CC BY
52
И. Н. Будилов, Ю. В. Лукащук • Исследование теплового состояния подогревателя. УДК 665.775:66.041.65
И. Н. БУДИЛОВ, Ю. В. ЛУКАЩУК
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ МЕТОДАМИ ПРЯМОГО ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Приводятся результаты исследования теплового состояния топки-подогревателя, работающего на сероводородном газе, с целью определения причины его прогара. Исследование выполнено методом компьютерного моделирования тепловых и газодинамических процессов, а также процессов горения, протекающих в подогревателе, с использованием пакета STAR-CD. Компьютерное моделирование; горение; теплоперенос; газовая динамика
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при создании новых и модификации существующих изделий и конструкций все чаще применяется компьютерное моделирование с использованием различных CAD-пакетов [1]. Такой подход позволяет оптимизировать конструкцию без существенных затрат за счет возможности расчета большого количества различных вариантов и выбора из них лучшего. Современные пакеты численного моделирования, такие как ANSYS, LS-DYNA, STAR-CD и др., позволяют адекватно решать различные задачи механики деформируемого твердого тела, теплопереноса, гидрогазодинамики в областях со сложной геометрией. Однако эти пакеты могут эффективно применяться не только на этапе конструирования, но и на остальных стадиях жизненного цикла изделия, например, для оценки его текущего состояния в соответствии с реальными условиями эксплуатации или для определения причин выхода изделия из строя.
В настоящей статье приводятся результаты исследования теплового состояния топки-
подогревателя, использующей в качестве рабочего агента сероводородный газ. В ходе эксплуатации подогревателя произошел перегрев и прогар его стенки. Определение причины прогара и явилось основной целью исследования.
Для идентификации теплового состояния корпуса топки-подогревателя требуется адекватное моделирование условий его нагрева за счет протекающих внутри аппарата реакций горения. Поэтому в качестве инструмента был выбран «тяжелый» гидродинамический пакет STAR-CD, который позволяет моделировать как сложные термогидродинамические процессы в движущихся реагирующих средах, так и процессы теплопереноса в твердых телах, граничащих с этими средами. Для создания геометрической модели подогревателя был использован геометрический препроцессор пакета ANSYS.
ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Наиболее теплонапряженным элементом топки-подогревателя является его топочная камера, в боковой поверхности которой вблизи днища и произошел прогар. По этой причине именно топочная камера и стала объектом моделирования.
Топочная камера располагается горизонтально, является цилиндрической с эллиптическим днищем и имеет две горелки, расположенные кососимметрич-
но. Ее принципиальная схема приведена на рис. 1 (показана верхняя половина).
В соответствии со схемой рис. 1 в пакете ANSYS была создана трехмерная геометрическая модель, размеры которой задавались на основе детальных чертежей топки-подогревателя. Поскольку топочная камера является кососимметричной, модель воспроизводит лишь ее верхнюю половину. На основе геометрической модели средствами ANSYS была создана конечно-элементная модель, которая была экспортирована в пакет STAR-CD и превращена в конечно-объемную модель (рис. 2). Модель содержит 50746 ячеек и включает как область движения газов, так и твердотельные элементы конструкции топки.
Моделировались следующие процессы, одновременно протекающие в топочной камере:
1) горение сероводородного газа в условиях недостатка окислителя (воздуха);
2) движение газа, воздуха и продуктов сгорания в горелках и топочной камере;
3) перенос тепла от газа к стенке топки по смешанному механизму конвективного и радиационного теплообмена;
4) теплопередача в многослойной стенке корпуса и днище топки.
Моделирование процессов горения было выполнено путем явного задания в STAR-CD основных реакций полного и неполного окисления. Горючими элементами сероводородного газа являются сероводород и этан. Г орение происходит в условиях недостатка кислорода (в качестве окислителя используется воздух). Полная схема химических превращений при таком горении весьма сложна и включает несколько десятков реакций. Однако для целей исследования теплового состояния объекта достаточно рассмотреть лишь наиболее существенные из них с точки зрения тепловыделения. В результате для моделирования процесса горения были оставлены следующие реакции:
2H2S + O2 —— S2 + 2H2O;
S2 + 2O2 —— 2SO2;
4H2S + 2SO2 — 3S2 + 4H2O;
+ O2 — 2ТО + 3^;
2Ш + O2 — 2га2;
2^ + O2 — H2O.
