Моделирование системы охлаждения сопла-распылителя водородного парогенератора

УДК 532.685

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СОПЛА-РАСПЫЛИТЕЛЯ ВОДОРОДНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА

© 2012 И. Н. Лазаренко, А. А. Пригожин, Д. П. Шматов

Воронежский государственный технический университет

Рассмотрено моделирование системы охлаждения сопла-распылителя водородного парогенератора. Выбран наиболее предпочтительный вариант конструкции.

Водородный парогенератор, сопло-распылитель, моделирование, гидродинамика.

Кислородно-водородный парогенератор, разработанный совместно ОАО КБХА и ВГТУ, предназначен для выработки высокотемпературного парогаза, полученного при сгорании компонентов топлива. На выходе из парогенератора установлен турбонасос-ный агрегат, включающий турбину и электрогенератор. После парогенератора парогаз используется для привода турбины и, вследствие этого, получения электричества.

Парогенератор состоит из запального устройства 7, форсуночной головки 2, камеры сгорания 5, сопла-распылителя 4, камеры испарения 5 (рис. 1). После камеры сгорания парогаз разгоняется в сопле-распылителе с последующим смешением с балластировоч-ной водой в камере испарения. В камере испарения происходит дробление и испарение капель.

Рис. 1. Водородный парогенератор

Наиболее теплонапряжённой частью парогенератора является сопло-распылитель, в котором происходит течение парогаза с последующим взаимодействием с водяными струями (балластировочной водой).

Для парогенератора мощностью 5 МВт параметры парогаза - температура Т = 2600К и скорость 3 = 460 м/с. Водяные струи формируются в каналах охлаждения сопла-распылителя с расходом т = 4 кг/с.

При таких высоких параметрах возникает задача защиты стенок сопла-распылителя от прогара.

В настоящее время разработано несколько вариантов сопловых устройств парогенератора, таких как:

- с осевыми каналами охлаждения переменного сечения;

- осерадиальными каналами охлаждения переменного сечения;

- осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами (рис. 2).

Рис. 2. Сопло-распылитель с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации тепломассообменных процессов является использование в теплообменных устройствах пористых элементов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интен-

сивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь неё теплоносителем вследствие очень развитой поверхности их соприкосновения.

Широкий диапазон структурных, теплофизических, гидравлических, химических и других свойств пористых материалов, высокая интенсивность теплообмена - всё это дает возможность использовать пористые теплообменные элементы в различных экстремальных условиях [1].

Для более эффективной тепловой защиты стенок сопла-распылителя предлагается использовать пористые теплообменные элементы (ПТЭ) с межканальной транспирацией охладителя (МКТ).

Принципиальный вид системы охлаждения парогенератора, включающей сопло-распылитель с пористыми рёбрами, показан на рис. 3, 4 [2].

Рис. 3. Вставка с пористыми рёбрами

Рис. 4. Сопло-распылитель с пористыми рёбрами

Модели данных схем были созданы в графическом пакете БоНсГУУогкз. Основу вставки с пористыми рёбрами представляет коническая часть, изготовленная из бронзы, на которую напаяны рёбра из пористого материала, например, гранул меди сферической формы.

Аналитические решения задач о движении жидкости в сложных системах удаётся получать только для ламинарных течений. Поэтому основной способ решения таких задач заключается в использовании численных методов.

Применение численных методов облегчается благодаря использованию специализированных расчётных комплексов, предназначенных для численного интегрирования уравнений движения жидкости в заданной пользователем расчётной области.

Наиболее широкое применение получили модели на основе метода сеток.

Сущность метода сеток заключается в том, что искомая непрерывная функция аппроксимируется набором приближенных значений в некотором множестве точек, называемых узлами. Совокупность узлов, определённым образом между собой связанных, называется сеткой, которая, в свою очередь, становится дискретной моделью области определения искомой функции.

