Численное моделирование рабочих процессов в камере испарения водородного парогенератора

УДК 532.685

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ ИСПАРЕНИЯ

ВОДОРОДНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА

А.А. Пригожин, И.Н. Лазаренко, Д.П. Шматов, С.А. Лебединский

Статья посвящена проблеме моделирования процессов тепломассообмена и гидрогазодинамики в камере испарения водородно-кислородного парогенератора. Проведен расчет процессов дробления и испарения водяных капель в потоке высокотемпературного парогаза с привлечением двух различных моделей турбулентности

Ключевые слова: водородная энергоустановка, каналы охлаждения, моделирование, гидродинамика

Мировые тенденции развития энергетических систем при одновременном сокращении потребления углеводородного топлива и охраны окружающей среды обязывают специалистов нашей страны искать адекватные пути развития. Разработка эффективных технологий производства энергии с использованием водорода является одной из актуальных задач. Решение использовать водород в качестве экологически чистого компонента топлива для парогенератора энергоустановки в России при полноте сгорания до 99,8% является новаторским. Отечественными и зарубежными

экспериментальными и расчетно-теоретическими исследованиями установлено, что в перспективе наиболее эффективными могут стать водородные энергоустановки паротурбинного и парогазового циклов.

Энергоустановки с паротурбинным приводом разрабатываются во многих промышленно развитых странах мира для нужд стационарной и автономной энергетики. Резервы совершенствования этих систем заключаются в интенсификации процессов тепломассообмена и разработки новых схемных решений.

В настоящее время существует два основных подхода к получению пара с критическими и сверхкритическими параметрами. Эти подходы подразумевают наличие мощных энергетических котлов на органическом топливе и различных систем перегрева пара, в том числе водородных пароперегревателей. Основными недостатками данных систем являются:

- наличие протяженных паровых трубопроводов из дорогостоящих спецматериалов;

- невозможность работы водородных пароперегревателей в автономном режиме от ТЭС.

Проведенный анализ современных

энергоустановок различного типа (турбоустановки на органическом и водородном топливе, поршневые энергоустановки, когенерационные энергоустановки,

Пригожин Антон Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd@vgtu.ru

Лазаренко Игорь Николаевич - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd@vgtu.ru

Шматов Дмитрий Павлович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd@vgtu.ru

Лебединский Сергей Александрович - ОАО КБХА, соискатель, тел. (473) 277-27-55, e-mail: rd@vgtu.ru

энергоустановки на возобновляемых источниках) отечественных и зарубежных производителей показал, что энергетическая эффективность лежит в пределах КПД от 0,3-0,6. Тенденция развития современных турбоустановок на органическом или водородном топливе направлена на увеличение начальных параметров рабочего тела (Т = 600 - 800К, Р = 5 - 13 МПа).

При создании водородных энергоустановок с вихревыми камерами сгорания можно получить КПД больший, чем у мировых аналогов.

Принцип работы водородного парогенератора состоит в следующем: в камеру сгорания при

стехиометрическом соотношении подаются водород и кислород; водород сгорает в среде кислорода с образованием парогаза с температурой порядка 3000 К; для предотвращения разрушения конструкции парогенератора и снижения температуры продуктов сгорания, в камеру сгорания подается балластировочная вода (рис. 1).

Рис. 1. Схема конструкции парогенератора с вихревой камерой сгорания: 1 - корпус камеры сгорания; 2

- смесительная головка; 3- камера сгорания с вихревым потоком завесного охлаждения; 4 - тангенциальные отверстия; 5 - сопло камеры сгорания; 6 - камера испарения; 7 - свеча поджига; 8 - запальное устройство; 9

- магистраль подачи окислителя; 10 - магистраль подачи горючего; 11 - магистраль подачи воды; 12 - датчик давления в камере испарения; 13 - датчик температуры в камере испарения; 14 - сопло камеры испарения

Принцип работы вихревой камеры сгорания (рис. 2) в составе парогенератора подобен работе центробежной форсунки. Рабочей жидкостью является вода. Она подается в камеру сгорания через втулку с тангенциальными каналами, где приходит в интенсивное вращательное движение, образуя завесное охлаждение. Далее в цилиндрическом сопле камеры сгорания завесная пленка, контактируя с продуктами сгорания водорода в кислороде, поступает в камеру испарения, где происходит ее мелкодисперсное дробление и испарение с образованием перегретого пара.

При разработке парогенераторов такой

конструкции необходимо решить задачи теоретического исследования гидродинамики и теплоотдачи в камере испарения, определить влияние режимных параметров на

гидросопротивление и теплоотдачу. Для этого в программном комплексе ANSYS Fluent [1] проведено численное моделирование рабочих

процессов камеры испарения водородно-

кислородного парогенератора. При расчете используются две модели турбулентности - RSM SSG и k-ю [2, 3], что позволяет определить наиболее подходящую модель при сравнении с экспериментальными данными.

Результаты моделирования представлены на рисунках 3-4.

Рис. 2. Эскиз вихревой камеры сгорания для парогенератора мощностью до 150 кВт(т): 1 - корпус камеры сгорания; 2 - втулка с тангенциальными каналами подачи воды; 3 - штуцер подвода воды; 4 - водяной коллектор камеры сгорания; 5 - вихревой поток воды; 6 -компоненты топлива; 7 - продукты реакции горения; 8 -тангенциальные каналы подачи воды.

Рис. 3. Распределение температуры второй фазы (воды) по всей расчетной области парогенератора для моделей турбулентности RSM SSG и ^ю.

Рис. 4. Распределение температуры первой фазы (водяной пар) по всей расчетной области парогенератора для моделей турбулентности 88в и к-ю.

Анализ результатов моделирования показал, что балластировочная вода испаряется на относительно небольшом начальном участке камеры испарения (рис. 3). Поле температуры рассчитанное по модели турбулентности RSM SSG более равномерное в объеме камеры испарения, чем по модели к-ю. На наш взгляд, это объясняется тем что, модель RSM SSG сочетает в себе 7 уравнений для описания турбулентных течений, в то время как к-ю является двухпараметрической моделью и не учитывает всех возможных факторов. Но безусловно, окончательный вывод об адекватности

той или иной модели можно сделать только при сравнении с экспериментом.

Литература

1. ANSYS FLUENT 12.0 Theory Guide.

2. Моделирование турбулентных течений. Изд. 2-е, исп. и доп. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010.-352 с.

3. Menter F.R., Esch T. Advanced Turbulence Modelling in CFX // CFX Update - Spring 2001. - No. 20. -P. 4-5.

Воронежский государственный технический университет ОАО Конструкторское бюро химавтоматики, г. Воронеж

NUMERICAL MODELLING OF WORKING PROCESSES IN THE CHAMBER OF EVAPORATION OF THE HYDROGEN STEAM GENERATOR

A.A. Prigozhin, I.N. Lazarenko, D.P. Shmatov, S.A. Lebedinskiy

Article is devoted to a problem of modeling of processes тепломассообмена and a hydraulic gas dynamics in the chamber of evaporation of the hydrogen-oxygen steam generator. Calculation of processes of crushing and evaporation of water drops in a stream high-temperature парогаза with attraction of two various models of turbulence is carried out

Key words: hydrogen power installation, cooling channels, modeling, hydrodynamics