Моделирование процессов тепломассообмена при парообразовании в потоке высокотемпературного газа

УДК 532.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ПАРООБРАЗОВАНИИ В ПОТОКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗА

Д.П. Шматов, С.В. Дахин, Т.С. Тимошинова

В статье приводятся результаты, полученные при численном моделировании взаимодействия капель воды и высокотемпературного газа в ограничивающем цилиндрическом канале. Математическая модель, основанная на эйлеровом подходе с применением квадратичной модели напряжений Рейнольдса (модель турбулентности Я8М), позволяет моделировать взаимодействие отдельных фаз в многокомпонентных средах с учетом их взаимного влияния друг на друга

Ключевые слова: парогенератор, метан, турбулентность, тепломассообмен, гидрогазодинамика

В настоящее время темпы развития экономики в России существенно превышают темпы наращивания электроэнергетического потенциала. Исключение дефицита энергетических мощностей электростанций в различных регионах страны может быть обеспечено совершенствованием и созданием нового технологического оборудования с целью преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов традиционной электроэнергетики на базе природного газа, нефти, угля, атомной энергии. Одновременно исследуется возможность использования нетрадиционной энергетики местного значения в виде энергии ветра, геотермальных вод, солнца, малых рек и в биоэнергетических установках.

В России производство электроэнергии базируется как на классических тепловых электростанциях с паротурбинными установками (ПТУ), так на их совершенствовании и на развитии новых технологий, на поиске неиспользуемых резервов.

Основными методами повышения экономичности ПТУ являются: аэродинамическое совершенствование паровой турбины; совершенствование термодинамического цикла, главным образом, путем повышения параметров пара, поступающего из котла, и снижения давления пара, отработавшего в турбине; совершенствование тепловой схемы и ее оборудования.

Исходя из этого, одним из параметров совершенствования ПТУ является температура пара. Но генерация пара до температуры более 560-620 0С в настоящее время в России не осуществляется из-за отсутствия необходимых термостойких конструкционных материалов и соответствующего нового теплообменного оборудования.

За рубежом (Япония, Германия и др.) достигнутые параметры температуры пара 566 0С не являются предельными. В настоящее время там осваиваются температуры 590-700 0С.

Шматов Дмитрий Павлович - ВГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель, тел. (473) 277-27-55, e-mail: shmdm@ya.ru Дахин Сергей Викторович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-76-62, e-mail: svdahin@gmail.com Тимошинова Татьяна Сергеевна - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd-vgtu@mail.ru

Одним из способов решения проблемы энергообеспечения является применение автономных паротурбинных энергоустановок с использованием компонентов имеющегося в регионе топлива или получения их из имеющегося сырья. С этой целью, для получения высокотемпературного пара предлагается объединить процессы горения углеводородного топлива в кислородной среде и испарения воды с последующим перегревом полученного пара.

Оригинальность решения заключается в получении высокотемпературного водяного пара в камере сгорания путем испарения воды непосредственно в продуктах сгорания компонентов топлива без применения трубных теплообменных аппаратов. Сокращение металлоемкости конструкции, упрощение технологии производства и уменьшение габаритов аппаратов позволит ускорить создание оборудования для различных отраслей деятельности в стране и преодоление экологических и экономических ограничений.

Принципиальная схема топливно-кислородного смесительного парогенератора представлена на рис. 1.

Рис. І. Принципиальная схема парогенератора

Топливо, например метан (или любое другое), вместе с кислородом подаётся в камеру сгорания парогенератора, где организуется процесс горения. В зону горения специальным образом подводится вода для парообразования и на выходе из парогенератора получаем перегретый водяной пар с примесью продуктов сгорания.

