Моделирование газодинамических и тепловых процессов в газовом нагревателе малой мощности

УДК [662.61+536.24]:519.6

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОВОМ НАГРЕВАТЕЛЕ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

АЛЬЕС М. Ю., КОРЕПАНОВ М. А., ШАКЛЕИН А. А.

Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Проведены расчеты газодинамических и тепловых процессов, протекающих в газовом нагревателе прямого нагрева мощностью 15 кВт. Цель исследований заключается в разработке технических решений по оптимизации рабочего режима нагревателя за счет внесения в его конструкцию изменений. В результате моделирования нагревателя получены поля скоростей и температур в камере сгорания. На основании полученных данных предложено конструктивное решение, позволяющее снизить тепловую нагрузку на рассекатель воздуха камеры сгорания нагревателя.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: газовый нагреватель, газодинамика, теплообмен, математическое моделирование, горение, турбулентность.

Газовый нагреватель прямого нагрева представляет собой открытую камеру сгорания, во время работы которой продукты горения попадают внутрь обогреваемого помещения вместе с нагретым воздухом за счет напора, создаваемого вентилятором, который приводится в движение электродвигателем. Топливом, как правило, являются сжиженные углеводороды (пропан-бутан), поступающие в камеру сгорания через форсунку с постоянным давлением, создаваемым редуктором.

Описанию и моделированию процессов горения посвящено большое количество работ как отечественных [1, 2], так и зарубежных авторов [3 - 6]. Методам решения задач газовой динамики и теплообмена в реагирующих потоках посвящены работы [7 - 11].

Основной особенностью рассматриваемого газового нагревателя является то, что протекающие в нем процессы образования топливной смеси, ее горения в камере, теплообмена с элементами конструкции можно разделить на отдельные задачи: первая -рассмотрение смешения эжектирующего газа с воздухом для образования топливной смеси и вторая - расчет процессов горения и теплообмена в камере.

Отдельно следует выделить требования по содержанию загрязняющих веществ, в первую очередь по угарному газу СО, т.к. продукты сгорания от нагревателей прямого нагрева поступают непосредственно в отапливаемое помещение. Процессам образования загрязняющих веществ при горении и методам моделирования этих процессов посвящены работы [12 - 15].

Цель данной работы заключается в расчетно-теоретическом исследовании процессов, протекающих в газовом нагревателе, для разработки технических решений по оптимизации рабочего режима нагревателя в серийно выпускаемых на Ижевском заводе тепловой техники газовых нагревателях ОН-15 мощностью 15 кВт.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Для численного расчета работы газового нагревателя необходимо описать следующие процессы [16]:

• гидромеханика многокомпонентного газа;

• турбулентность;

• передача энергии;

• горение.

Вышеприведенные процессы моделируются следующим образом.

Газовая среда

зе+эь=о

Эг Эху

Эрг/, + Эрг/и = Эр + Э Л,+м ^Эгу

Эt

Эх,

= ——+—(м+м t )-

Эх, Эх у Эх у

,

V ""у

Р = рЯТ.

Для замыкания осредненной системы уравнений Навье-Стокса используется модель турбулентности к — е :

ЭрА Эрг/ук Э (. ^ мг ^ ЭТ 1 _ 1 + с „ —

-+-Эt Эх

у

Эх

Рг

г У

Эх ; Эх у

Эрк Эргг к Э ( ,Экп_ + = —(М + окМг)—+ рк —ре,

Эг Эх,

Эх,

уу

Эре Эрг/ у е = Э

Эх у

- + -Эг Эх

у

Эх (м + °еМг ^ ке(Се1Рк — Се2ре) ,

где турбулентная вязкость вычисляется по формуле

г- к2 Мг = Сцр— .

В качестве топлива рассматривался пропан С3Н8.

Модель горения. Для моделирования диффузионного турбулентного горения использовалась модель Йаше1е1 [17 - 18]. Массовые концентрации компонентов

определялись по рассчитанным доле смеси (2), вариации доли смеси (2"2 ) и скалярной скорости диссипации (% г) с помощью библиотеки, заранее сконфигурированной на основе одномерных пламен в противотоке

% = % (2,2"2,%*). Уравнение для доли смеси

эр/ Эрггу! Эг +

(

Эху

Эху

Мt М + — о

Л

Э2

2 У

Эху

Уравнение для вариации доли смеси

Эр^

Эрг/ Д"2

+

Э

(

Эг

Эх

Эх

М +

Мг

°2 л-2 у

уу Скалярная скорость диссипации

е / "2 к

Э/

>а

Эх

- + 2

Мг о5

' Э7 У

Эху

V у У

% = с^^'

Радиационный теплоперенос. Теплоперенос излучением описывается моделью

Р1 [19]. Решается уравнение относительно интеграла интенсивности излучения

Э сЮ_

Эху 3к Эху

к (4оТ4 — в),

где к = Е к (Т) X, - осредненный по компонентам коэффициент поглощения газовой смеси.

