнить следующим образом. Представим реальное значение тепловой эффективности элементарного перекрёстноточного теплообменника как некое среднее значение ηп, вычисленное по формулам (3.23) и (3.26). Влияние перемешивания учтём коэффициентом «весомости» результата расчёта по каждой из формул (3.23) и (3.26) Кп = 0…1,0; (3.27) Поскольку в рассматриваемой конструкции котла-утилизатора течение газового теплоносителя осесимметричное, коэффициент Кп для всех участков поверхности теплообмена, продуваемых газами в одном направлении можно считать одинаковым (рисунок 3.1). Определение Кп – задача, которая должна решаться на базе численного метода расчёта параметров течения в трубном пучке. Однако расчёты показали, что для условий течения в котле-утилизаторе рассматриваемой конструкции с поперечными перегородками в межтрубном пространстве при характерных значениях S = 3,5…5,5; R = 12…25; N = 0,08…0,04 величины тепловой эффективности, рассчитанные по формулам 3.23, 3.26, 3.27, различаются в относительном выражении не более, чем на 0,4 %. В связи с этим в данной работе влиянием перемешивания потока в трубном пучке решено пренебречь. Расчет концевых температур в последующих по течению воды парах элементарных теплообменников (5-6) и (7-8) (на примере рисунка 3.4) может быть выполнен по полученным формулам (3.10), (3.11), (3.21), (3.22). При этом необходимо присваивать значения выходных температур воды предыдущей пары выходным температурам последующей пары т. е. t422 = t521 t622 = t721 и т. д. Входные температуры газа для температурных теплообменников 2, 3, 6, 7 и т. д. принимаем равными t221 = t321 = t621 = t721, поскольку при разделении осесимметричного газового потока на части его входные температуры будут одинаковыми. На базе полученных соотношений и при использовании подходов, описанных в [66] разработана методика поверочного расчёта котла-утилизатора новой конструкции. Блок схема поверочного расчёта котла-утилизатора приведена на рисунке 3.7. Рисунок 3.7 - Блок схема поверочного расчёта котла-утилизатора Блок №1 формируется на основе предварительных расчетов и конструирования. Тепловой поток может быть определён по известным методам, например [66]. На основе данных блока определяется величина снижения температуры газового теплоносителя при течении в кольцевом канале между наружным корпусом и трубным пучком. Блок №2 содержит сведения о роде жидкого нагреваемого теплоносителя (вода, этиленгликоль, высококипящие жидкости и др.), о составе газового теплоносителя (массовые доли N2, O2, CO, CO2, SO2, NOx, H2O). В блоке №3 приводятся данные о числе ходов по нагреваемому и греющему теплоносителям, основные геометрические характеристики: - наружный диаметр труб, dн, м; - внутренний диаметр труб, d, м; - внутренний диаметр выступов, dв, м; - шаг накатки, tв, м; - длина труб, L, м; - общее количество труб, n; - количество ходов по газу, Z1; - количество ходов по воде, Z2; - количество ходов в трубном ходу, nx; - количество поперечно обтекаемых рядов труб, nр; - внутренний диаметр центрального газохода, Dм, м; - радиус поворота потока газа, Rмп, м; - количество труб в первом (внутреннем) ряду, nвн; - количество труб в последнем (внешнем) ряду, nвнеш; - диаметры окружностей по центрам труб: D1, D2, D3… Di, м; - количество труб в рядах, n1, n2, n3…ni; - внутренний диаметр коллектора, Dквн, м; - внутренний диаметр магистрального патрубка, Dмп, м; - внутренний диаметр входного и выходного водяных патрубков, dп, м; - длина труб в первом газовом ходу, L1, м; - длина труб во втором газовом ходу, L2, м; Показатели эффективности (по предварительным данным). Коэффициент теплопередачи среднеинтегральный, К, Вт/(м2К) Тепловая эффективность охлаждения газа, ; Число единиц переноса теплоты, S; Ограничивающие параметры Температура газов на выходе из котла минимальная, , Температура газов на выходе из котла максимальная, , Температура воды на выходе из котла максимальная, , Газодинамическое сопротивление максимально допустимое, , Па; Газодинамическое сопротивление максимально допустимое, , Па; Допустимая разверка итерационных процедур, ; Блок № 4 Массовый расход газов,, m/c; Массовый расход нагреваемой жидкости (Воды),, m/c; Температура газов на входе в котел, , Температура нагреваемой жидкости на входе в котел, , Блок № 5 Оценка влияния факторов неравномерности течения и угла натекания может быть выполнена на основании данных [66] либо с использованием данных численного моделирования потока в проточной части котла- утилизатора. Блок № 6 Формирует базу данных для тепловых расчетов В Блоке № 7 вычисляются определённые температуры для выполнения начального расчетного приближения. В основу вычислительных процедур заложены идеи, изложенные в книге Бажана П.