Интенсификация процессов тепломассообмена может быть достигнута за счет закрутки водяной завесы около осевого потока парогаза [1]. Аналогичный подход реализован, например, в смесительном устройстве камеры сгорания. Авторами [2] теоретические и экспериментально подтверждена возможность использования вихревого эжектора. Межфазовый теплоперенос в полидисперсных си-

стемах капель и динамика двухфазного осесимметричного потока при скорости до 300 м/с и температуре до 300 0С, исследовались в [3]. Отсюда следует необходимость детального изучения процессов тепломассообмена при испарении в высокотемпературную и высокоскоростную парогазовую среду с учетом различных способов подачи воды.

Математическая модель расчета взаимодействия продуктов сгорания метана с водой основана на многофазной модели Эйлера. Эта модель позволяет моделировать многокомпонентные отдельные, но взаимодействующие фазы. При этом фазы могут быть жидкими, газообразными, твердыми или комбинированными. Модель Эйлера используется для каждой фазы в отдельности [4].

При использовании эйлеровой многофазной модели, количество дополнительных фаз ограничивается только возможностями памяти вычислительного компьютера и конвергенцией расчета. Любое количество дополнительных фаз может быть смоделировано при условии достаточной доступной памяти. Однако, при моделировании сложных многофазных потоков, стоит учитывать конвергенцию расчета.

Решение в эйлеровой модели основано на следующих основных допущениях:

- на все фазы действует одинаковое давление;

- уравнения сохранения импульса и пространственные уравнения решаются для каждой фазы отдельно.

Объем фазы q определяется Уд = | %йУ

где т - тензор напряжений фазы q,

где Ё ая = 1 =

д=1

ад - объемная концентрация.

Эффективная плотность фазы определяется уравнением

Рд = адРд

где рд является физической плотностью фазы. Уравнение неразрывности для фазы q

Э П

^ ( адРд ) + У • ( аяРдПя ) = X (трд - тдр ) + Бд

где Пд - скорость фазы; гпрд - характеризует массу

перемещенную из фазы р к фазе q.

По умолчанию, значение 8<1 равно нулю, но может быть определено как константа или определенное значение массы для каждой фазы.

Уравнение сохранения импульса для фазы q

Э (адр/д ) + V•( арпПя ) =

= —аяУР + У-Тд + адрд§ +

п

+Ё (Я + гіг V — гіг V ) +

і—! у РЯ РЯ РЯ яр яр'

р=1

+

тя=аят(ууя+уу)+ая\ля—3т |у-Уя1 .

Здесь ^ и ^ - раздельная и общая вязкость фазы q. Ёд - внешняя сила, Ёщ - подъемная сила, Ёут -

возможная сила массы, Крд - сила взаимодействия между фазами, и р - давление.

урд - скорость фазы, определенная следующим

образом. Если гпрд > 0 (то есть, масса фазы р передается к фазе q), урд = ур если трд < 0 (то есть, масса фазы q передается к фазе р), урд = уд . Аналогично, если да„„ > 0, тогда V = V ,если да„„ < 0 , тогда

др др д др

Уравнение (1), должно содержать соответствующие выражения для силы взаимодействия между фазами Крд . Эта сила зависит от трения, давления и других эффектов, и подчиняется условию

Кд =- К .

Для определения результирующей силы используем следующее выражение:

ЁЯРЯ = ЁКря

Р=1

Р=1

где Крд (= Кдр) - коэффициент межфазного

импульсообмена.

Для проверки выполнения закона сохранения энергии в эйлеровой многофазной постановке следует использовать уравнения теплового балланса для каждой фазы.

Э(адрд\) + V -(адРдйдкд) = ад^+1д: Уйд -У • дд +

п

+£ + X

д А^у^рд рд рд др др}

р=1

где Нд - определенное теплосодержание фазы д , дд - поток тепла, 8д - тепловой источник (например, химическая реакция или радиация), 0рд - интенсивность теплообмена между фазой р и фазой д , Нрд - теплоемкость испаряющейся фазы (например,

теплоемкость пара при температуре капель, в случае испарения).

При теплообмене между фазами должены выполнятся условия локального теплового баланса

О =-о и о = 0.