Сероводородный газ и воздух подаются в горелке по разным каналам (см. рис. 1), т. е. не перемеша-
ны. Поэтому для описания процесса горения в пакете была выбрана модель диффузионного горения в смешивающихся турбулентных потоках [2].
Движение газа в топочной камере предполагалось турбулентным, при этом была использована модель турбулентности к — е для больших чисел Рейнольдса.
Б - наружный диаметр топочной камеры,
ТК - температура стенки топки,
Ту - температура атмосферного воздуха,
g - ускорение свободного падения,
в = —— термический коэффициент объемного
Т
у
Рис. 1. Схема топочной камеры: а - продольное сечение б - поперечное сечение в зоне горелок: 1 - температурный шов (каолиновая вата); 5 - корпус топки (сталь); 2 - теплоизолятор
1 (муллитокорунд); 6 - топочное пространство; 3 - теплоизолятор 2 (шамотный легковес);
7 - горелка; 4 - теплоизолятор 3 (муллитокремнезистый картон)
При горении большая часть тепла передается стенке топки излучением. Поэтому моделировался радиационный теплообмен между пламенем и стенкой топки, а также взаимный теплообмен между различными внутренними твердыми поверхностями топки, нагретыми до разных температур.
Расчет температуры в многослойной стенке топки производился путем решения классического трехмерного уравнения теплопроводности. При этом на наружной поверхности топки задавались граничные условия третьего рода, коэффициент теплоотдачи а в которых рассчитывался по критериальной зависимости для свободной конвекции вокруг горизонтального цилиндра [3]:
Ми = 0.135Ка‘
аБ
где Ми = —------число Нуссельта,
А
Яа =
PgБ3(Tw - Тг )Рг
- число Рэлея,
Рг =----число Прандтля,
а
А,V, а - соответственно коэффициенты теплопроводности, кинематической вязкости и температуропроводности воздуха вблизи наружной поверхности топки,
расширения.
Поскольку температура наружной поверхности стенки топки заранее была неизвестна и подлежала определению в ходе расчета, коэффициент теплоотдачи а подбирался итерационно.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Для исследования был выбран самый теплонапряженный режим работы подогревателя, соответствующий максимальному расходу сероводородного газа и воздуха (100 % нагрузки) согласно проекту.
Параметры максимального режима:
- расход сероводородного газа
- расход воздуха
- коэффициент избытка воздуха
- объемная доля компонентов в сероводородном газе:
H2S
С2Н6
Н2О
в воздухе:
О2
N2
Н20
- температура на входе в горелку сероводородного газа
воздуха
175 м /ч 463 м3/ч 0,894
94 %
4 %
2 %
20,6 % 77,8 % 1,6 %
120 °С 120 °С
а
2
3
4
5
6
б
2
V
И . Н . Будилов, Ю . В . Лукащук • Исследование теплового состояния подогревателя.
5
Т абпица 1
т,к Ч* О і—і о ах а2-103 я41010
H2S 273-1000 7.Ж569 1.364049 -2.521018 29.391290 -11.831240
1000-4000 7.050142 0.936018 -0.348063 0.610834 -0.040599
С2нб 273-1000 4.053183 4.294090 1.601971 -34.858720 12.710070
1000-4000 13.374280 3.835644 -1.262968 1.863713 -0.099717
н2о 273-1000 15.643450 1.605056 -2.935163 32.187100 -1 1.577650
1000^000 12.342350 1.411668 -0.403241 0.554727 -0.029522
02 273-1000 8.347609 0.292935 -0.149552 3.413617 -2.278180
1000-4000 9.606770 0.159400 -0.032706 0.046124 -0.002953
n2 273-1000 9.794714 0.418147 -1.176794 16.751270 -7.259473
1000-4000 8.690030 0.441823 -0.168797 0.299810 -0.020053
зо2 273-1000 4.300086 1.874821 -1.966849 12.974920 -4.000697
1000^000 8.415323 0.593349 -0.241562 0.452357 -0.031537
СО: 273-1000 3.782141 1.052633 -0.897225 4.324600 -1.140203
1000-4000 6.825921 0.257025 -0.106578 0.204782 -0.014555
почной камеры Рис. 3. Векторное поле скорости газов в топке
В результате скорость сероводородного газа на входе в горелку составила 25,3 м/с, а воздуха -7,6 м/с.