При этом радиационный тепловой поток имеет вид

_г 1 до

Ъ дГ,

-1 3к дх у

Твердый материал. Элементы конструкции камеры сгорания участвуют в процессе теплопереноса. Уравнение сохранения энергии в твердом теле выглядит следующим образом

рс ^> ,

д( дху дху

где р5 - плотность, С5 - теплоемкость, 15 - теплопроводность и Т5 - температура твердого тела.

Сопряженный теплообмен в системе "газ-твердое тело". Для уравнений энергии определяется граничное условие сопряжения:

Т = Т,

5 дп

г и ^ С ^ + 1

V У

^ + & .

дп

где с[к - радиационный тепловой поток на поверхности материала корпуса дизельной горелки.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

Режим работы смесителя. Цель моделирования процессов в смесителе заключается в необходимости проведения оценки режимов его работы, в первую очередь качества смешения компонентов для обеспечения необходимого соотношения первичного коэффициента избытка окислителя (а) на уровне 0,4 - 0,45. Выполнение данного условия обеспечит с одной стороны, отсутствие прорывов пламени в смеситель, а с другой стороны -полноту сгорания газа с минимальным содержанием вредных веществ, в первую очередь СО.

Диаметр форсунок определяется потребным расходом топлива для получения заданной мощности и перепадом давления на форсунке, которое зависит от используемого редуктора.

Размер отверстий горелки должен быть достаточным для обеспечения беспрепятственного выхода смеси в камеру сгорания при условии соблюдения отсутствий проскоков пламени внутрь горелки. Проскок пламени внутрь горелки можно избежать применением известных технических решений:

1) смесь воздуха и газа в горелке должна быть богаче нижнего предела зажигания

(а< 0,5);

2) скорость выхода смеси из огневого отверстия должна быть больше скорости распространения пламени (для пропана > 2 м/с [20]);

3) диаметр огневого отверстия должен быть меньше критического размера для проскока пламени (< 2 мм).

В существующем нагревателе ОН-15 при использовании редуктора на 0,7 бар, диаметре форсунки - 1 мм, диаметре смесителя - 22 мм были получены следующие результаты: скорость газовой смеси на выходе из огневых отверстий 6 - 8 м/с, первичного коэффициента избытка окислителя ( а1) = 0,416, что соответствует требованиям по непроскоку пламени.

Полученный результат обеспечивает возможность проведения раздельных расчетов течения газа без горения в смесителе и горения в камере сгорания.

Моделирование горения в камере сгорания. Цель моделирования заключается в изучении процессов в камере сгорания для оптимизации конструкции, определения ее теплового режима и возможной унификации корпусных деталей, близких по мощности нагревателей.

Результаты расчетов поля температур в камере сгорания для нагревателя GH-15 с редуктором на 0,7 бар представлены на рис. 1, поле температур в выходном сечении -на рис. 2, а поле температуры стенок - на рис. 3. _

Т

299.5 1185.2

Рис. 1. Поле температур в камере сгорания

Т

300.0 400 543.3

Рис. 2. Поле температур в выходном сечении

Мгновенные значения температуры газа в выходном сечении нагревателя могут достигать 270 °С (рис. 2), при этом осредненное по сечению значение не превышает 100 °С.

Из рис. 3 видно, что температура наружного кожуха не превышает допустимых значений (не выше 50 °С).

На рис. 1 видна зона возвратного течения, где высокотемпературные продукты сгорания поджимаются к рассекателю воздуха, что нежелательно и, очевидно, вызвано отсутствием отверстий подвода воздуха через рассекатель. Было предложено добавить в

рассекатель 24 отверстия диаметром 6 мм для обеспечения поступления дополнительного воздуха в зону горения и отвода горячих продуктов сгорания от рассекателя. На рис. 4 представлены результаты расчетов для модифицированной конструкции рассекателя.

Рис. 3. Поле температур стенок

Т

299.9 1182.7

Рис. 4. Поле температур в КС GH-15 с модифицированным рассекателем

При этом, как видно из сравнения рис. 1 и 4, в камере сгорания существенно повышается качество смешения с воздухом, что приводит к локализации горения в более короткой области и дает более равномерное распределение температуры в выходном сечении.

