МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА В КОТЛОАГРЕГАТЕ

На производственных площадках до 80% протекающих технологических процессов так или иначе связаны с теплообменом. Водогрейные котлоагрегаты- ключевой источник тепла для промышленных теплообменных систем. В современных производственных циклах они играют центральную роль как генераторы нагретого теплоносителя. Теплопередача в водогрейных котлоагрегатах осуществляется за счет конвекции, проводимости и излучения.

Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты в теле (одном) посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым, находящимся в соприкосновении друг с другом.

Конвекцией называется перенос, теплоты за счет перемещения молярных объемов среды. Обычно конвективный способ переноса теплоты происходит совместно с теплопроводностью и осуществляется в результате свободного или вынужденного движения молярных объемов жидкости или газов (естественная или вынужденная конвекция).

Излучением (радиацией) называется передача теплоты от одного тела к другому путем электромагнитных волн через прозрачную для теплового излучения среду. Этот процесс передачи теплоты сопровождается превращением энергии тепловой в лучистую и, наоборот, лучистой в тепловую. Радиацией передается теплота от факела горящего топлива к поверхности чугунных секций или стальных труб котла. Радиация — это наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если излучающее тело имеет высокую температуру, а лучи от него направлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.

Рисунок 1. Передача теплоты через разделительную стенку (котловую трубу) 

Компьютерное моделирование, в частности использование программного обеспечения Ansys, открывает новые возможности для оценки эффективности работы котлоагрегатов. Ansys позволяет проводить детальный анализ тепловых процессов, моделировать потоки и теплопередачу, а также учитывать сложные физические явления, такие как турбулентность и фазовые переходы. Это делает возможным более точное прогнозирование поведения системы при различных условиях эксплуатации. Применение компьютерного моделирования также позволяет учитывать динамические изменения в работе котлоагрегатов, что невозможно при использовании традиционных методов.

В Ansys Workbench настройка расчетной сетки будет проводиться в модуле Mash.Граничные условия задаются в модуле Setup.

Перед тем, как преступить к заданию граничных условий, необходимо портировать в рабочую среду 3D модель исследуемого оборудования. В данном случае, геометрия была построена на базе КОМПАС 3-D V21 (учебная версия), однако, можно вести построение непосредственно в Ansys, воспользовавшись встроенным Deign Modeler. Стоит обратить внимание на то, что при моделировании были использованы исключительно лицензионные версии программного обеспечения.

Для упрощения расчетов, процесс горения в данной работе не моделировался. Проводился анализ теплообмена между уже образовавшимися продуктами сгорания (дымовыми газами) и теплообменными поверхностями котла. Поэтому интегрируемая сборка состоит из трех тел: трубного пространства (экраны котла); сплошного тела, выполненного одной деталью – теплоноситель (вода); пространства с вырезами, играющего роль дымовых газов. Так же в модели отсутствует экономайзер (змеевики в задней части котла)- фазовый переход отсутствует, поэтому целесообразно задать на входе воды температуру, соответствующую температуре на выходе со змеевиков.

В модуле Mash (для удобства настройки интерфейсов в дальнейшем) были удалены автоматически построенные контакты и выбраны Named selections.

Для обмуровки: inletgas - вход газа, outletgas - выход газа, wallgas - наружные поверхности обмуровки, coil1 - поверхность вырезов внутри обмуровки (под трубное пространство).

Для труб: coil2 - наружная поверхность труб, coil3 - внутренняя поверхность труб, rebroekran - рёбра труб на входе и на выходе теплоносителя.

Для трубного пространства: inletwater - вход теплоносителя, outletwater - выход теплоносителя, coil4 - наружная поверхность тела.

Рисунок 2. Объемная модель котла из трех тел

Рисунок 3. Входные и выходные поверхности для газов (вид снизу, вид сверху)

Рисунок 4. Входные и выходные поверхности для воды (вид сзади, вид сверху)

Настройки сетки требуют особой осторожности, так как при изменении минимального размера ячейки хотя бы на 1мм - общее число элементов может кратно увеличиться. В общем случае, настройки подбираются индивидуально исходя из производительности системы (объема оперативной памяти, объем видеопамяти играет не такую существенную роль).

В стандартном интерфейсе Ansys предусмотрена возможность задания лишь одного вещества (материала) для всех расчетных доменов. Это ограничение связано с архитектурой классического решателя, ориентированного в большей степени на моделирование однородных сред. Однако, в нашей задаче в качестве продуктов горения представлена смесь дымовых газов, а в качестве теплоносителя в трубном пространстве - вода. Для реализации подобного сценария в модуле Setup необходимо включить Beta-функции: Options→General→Beta Options→Physics Beta Features, поставить маркер напротив Enable Beta Features.

Продукты горения и их массовые доли были взяты с режимной карты котлоагрегата- C02~15.4%, H2O~12.39%, N2~72.47%.

Смесь газов задается в блоке Material List→Gas Phase Combustion.Thermodynamic state→Gas; Mixture Properties→Ideal Mixture; Equation Of State→Ideal Mixture; Specific Heat Capacity→Ideal Mixture.

                                                                                                      Таблица 1.

Граничные условия

Температура уходящих дымовых газов взята по показаниям термопар.

Так же была принята упрощенная модель излучения P1 со всеми сопутствующими настройками для воды и продуктов горения, для трубного пространства применены настройки инициализации (прогрев до 60^оС), степень черноты металла на границе со средами~0.8, модель излучения трубного пространства - Monte Carlo.

Добавлены два интерфейса: взаимодействие между продуктами горения и наружной поверхностью труб (coil1→coil2); взаимодействие между внутренней поверхностью труб и водой (coil3→coil4) - см. рис. 1.

Для начала расчета было изменено значение показателя topology estimate factor со значения 1 до 1.2 в настройках программного комплекса. Требуемая сходимость установлена до 1.E-4.

По результатам расчета температура воды на выходе составила~90^оС, давление воды на входе~1.6МПа. Параметры по газовой фазе так же практически схожи с данными, взятыми с режимной карты котла.

Модель можно считать адекватной (расчетные значения сопоставимы с показателями реального оборудования).

                                                                                                           Таблица 2.

Сопоставление результатов расчета

Рисунок 5. Градиент температур для трубного пространства котла

Следует отметить, что без использования моделей излучения, температура воды на выходе составляет порядка 75^оС.

                                                                                                              Таблица 3.

Процентное расхождение результатов расчетов с показателями реального оборудования

Вывод: на базе программного комплекса Ansys Workbech разработана модель водогрейного котлоагрегата, учитывающая радиационный теплообмен и конвективную теплопередачу. Было проведено упрощение - процесс горения не рассматривался, осуществлялся анализ теплообмена между уже сформировавшимися продуктами горения и теплообменной поверхностью котла. Однако, адекватность модели была подтверждена путем сопоставления с эксплуатационными параметрами реального котлоагрегата. Полученная цифровая модель представляет собой эффективный инструмент для проведения параметрического анализа увеличения температуры теплоносителя на выходе путем модификации конструкции теплообменных поверхностей.