Теплофизические свойства (плотность р, коэффициент теплопроводности X и теплоемкость с) теплоизоляционных материалов стенок корпуса задавались в соответствии с ГОСТ:
- муллитокорунд (ГОСТ 24704-81)
p = 2540
кг
м
X(t) = 2.54 • 10-/12 - 7.08 • 10-41 + 2.79 с(Г) = ^ + 7 • 10-’ Г +1.1 Дж-
Вт
мК
кг К
- шамотный легковес (ГОСТ 390-83)
кг
p = 1850 —
м
X(t) = 5.8 • 10- 41 + 0.84
Вт
мК
.(Г) = + 8.7 • 10-5Г +1.03-Дж
Г 2 кг К
- муллитокремнезистый картон (ГОСТ 24704-81)
p = 2230
кг
X(t) = 2.56 • 10-41 +1.78
Вт
мК
.(Г) = ^9°0° + 8.7 • 10-5 Г +1.04 Дж
Г
кг К
Для возможности расчета тепловыделения в топке задавалась теплоемкость продуктов сгорания, которая аппроксимировалась полиномом четвертой степени
cp (T) = a0 + a1T + a2T2 + a3T3 + a4T4.
Коэффициенты полинома представлены в табл.1.
На плоскости симметрии модели задавались периодические граничные условия, на выходе из топки по газу задавались специальные условия STAR-CD типа outlet, на торцевых поверхностях теплоизоляционных слоев задавалось нулевое значение теплового потока.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
На рис. 3 представлено векторное поле скорости газа в топочной камере. Из рисунка видно, что внутри топки течение газа носит спирально-вихревой (циклонный) характер с преобладанием тангенциальной составляющей скорости, что объясняется соответствующим расположением горелок.
м
Рис. 4. Температурное поле топки, центральное продольное сечение, °С
Абсолютные значения скорости лежат в диапазоне 10...30 м/с.
После выхода из горелок и воспламенения происходит расширение газовой струи, причем в зоне стенки топки, расположенной напротив горелки, струя достигает температурного шва.
На рис. 4 показано температурное поле в центральном сечении топки. Из рисунка видно, что зона максимальных температур газа располагается между поперечным сечением аппарата в зоне горелки и днищем, вблизи боковой стенки и температурного шва. При этом температура в этой зоне достигает 1600°С. На рис. 5 показано температурное поле наружной поверхности топки. Видно, что зона максимальных температур находится в центральной части топки.
Рис. 5. Температурное поле наружной поверхности топки
На рис. 6 приведено распределение температуры в зоне внутреннего температурного шва.
Рис. б. Температурное поле во внутреннем температурном шве, °С
Зона максимальных температур располагается напротив горелки, при этом максимальные значения температуры достигают 1320°С.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенного моделирования теплового состояния топки-подогревателя можно заключить, что внутренний температурный шов находится в зоне максимальных значений температуры газа в топке, которая на максимальном режиме достигает значений порядка 1600 °С. Струи воспламенившегося газа, расширившиеся после выхода из горелок, задевают внутреннюю поверхность температурного шва. Максимальная температура поверхности внутреннего температурного шва достигала в проведенных расчетах значений 1320..1355°С, что превышает рабочую температуру материала шва (1100°С). В случае негерметичности температурного шва в его окрестности велика вероятность возникновения прогара.
Таким образом, результаты выполненных численных расчетов свидетельствуют о конструктивной недоработке топки-подогревателя, заключающейся в неправильном взаимном расположении горелок и температурного шва, вследствие чего последний находится в повышенном теплонапряженном состоянии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. FEM GmbH. Сборник трудов Пятой конференции пользователей программного обеспечения CAD - FEM GmbH. М. і Полигон, 2005.
2. Михеев, В. П. Газовое топливо и его сжигание /
В. П. Михеев. Л. : Недра, 1966. 328 с.
3. Леонтьев, А. И. Теория тепломассообмена / под ред. А. И. Леонтьева. М. : Высшая школа, 1979. 495 с.