При построении математической модели работы системы охлаждения был принят ряд допущений:

рабочий агент считается вязкой несжимаемой средой (вода);

- течение потока - трёхмерное стационарное;

- теплофизические свойства потока принимаются постоянными и равными средним значениям в исследуемом интервале температур;

- на входе в расчётную область имеется полностью развитое течение с изотропной турбулентностью;

- теплообмен с окружающей средой отсутствует (на внешней стороне выполняется условие адиабатности) [3].

Исходными уравнениями для описания движения вязкой несжимаемой жидкости являются:

- уравнение Рейнольдса:

¿¡и г- -| 2

р — = ггак/ (р) + /и + ш • V и :

Ж

- уравнение турбулентной кинетической энергии:

с5/ч з

дхі

+ Ок - рє + 8К :

- уравнение диссипации турбулентной кинетической энергии:

д , ч д

С^р

Рис. 5. Расчётная область с пористым ребром: 1 -входная область течения; 2 - пористое ребро (медные гранулы сферической формы); 3 - выходная область течения

-уравнение энергии:

д

ді

(РЕ) + ^7Іиі(РЕ + Р)\

дХ:

дх

дТ

дх

]

'¡Ы,

Ъ

Записанные уравнения образуют систему, замыкание которой происходит уравнением связи турбулентной вязкости с диссипацией энергии и турбулентной кинетической энергией [4]:

к2

^ = Р-с/л

к

При решении поставленной задачи использовался программный комплекс АЫБУБ СБХ.

Схематично процесс решения задачи можно представить следующим образом.

На первом этапе осуществляется построение расчётной области исследуемого объекта (рис. 5, 6); декомпозиция расчётной области (разбивка области на подобласти); построение сетки; постановка граничных условий.

Для моделирования системы охлаждения с пористыми рёбрами была выбрана упрощённая модель, изображённая на рис. 5, представляющая собой сегмент конуса плоской формы.

Рис. 6. Расчётная область с осерадиальными каналалш охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами

На втором этапе построенная сеточная модель передаётся в решатель, после чего производится выбор настроек расчёта: задание параметров расчёта, свойств материалов, выбор дополнительных моделей (для моделирования турбулентности, горения), и производится собственно решение поставленной краевой задачи.

Построение регулярной сетки для данной задачи не представляется возможным, и поэтому был использован автоматический генератор сеток. Чем мельче ячейки сетки, тем более подробную физическую картину можно ожидать от расчёта. Однако создание мелкой сетки по всему объёму расчётной области не является рациональным и может перегрузить оперативную память компьютера. Была построена сетка:

- вариант 1 (расчётная область с пористым ребром): тип сетки - гексагональная, общее количество элементов 419016 штук;

- вариант 2 (расчётная область с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами): тип сетки - тетрагональная, общее количество элементов 1230000 штук.

На третьем этапе задаются граничные условия для заданной задачи:

- на входе в расчётную область задаётся постоянный расход: У(г) = }^, степень начальной турбулентности 5 %;

- на всех боковых поверхностях задаются условия прилипания: и-{г) = 0;

- для турбулентных величин предполагают равенство нулю турбулентной энергии и нормальной производной скорости диссипации на стенках канала: к = дг / дп = 0;

- с внутренней стороны соплового аппарата со стороны парогаза задаются граничные условия 3-го рода: температура газового потока Т = 2600К , коэффициент теплоотдачи

а = 7000-^-. м- К

В результате расчёта были получены поля давления, скорости и температуры охладителя при течении в каналах критического сечения с осерадиальными каналами охлаждения постоянного сечения и кольцевыми коллекторами и расчётной области с по-

Рис. 7. Поле скоростей

Рис. 8. Поле давлений

Рис. 9. Поле температур

Г1’

Рис. 10. Поле скоростей

Pressure Plane 1 1.819

Рис. 11. Поле давлений

u;

Рис. 12. Поле телтератур

Кольцевые коллекторы обеспечивают равномерный сбор и распределение воды, а расположение каналов под углом к оси потока позволяет получить наилучшую степень смешения воды с парогазом. Также такие каналы обладают наименьшим гидравлическим сопротивлением [1].