И. [66] в разделе «Алгоритм ускоренного интервально-итерационного расчёта» Автор [66] предлагает определять концевые температуры на каждом интервале разбиения теплообменника на элементарные части по формулам вида Где - тепловой поток элементарного - теплообменника При этом автор [66] рекомендует на первом этапе принимать величины разбиения равными. В задачах данной работы, для условий котла утилизатора, соотношение полных теплоемкостей нагреваемого и греющего теплоносителя весьма велики и составленной N= 10…20. По предварительным расчётам в котлах рассматриваемого типа тепловая эффективность каждого элементарного теплообменника как в противоточной, так и в прямоточной паре в данном случае значительна и составляет = 0,65…0,75. Для этих условий, действительно, тепловые потоки каждой пары (рисунок 3.4) с погрешностью не более 5% можно считать одинаковыми. Например, при разбиении поверхности котла по количеству ходов воды на 4 В тоже время существует возможность уточнения результатов и уменьшения количества итераций дальнейшим делением теплового потока каждой пары на две неравные части для каждого элементарного теплообменника . Для указанных параметров N= 10…20; = 0,65…0,75 по результатам расчетов может быть принято = 0,75;= 0,25, где 1 и 2 индексы очередности элементарных теплообменников по ходу течения газа. Может быть рассчитан в первом приближении по методикам [66]. В пределах каждого элементарного теплообменника определяющие температуры далее вычисляются как среднее арифметическое по входу и выходу в соответствии с известными подходами [66] В Блоке № 8 определяются режимы течения теплоносителей. На первом этапе расчета вычисляются теплофизические характеристики теплоносителей. Для воды: Для газов: По формулам и таблицам [66], где t – определяющая температура из Блока № 7, рассчитывается значения чисел Re и Pr, определяющие размеры и подбираются формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи по греющему и нагреваемому теплоносителем для каждой операции каждого элементарного теплообменника [66]. В Блоке №9 выполняется расчёт коэффициентов теплоотдачи в пределах элементарного теплообменника коэффициент теплоотдачи по данным Блока № 8 с учетом характера натекания на трубы газового теплоносителя. В Блоке № 10 вычисляются по известным формулам [66] полные теплоёмкости теплоносителей, их соотношения N и R, число единиц переноса теплоты S для каждой итераций каждого элементарного теплообменника. В Блоке № 11 вычисляются значения тепловой эффективности  для текущего номера элементарного теплообменника с учётом поправок на перемешивание потока газа при течении сквозь трубный пучок по формулам 3.23…3.26 и 3.27 В Блоке № 12 вычисляются выходные температуры для текущего номера элементарного теплообменника по формулам 3.10, 3.11, 3.21, 3.22, 3.1, 3.2, 3.12, 3.13 Счётчик итераций программируется на количество итераций, обеспечивающих требуемую разверку. Расчёт показал, что достаточно двух итераций. В Блоке № 13 выполняется расчёт концевых температур парных комплексов по формулам 3.10, 3.11, 3.21, 3.22 после уточнения определяющих температур и теплофизических характеристик в Блоке № 7 и цикле 7-12. На выходе Блока № 13 установлен вычислитель разверки 14 с логической составляющей, направляющий расчёт на следующую итерацию в случае недопустимой величины разверки . Целесообразно допуст. В случае допустимой величины разверки в Блоке № 15 идёт печать результатов, либо следующая итерация данных в расчётные блоки гидравлических, газодинамических и других расчетов (в данной схеме не показаны). Приведенный алгоритм позволяет получать уточненные данные о температурах теплоносителей в элементах преточной части котла-утилизатора, параметр тепловой эффективности и др. характеристики, важные для правильного выбора материалов котла-утилизатора, конструктивных элементов для компенсации температурных расширений, толщины теплоизоляции и другого.

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»,...