Оценка содержание вредных веществ в продуктах сгорания. ГОСТ 32430-2013 [21] «Воздухонагреватели смесительные передвижные и переносные небытового назначения с принудительной конвекцией, работающие на сжиженных углеводородных газах» оговаривает максимально допустимый уровень содержания угарного газа CO в сухих неразбавленных (a = 1) продуктах сгорания не должно превышать 0,1 % по объему.

В соответствии с результатами проведенных расчетов, содержание СО в продуктах сгорания по объему у нагревателя GH-15 составляет не более 2-10-9. Экспериментальные исследования, проведенные на модернизированном нагревателе, на Ижевском заводе тепловой техники, показали результат 20 мг/м при a = 2, что в пересчете на неразбавленные продукты сгорания дает содержание СО не более 0,005 % по объему. Значительно более низкие значения, полученные в результате численных исследований, можно объяснить несовершенством математических моделей, описывающих горение, протекающее в турбулентном режиме течения газовой среды.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-08-00110 а). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Черенков А. С. Основы теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках: Учебное пособие для вузов. М.: Химия, 2000. 520 с.

2. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Крюков В. Г., Наумов В. И. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. М.: Наука, 1989. 256 с.

3. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and numerical combustion. Second Edition. Edwards, 2005. 540 p.

4. Spalding D.B. Combustion and mass transfer. Elsevier, 1979. 418 p.

5. Kenneth K Kuo, Ragini Acharya. Fundamentals of turbulent and multiphase combustion. Wiley, 2012. 897 p.

6. Echekki T., Mastorakos E. Turbulent combustion modeling. Springer, 2011. 513 p.

7. Белоцерковский О. М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984. 520 с.

8. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: Физматлит, 2008. 368 с.

9. Oran E. S., Boris J. P. Numerical simulation of reactive flows. Cambridge University Press, 2005. 552 p.

10. Patankar S. V. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere, 1980. 197 p.

11. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов Л. А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984. 288 с.

12. Bowman C. T. Kinetics of pollutant formation and destruction in combustion // Progress in Energy and Combustion Science, 1975, vol. 1, iss. 1, pp. 33-45.

13. Caretto L. S. Mathematical modeling of pollutant formation // Progress in Energy and Combustion Science, 1976, vol. 1, iss. 2-3, pp. 47-71

14. Кондратьев В. Н., Никитин Е. Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М.: Наука, 1974. 512 с.

15. Полак Л. С., Гольденберг М. Я., Левицкий А. А. Вычислительные методы в химической кинетике. М.: Наука, 1984. 280 с.

16. Корепанов М. А., Шаклеин А. А., Альес М. Ю. Численное моделирование термогазодинамических процессов в инфракрасных газовых нагревателях // Химическая физика и мезоскопия. 2018. Т. 20, № 2. C. 220-229.

17. Pitsch H., Chen M., Peters N. Unsteady flamelet modeling of turbulent hydrogen-air diffusion flames // 27th Symposium (International) on combustion, 1998, pp. 1057-1064.

18. Pitsch H., Peters N. A consistent flamelet formulation for non-premixed combustion considering differential diffusion effects // Combustion and flame, 1998, vol. 114, pp. 26-40.

19. Modest M. F. Radiative heat transfer. Academic Press, 2013. 904 p.

20. Основы горения углеводородных топлив. Пер. с англ. М.: Изд-во иностранной литературы, 1960.

664 с.

21. ГОСТ 32430-2013 «Воздухонагреватели смесительные передвижные и переносные небытового назначения с принудительной конвекцией, работающие на сжиженных углеводородных газах».

SIMULATION OF THERMAL AND GAS DYNAMICS PROCESSES IN LOW POWER GAS HEATERS

Alies M. Yu., Korepanov M. A., Shaklein A. A.

Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. We carried out numerical simulation of gas dynamics and heat transfer processes of low power (15 kW) gas heater. The research aimed on developing technical solutions for heater operating mode optimization by design modification. As the result of numerical simulation, we obtain velocity and temperature fields of the combustion chamber. Based on the computed data the design solution was introduced allowing to lower thermal load on the air flow cutter of the heater combustion chamber.

KEYWORDS: gas heater, gas dynamics, heat transfer, numerical simulation, combustion, turbulence. REFERENCES

1. Alemasov V. E., Dregalin A. F., Cherenkov A. S. Osnovi teorii phisiko-chimicheskih processov v teplovih dvigatelyah i energeticheskih ustanovkah [Theoretical fundamentals of physical and chemical processes in heat engines and power plants]. Uchebnoe posobie dlya vuzov. Moscow: Chimiya Publ., 2000. 520 p.

