Моделирование процессов тепломассообмена в водогрейном котле с экранно-конвективными секциями

УДК 621.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ВОДОГРЕЙНОМ КОТЛЕ С ЭКРАННО-КОНВЕКТИВНЫМИ СЕКЦИЯМИ

В.М. КАРАВАЙКОВ, Н.В. КИСЕЛЕВ, А.В. ШИПОВ

Костромской государственный технологический университет

В данной работе рассматриваются результаты компьютерного моделирования процессов тепломассообмена в топке водогрейного котла с новой конструкцией экранно-конвективных секций в топочной камере.

Ключевые слова: водогрейный котел, конструкция с экранно-конвективными секциями, компьютерное моделирование.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что в последнее время резко возрос интерес к применению методов вычислительной гидродинамики (CFD) и реализующих их программ для разработки эффективных методов сжигания топлива в теплогенерирующих установках, с моделированием процессов горения, конвективного и радиационного теплообмена в топочной камере. Результатами моделирования являются поля температур, скоростей, концентраций топлива и продуктов сгорания, тепловые потоки через поверхности теплообмена [1].

В данной работе рассматриваются результаты моделирования процессов тепломассообмена в топке водогрейного котла в среде ANS YS CFX 11.0 и производится предварительная оценка эффективности новых конструктивных решений.

Отметим, что особенностью предлагаемой конструкции котла является частичное совмещение функций экранных труб и конвективного пучка [2]. Поверхность теплообмена состоит из концентрических трубок, причем вода циркулирует в межтрубном пространстве, а по центральной полости движутся горячие газы (рис. 1) [2]. Котел содержит стальные секции, состоящие из боковых элементов, соединенных с помощью сварки. Количество секций подбирается по длине на необходимую поверхность нагрева. Стальные секции выполнены сварными из унифицированных стальных элементов и соединяются коллекторами обратной и греющей воды. Одна секция имеет две поверхности нагрева: внутреннюю - конвективную и наружную - радиационно-конвективную. Число секций котла, пространственная конфигурация секции, количество секций подбирается исходя из требуемой мощности котла. Новая конструкция позволяет многократно расширить диапазон котла по мощности, при этом только 1-4% поверхности элементов не участвует в теплообмене, остальные поверхности активно омываются топочными газами, увеличивая поверхность нагрева. Это дает возможность эффективнее использовать топочное пространство и, следовательно, уменьшить габариты котла.

При компьютерном моделировании геометрическая модель топки состояла из 5 экранно-конвективных секций и включала 4 твердых тела (полости топки, воды, стенок труб, коллектора дымовых газов), которые в дальнейшем образовывали домены в ANSYS CFX.

© В.М. Каравайков, Н.В. Киселев, А.В. Шипов Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

W75 O.SJS

Рис. 1. Экранно-конвективные секции

Сетка создавалась в автоматическом режиме с минимальным размером элемента 4 мм, максимальным - 40 мм. Общее число элементов сетки 2060000, показатель качества - не хуже 0,3. Фрагмент сетки показан на рис. 2.

Рис.2. Фрагмент конечно-элементной сетки области течения воды

В качестве модели турбулентности принималась стандартная k-Epsilon модель, лучистый теплообмен моделировался по методу Монте-Карло.

В качестве топлива принят метан, горелка вихревого типа с принудительной подачей воздуха. Модель горения - Eddy Dissipation, согласно которой скорость горения лимитируется временем перемешивания горючего и окислителя, зависящим от турбулентной кинетической энергии и скорости ее диссипации.

Поскольку задача оптимизации сжигания топлива не рассматривалась, список реакций, протекающих в смеси метана с воздухом, соответствовал схеме Methane Air WD1 NO PDF, предполагающей полное сгорание газа.

В качестве граничных условий задавались скорости и температуры сред на входе в горелку и водяной коллектор, а также нулевые избыточные давления на выходе. На твердых стенках задавалось условие прилипания и степень черноты поверхности 0,9.