рд др ^дд

Применение квадратичной модели напряжения Рейнольдса или дополнительной модели напряжения, предложенной Спатсияле, Саркар, Гатски позволило получить более точные решения в рамках сдвиговых потоковых напряжений на разрыв, включая вращения плоскости сдвига и асимметричное расширение [5]. Модель обладает улучшенной точностью и может быть использована для описания

V = V

V

движения более широкого класса сложных технических потоков, особенно тех которые имеют обтекаемое искривление.

Данная модель записывается следующим образом:

Ъ =-(С1ре + С*р)ъ„ + Сре{ЬЬ -13ЬтпЬ^) +

+

+С5рк

где Ь к - тензор напряжений, определенный как Ь у = -рй ' , й'у + 2/3 рк 12 рк Значение скорости напряжения, Бу Б у = 0.5

Значение тензора скорости вращения, Оу Оу = 0.5

Для большого круга задач могут быть рекомендованы следующие константы [3] С1 = 3,4,

С* = 1,8, С = 4,2, С = 0,8, С* = 1,3

С4 = 1,25,

С5 = 0, 4 .

Реализация описанных выше моделей осуществлялась с использованием программного комплекса гидрогазодинамических исследований Ansys Fluent. Некоторые результаты моделирования взаимодействия продуктов сгорания метана и водяных капель с тангенциальным подводом с учетом взаимного влияния двух фаз представлены на графиках ниже (рис. 2-8).

-0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

X [ т ]

Рис. 2. График изменения осевой температуры первой фазы по длине парогенератора

Рис. 3. График изменения осевой температуры второй фазы по длине парогенератора

Рис. 4. График изменения осевой скорости первой фазы по длине парогенератора

Рис. 5. График изменения осевой скорости второй фазы по длине парогенератора

Рис. 6. График изменения осевой турбулентной частоты вихреобразования смеси по длине парогенератора

Рис. 7. График изменения осевой турбулентной кинетической энергии смеси по длине парогенератора

-0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Х[ш]

Рис. 8. График изменения осевой плотности смеси по длине парогенератора

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, Соглашение

№ 14.В37.21.0306, при программно-технической поддержке НОЦ «Водородная энергетика».

Литература

1. Экспериментальные исследования рабочих процессов водородных высокотемпературных минипарогенераторов с вихревыми камерами сгорания / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, А.Н. Лешов, С.П. Малышенко // Междунар. науч. журнал «Альтернативная энергетика и экология» №8, 2009. С. 72-77.

2. Исследование процесса смесеобразования в прямоточном вихревом эжекторе / Р.И. Иванов, Ш.А. Пира-лишвили // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 3. - М.: Издат. Дом МЭИ, 2010. С. 214-217.

3. Буглаев В. Т. Результаты моделирования теплоотдачи при испарительном охлаждении газового потока капельной влагой / В.Т. Буглаев, А.С. Стребков // Тр. II РНКТ. Т. 4. Кипение, кризисы кипения, закризисный теплообмен. Испарение, конденсация. - М.: Издательство МЭИ, 1998. С. 268-271.

4. Ansys Fluent Theory Guide. Release 14.0. P. 794.

5. Юн А.А. Моделирование турбулентных течений. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2010. - 352 с.

Воронежский государственный технический университет

SIMULATION OF THE PROCESS OF HEAT TRANSFER AND MASS TRANSFER

IN VAPORIZATION IN A HIGH GAS

D.P. Shmatov, S.V. Dahin, T.S. Timoshinova

The paper presents the results obtained by numerical simulation of the interaction of water droplets and hot gas within the bounding cylindrical channel. A mathematical model based on the Eulerian approach using quadratic model Reynolds stresses (turbulence model RSM), allows you to simulate the interaction of the individual phases in multicomponent media with regard to their mutual influence on each other

Key words: steam generator, methane, turbulence, heat and mass transfer, fluid dynamics