2. Alemasov V. E., Dregalin A. F., Krukov V. G., Naumov V. I. Matematicheskoe modelirovanie visokotemperaturnyh processov v energosilovyh ustanovkah [Mathematical modeling of high temperature processes of power plants]. Moscow: Nauka Publ., 1989. 256 p.

3. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and numerical combustion. Second Edition. Edwards, 2005. 540 p. ISBN 978-1930217102.

4. Spalding D.B. Combustion and mass transfer. Elsevier, 1979. 418 p. https://doi.org/10.1016/C2013-0-02947-7

5. Kenneth K Kuo, Ragini Acharya. Fundamentals of turbulent and multiphase combustion. Wiley, 2012. 897 p. ISBN 978-0-470-22622-3.

6. Echekki T., Mastorakos E. Turbulent combustion modeling. Springer, 2011. 513 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-0412-1

7. Belotserkovskiy O. M. Chislennoe modelirovanie v mehanike sploshnyh sred [Numerical simulation of continuum mechanics]. Moscow: Nauka Publ., 1984. 520 p.

8. Volkov K. N., Emelyanov V. N. Modelirovanie krupnyh vihrey v raschetah turbulentnyh techeniy [Large eddy simulation in turbulent flow calculations]. Moscow: Fizmatlib Publ., 2008. 368 p.

9. Oran E. S., Boris J. P. Numerical simulation of reactive flows. Cambridge University Press, 2005. 552 p. ISBN 978-0521022361.

10. Patankar S. V. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere, 1980. 197 p. ISBN 978-0891165224.

11. Paskonov V. M., Polezhaev V. I., Chudov L. A. Chislennoye modelirovanie processov teplo- i massoobmena [Numerical modeling of heat and mass transfer processes]. Moscow: Nauka Publ., 1984. 288 p.

12. Bowman C. T. Kinetics of pollutant formation and destruction in combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 1975, vol. 1, iss. 1, pp. 33-45. https://doi.org/10.1016/0360-1285(75)90005-2

13. Caretto L.S. Mathematical modeling of pollutant formation. Progress in Energy and Combustion Science, 1976, vol. 1, iss. 2-3, pp. 47-71. . https://doi.org/10.1016/0360-1285(76)90020-4

14. Kondratiev V. N., Nikitin E. E. Kinetika I mechanism gasofaznyh reakciy [Kinetics and mechanism of gasphase reactions]. Moscow: Nauka Publ., 1974. 512 p.

15. Polak L. S., Goldenberg M. Ya., Levitskiy A. A. Vichislitelnie metody v himicheskoy kinetike [Computational methods of chemical kinetics]. Moscow: Nauka Publ., 1984. 280 p.

16. Korepanov M. A., Shaklein A. A., Alies M. Yu. Chislennoe modelirovanie termogasodinamicheskih processov v infrakrasnyh gasovyh nagrevatelyah [Numerical simulation of thermal and gas dynamics processes in infrared gas heaters]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2018, vol. 20, no. 2, pp. 220-229.

17. Pitsch H., Chen M., Peters N. Unsteady flamelet modeling of turbulent hydrogen-air diffusion flames. 27th Symposium (International) on combustion, 1998, pp. 1057-1064. https://doi.org/10.1016/S0082-0784f98180506-7

18. Pitsch H., Peters N. A consistent flamelet formulation for non-premixed combustion considering differential diffusion effects. Combustion and flame, 1998, vol. 114, pp. 26-40. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(97)00278-2

19. Modest M. F. Radiative heat transfer. 3rd Edition. Academic Press, 2013. 904 p. https://doi.org/10.1016/C2010-0-65874-3

20. Osnovy goreniya uglevodorodnyh topliv [Fundamentals of hydrocarbon fuels combustion]. Moscow: Izdatelstvo inistrannoy literaturi Publ., 1960. 664 p.

21. GOST 32430-2013 «Vozduhonagrevateli smesitelnye peredvizhnye i perenosnye nebitovogo naznacheniya s prinuditelnoy konvektsiey, rabotaushie na szhizhennyh uglevodorodnyh gasah» [Air mixing movable and portable nondomestic heaters with forced convection operating on liquefied hydrocarbon fuels].

Альес Михаил Юрьевич, доктор физико-математических наук, профессор, директор УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: aliesmy@mail. ru

Корепанов Михаил Александрович, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: kma@,udman. ru

Шаклеин Артем Андреевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: shaklein@udman. ru