Массовый расход метана в горелке 0,0453 кг/с, воздуха 0,820 кг/с, коэффициент избытка воздуха 1,05. Плотность метана при нормальных условиях 0,714 кг/м3, теплотворная способность 35,9 МДж/м3. Объемный расход метана через горелку 0,0453/0,714 = 0,0634 м3/с, ее тепловая мощность 2,28 МВт.

При указанных исходных данных вода нагревается от 343 К (70 оС) до 374,9 К (101,7 оС) при расходе 9,395 кг/с, разность тепловых потоков воды на выходе и входе 1,243 МВт, что составляет 54,5% от теплоты сгоревшего топлива.

В результате расчета и обработки результатов установлено, что тепловой поток через поверхность нагрева составляет 1,281 МВт, в том числе конвективный 0,319 МВт, лучистый 0,998 МВт (небольшой дисбаланс обусловлен погрешностью сеточного решения).

Средняя температура поверхности нагрева составила 1349 К.

Тепловой поток, уносимый газами в дымоход, оказался равным 1,51 МВт, средняя температура на выходе из дымохода 1229 К при максимальной температуре в топке 2188 К.

Состав дымовых газов: СО2 - 14,38%, О2 - 1,08%, Н2О - 11,8%, N0 -0,000245%.

Давление воздуха на входе 9220 Па, давление газа 5032 Па, гидравлическое сопротивление водяного тракта 993 Па.

Распределение температуры в сечении топки показано на рис. 3. Анализ показывает, что температура в газоходах падает в среднем на 158 К.

Рис. 3. Распределение температуры в среднем сечении топки

Для сравнительной оценки эффективности котла производились аналогичные расчеты для топки котла той же геометрии, вся внутренняя поверхность которого (7,1м2) представляла собой экран (в предлагаемой конструкции площадь поверхности теплообмена составляла 10м2). Согласно расчетам, в этом случае экран получает лишь 41,6% теплоты сгоревшего топлива, а температура газов на выходе из топки составляет 1433 К.

Таким образом, полученные данные показывают, что использование экранно-конвективных секций увеличивает утилизацию тепла топлива непосредственно в топочной камере за счет повышения эффективной поверхности теплоотдачи, что позволяет повысить теплопроизводительность котельной установки за счет увеличения поверхности нагрева. При этом уменьшается объем и вес котла, расширяется диапазон котельной установки с увеличенной конвективной поверхностью нагрева по мощности. Повышается КПД на 15-20% за счет увеличения поверхности нагрева, достигается экономия топлива на 15-20%.

Вывод

Моделирование теплообмена в топке водогрейного котла показало, что использование экранно-конвективных секций позволяет увеличить утилизацию тепла непосредственно в топочной камере за счет повышения эффективной поверхности теплоотдачи.

Summary

In the given work the results of computer modeling of processes of an exchange of a heat and weight in the chamber of burning of the boiler, heating up water, with a new design of a surface of heating in the chamber of burning are considered.

Key words: the boiler, heating up water new design of a surface of heating, computer modeling.

Литература

1. Хитрых Д. Моделирование процессов горения, тепло и массообмена в топках котлов на пылевидном топливе // ANSYS Advantage. Русская редакция. -Осень 2008. С.25-28. URL: http//www.ansyssolutions.ru.

2. Котельная установка с увеличенной конвективной поверхностью нагрева. Патент РФ на полезную модель № 89667.

Поступила в редакцию 10 мая 2010 года

Каравайков Владимир Михайлович - д-р техн. наук, профессор, директор регионального центра энергосбережения Костромского государственного технологического университета. Тел.: 8 (4945) 31-70-08. E-mail: kvml@ya.ru.

Киселев Николай Владимирович - д-р техн. наук, доцент Костромского государственного технологического университета. Тел.: 8 (4945) 31-70-08.

Шипов Алексей Вячеславович - аспирант Костромского государственного технологического университета. Тел.: 8 (4945) 31-70-08.