Исследование полей скорости и температуры в каналах котла-утилизатора методом численного моделирования

УДК 662.994: 536.12

О. П. Шураев, Д. И. Бевза, С. Н. Валиулин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ В КАНАЛАХ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

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 теплообмен-ного аппарата со слабо распределенными параметрами.

Ключевые слова: теплопередача, котел-утилизатор, поле скоростей, температурное поле, расчет теплообменных аппаратов.

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-s модель [9].

Условия однозначности определены следующим образом (рис. 2):

- рабочая среда - газ, с теплофизическими свойствами воздуха, зависящими от температуры;

- начальная температура в газоходе 60 °С;

- 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 °С;

2) на выходе задано нулевое противодавление;

3) на поверхности теплообмена - температура 61 °С, 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).

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

а

б

г

в

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 90°) 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.

Рис. 4. Векторы скорости в продольном сечении

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.

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 °С.

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 турбулиза-цией 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 тепло-обменных аппаратах.

Средняя температура ПСГ после теплообменной секции составляет примерно 300 °С, 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).

Рис. 6. Графики изменения температуры по направлениям: а - с привязкой к расчетной модели; б - при различных значениях координаты у; в - при различных значениях координаты г

В теплообменной секции в направлении движения газа (ось х) температура экспоненциально убывает, что хорошо согласуется с теорией теплопередачи. В направлении оси у 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 г, заметим, что в области разворота воды остывание ПСГ примерно на 100 °С 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

б

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 ЛИТЕРА ТУРЫ

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 тепло-обменных 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. WilcoxD. C. Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, Inc., 1994. 460 p.

Статья поступила в редакцию 21.06.2016

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Шураев Олег Петрович - Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры эксплуатации судовых энергетических установок; eseu@vgavt-nn.ru.

Бевза Денис Игоревич - Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; аспирант кафедры эксплуатации судовых энергетических установок; eseu@vgavt-nn.ru.

Валиулин Сергей Николаевич - Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры эксплуатации судовых энергетических установок; eseu@vgavt-nn.ru.

O. P. Shurayev, D. I. Bevza, S. N. Valiulin

THE RESEARCH OF THE SPEED AND TEMPERATURE FIELDS IN THE FLOW PASSAGES OF THE EXHAUST HEAT BOILER BY THE NUMERICAL EXPERIMENT METHOD

Abstract. The paper presents the description and results of the numerical experiment in terms of the mathematical model of the sectional exhaust boiler with bypass line integrated in the general case, carried out in the research version of the software package of the computing hydraulic and gas dynamics FlowVision. The tasks of the computer modeling were the detection of the heat-exchange unit working conditions taking into account possible unevenness of the velocity field on the entrance area and the detection of the effect of this unevenness on the temperature field in the gas duct. The computing experiment comprised several prestages including the receiving of the gas space solid-state

model, detected the calculated area scopes, from the geometrical model of the researching exhaust boiler and the determination of the boundary conditions at the initial temperature in the gas duct 60 °C. Modeling of the temperature field was obtained by the method of the cold gas displacement. By the results of the numerical experiment it was found that the unevenness of the velocity distribution of the heat carrier (absolute values) in the exhaust boiler flow areas is slight, excluding the tear-off zone at the entrance of the exit branch, and the kind of change in gas temperature allows coming from grid models with thousands final-extensional elements to engineering calculation models, where heat transfer equations for a dozen of knots are considered. As a result, the information about the gas moving character in the conducts of the described exhaust heat boiler, which can offer the optimization of its construction, and the necessary results (velocity and temperature fields) for designing and verifying the heat-exchange model with low distributed parameters are obtained.

Key words: heat transfer, exhaust heat boiler, velocity field, temperature field, calculation of heat exchangers.

REFERENCES

1. Idel'chik I. E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniiam [Reference on hydraulic resistance]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1992. 672 p.

2. Seliverstov V. M., Bazhan P. I. Termodinamika, teploperedacha i teploobmennye apparaty [Thermodynamics, heat transfer and heat exchange apparatus]. Moscow, Transport Publ., 1988. 287 p.

3. Valiulin S. N., Shurayev O. P. Matematicheskaia model' teploobmennogo apparata serii VVPI [Mathematical model of heat exchanger of type VVPI]. Vestnik Volzhskoi gosudarstvennoi akademii vodnogo transporta, 2003, no. 5, pp. 149-154.

4. Shurayev O. P. Matematicheskaia model' kozhukhotrubnogo teploobmennogo apparata i ee primenenie [Mathematical model of tube shell heat exchanger and its application]. Sbornik trudovX Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi kon-ferentsii «Novye informatsionnye tekhnologii» (Moskva, 19-20 aprelia 2007g.). Moscow, MGUPI, 2007. Pp. 165-170.

5. Shurayev O. P. Matematicheskaia model' sudovykh teploobmennykh apparatov i ee primenenie v imi-tatsionnom modelirovanii sistem dizelia [Mathematical model of marine heat exchangers and its usage in simulation modeling of the diesel system]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. Novosibirsk, NGAVT Publ., 2010, no. 1, pp. 178-182.

6. Shurayev O. P., Piskulin V. G. Matematicheskaia model' i proektirovanie rekuperativnykh teplo-obmennykh apparatov dlia sudovykh energeticheskikh ustanovok [Mathematical model and designing of recuperative heat exchangers for marine power installations]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhniche-skogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2013, no. 2, pp. 169-173.

7. Bazhan P. I., Kanevets G. E., Seliverstov V. M. Spravochnik po teploobmennym apparatam [Reference on heat exchange apparatus]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989. 367 p.

8. Shurayev O. P. Modelirovanie v srede Flow Vision nekotorykh teplovykh i gidrodinamicheskikh prot-sessov v elementakh sudovykh energeticheskikh ustanovok [Modeling in Flow Vision of some heat and hy-drodynamic processes in the elements of marine power installations]. Vestnik Volzhskoi gosudarstvennoi akademii vodnogo transporta, 2006, no. 20, pp. 177-180.

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

The article submitted to the editors 21.06.2016

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Shurayev Oleg Petrovich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Operation of Ship Power Plants; eseu@vgavt-nn.ru.

Bevza Denis Igorevich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Volga State University of Water Transport; Postgraduate Student of the Department of Operation of Ship Power Plants; eseu@vgavt-nn.ru.

Valiulin Sergey Nikolaevich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Operation of Ship Power Plants; eseu@vgavt-nn.ru.