Моделирование работы системы пористого охлаждения проходило в несколько этапов:

1. Проводился гидродинамический расчёт одного ребра для определения его оптимальных геометрических характеристик и оптимального количества пористых рёбер.

2. По полученным данным проводилось моделирование теплового состояния пористого ребра, а затем всей конструкции системы охлаждения.

3. Анализ результатов позволяет сделать вывод о применимости данной схемы, иначе проводится корректировка геометрических размеров пористых рёбер и пересчёт [2].

По полученным данным можно сделать вывод о том, что сопло-распылитель с пористыми рёбрами может обеспечить дополнительный теплосъём в области критического сечения, что также поможет защитить его стенки от прогара.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, Г.К. № 14.740.11.0152, при программно-технической поддержке НОЦ «Водородная энергетика» и ОАО КБХА г. Воронеж.

Библиографический список

1. Моделирование гидрогазодинамики и теплообмена в каналах соплового устройства водородной энергоустановки [Текст] / А.А. Пригожин, И.Н Лазаренко, Д.П. Шматов [и др.]//Вести. ВГТУ, 2011. - Т.7 - № 12-1.-С. 72-76.

2. Коновалов, Д. А. Моделирование рабо-

ты системы пористого охлаждения паротурбинной энергоустановки [Текст] / Д. А. Коновалов, И.Н. Лазаренко, Д.П. Шматов [и др.] // Ракетно-космическая техника и технология 2010: тр. Российской науч.-техн.

конф., посвященной 70-летию со дня основания КБХА ВГТУ. Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2011. - С. 23-25.

3. Menter, F.R. Advanced Turbulence Mod-elling in CFX [Text] / F.R. Menter, T. Esch // CFX Update - Spring 2001. - No. 20. - P. 4-5.

4. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен [Текст]: в 2 т. / пер. с англ. / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плет-чер; - М.: Мир, 1990. - 728 с.

MODELLING SYSTEM OF COOLING NOZZLE-SPRAYER HYDROGEN STEAM

GENERATOR

© 2012 I. N. Lazarenko, A. A. Prigozhin, D. P. Shmatov Voronezh State Technical University

Article is devoted modeling system of porous cooling nozzle-spray hydrogen steam generator. Proposed and selected a preferred embodiment of the nozzle-sprayer, which consists in the use of porous fins instead of the cooling channels. Modeling work system of cooling was spent by means of program complex ANSYS CFX.

Hydrogen steam generator, nozzle-sprayer, modeling, hydrodynamics.

Информация об авторах

Лазаренко Игорь Николаевич, аспирант, Воронежский государственный техничекий университет. E-mail: rd@vgtu.ru. Область научных интересов: гидрогазодинамика, тепломассообмен, пористые системы охлаждения, энергоустановки.

Пригожин Антон Александрович, аспирант, Воронежский государственный технический университет. E-mail: rd@vgtu.ru. Область научных интересов: гидрогазодинамика, те-

пломассообмен, энергоустановки.

Шматов Дмитрий Павлович, кандидат технических наук, старший преподаватель, Воронежский государственный технический университет. E-mail: rd@vgtu.ru. Область научных интересов: гидрогазодинамика, тепломассообмен, пористые системы охлаждения.

Lazarenko Igor Nikolaevich, graduate student of Voronezh State Technical University. E-mail: rd@vgtu.ru. Area of research: fluid dynamics, heat and mass transfer, porous systems of cooling, power installation.

Prigozhin Anton Aleksandrovich, graduate student of Voronezh State Technical University. E-mail: rd@,vgtu.ru. Area of research: fluid dynamics, heat and mass transfer, power installation.

Shmatov Dmitry Pavlovich, candidate of Engineering Science, senior lecturer of Voronezh State Technical University. E-mail: rd@,vgtu.ru. Area of research: fluid dynamics, heat and mass transfer, porous systems of cooling.