Simulation of thermal processes in the lining of the ship's boiler
Authors: Стенин В.А. , Ершова И.В. , Жуков В.А. 
Published: December 2021

Судовой котлоагрегат подвергается воздействиям высокого давления рабочего тела и температуры дымовых газов. Кроме того работа его осложняется также быстрой и частой сменой нагрузки. Для продолжительной и надёжной работы котлов необходимо обеспечить прочность их конструкций, в частности, футеровки. Судовые котельные агрегаты футеруются огнеупорными материалами, во многом определяющими срок службы котла. При тепловом воздействии на теплоизоляционные материалы футеровки возникают термические напряжения, приводящие к деформации, растрескиванию и разрушению кирпичной кладки. Однако ввиду сложности постановки прямого физического эксперимента пока нет однозначного ответа на вопрос, какие условия способствуют разрушительному тепловому воздействию на футеровку котла. Потому авторы предлагают исследовать тепловые процессы в кирпичной кладке методами математического моделирования. В прикладном пакете ANSYS R17.2 WORKBENCH была создана твердотельная модель элемента футеровки (кирпича), на которой исследовались стационарные и нестационарные процессы теплообмена с граничными условиями первого и третьего рода. В результате экспериментов установлено, что разность деформаций соседних слоев огнеупора пропорциональна градиенту температуры, причём в нестационарных режимах теплообмена величина температурного градиента может значительно превышать его значение в стационарных условиях. Если учесть, что при форсированной нагрузке температура дымовых газов в топочном объёме достигает предельных значений, а интенсивность конвективного теплообмена существенно возрастает, то температурные напряжения, возникающие в футеровке котла, могут превысить предел прочности огнеупора.

The ship's boiler unit is exposed to the high pressure of the working fluid and the temperature of the flue gases. The operating conditions are aggravated with rapid and frequent alternations in load. To ensure continuous and reliable operation, boiler and its elements, including lining, design needs to be strong. Ship boilers are lined with fire resistant materials, which lining basically defines lifetime of a boiler. Any heat impact to lining insulation will result in thermal stress that leads to deformation, cracking and destruction of brickwork. However, as direct physical experiment is difficult to conduct, there has been no clear understanding as to what conditions cause destructive thermal impact to the boiler lining. In light of this, the authors propose to investigate thermal processes in brickwork by mathematical modeling methods. Using ANSYS R17.2 WORKBENCH application package, the solid model of the lining element (brick) was created and stationary and non-stationary heat exchange processes with the boundary conditions of the first and third order were investigated. The experiments showed that the difference of deformations of neighboring lining layers was proportional to temperature gradient, yet in non-stationary heat exchange mode the temperature gradient can be significantly higher than that in stationary conditions. Considering that in forced loading mode the temperature of flue gases in boiler furnace can reach its limit and intensity of convective heat exchange increases significantly, the temperature stress that occurs in the boiler lining can exceed the strength of fire resistant brickwork.