МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститутімені Ігоря Сікорського”
кафедра атомних електричних станцій і інженерної теплофізики
CFD-МОДЕЛЮВАННЯ ЗГОРЯННЯ ГАЗОПОДІБНОГО ПАЛИВА В ТОПЦІ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТУ
Курсова робота з дисципліни
«Комп’ютерне моделювання процесів в енергетичному обладнанні»
Рекомендовано Методичною радою КПІ ім. Ігоря Сікорського як навчальний посібник для здобувачів ступеня магістра за освітньою
програмою «Моделювання і комп’ютерні технології в теплофізиці»
спеціальності 144 «Теплоенергетика» та освітньою програмою
«Інженерія і комп’ютерні технології теплоенергетичних систем»
спеціальності 142 «Енергетичне машинобудування»
Київ
КПІ ім. Ігоря Сікорського 2021
CFD-моделювання згоряння газоподібного палива в топці котельного агрегату. Курсова робота з дисципліни «Комп’ютерне моделювання процесів в енергетичному обладнанні»
[Текст] : навч. посіб. для студентів спеціальності 144 “Теплоенергетика” (освітня програма “Моделювання і комп’ютерні технології в теплофізиці”) та 142 “Енергетичне машинобудування” (освітня програма “Інженерія і комп’ютерні технології
теплоенергетичних систем”) / укладач О. В. Баранюк; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 52 с.
Гриф надано Методичною радою КПІ ім. Ігоря Сікорського (протокол № 6 від 25.02.2021 р.) за поданням Вченої ради ТЕФ (протокол № 9 від 24.02.2021 р.)
Електронне мережне навчальне видання
CFD-МОДЕЛЮВАННЯ ЗГОРЯННЯ ГАЗОПОДІБНОГО ПАЛИВА В ТОПЦІ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТУ
Курсова робота з дисципліни
«Комп’ютерне моделювання процесів в енергетичному обладнанні»
Укладач: Баранюк Олександр Володимирович, к.т.н., доц. каф. АЕС і Відповідальний
редактор Воробйов М.В., к.т.н., ст. викл каф. АЕС і ІТФ
Рецензент Воропаєв Геннадій Олександрович, член-кор НАН України, д-р ф- м. наук, проф., заст., директора ІГМ НАН України
Сірий Олександр Анатолійович, доц., к.т.н., доц. каф. ТЕУ Т АЕС В посібнику викладена послідовність використання програмного комплексу Ansys для моделювання спалювання і транспорту газів, які мають місце в топці котельного агрегату. Метою навчального посібника є формування у студентів знань і умінь розробляти математичні моделі процесів в енергетичному обладнанні з використанням сучасних CAD/CAM/CAE систем, виконувати аналіз результатів та розробляти нові методики розрахунків для проектування енергетичних об’єктів і систем.
Посібник може бути корисним для наукових та інженерно-технічних працівників, які займаються дослідженням та розробкою сучасних високоефективних теплообмінних пристроїв, де використовуються умови, характерні для вимушеної конвекції, процесів спалювання палива.
КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021
Вступ
Відомо, що застосування сучасних CFD-методів обчислювальної гідродинаміки (Computation Fluid Dynamics) потребує підготовки коректної CFD-моделі, яка повинна відображати сутність фізичного процесу, який досліджується. Таким чином, майбутні фахівці спеціальності „Теплоенергетика” повинні мати уміння побудови CFD- моделей, як того потребують сучасні тенденції.
Курсова робота з дисципліни „Комп’ютерне моделювання енергетичних процесів і систем” виконується після вивчення теоретичного курсу з метою виконання наступних основних задач:
надання студентам умінь моделювання геометрії елементів теплоенергетичного устаткування складної конфігурації і створення на її основі розрахункових сіток, які дозволяють представити фізико- математичний опис процесів, що в них протікають, за допомогою широко розповсюдженого та загально визнаного програмного комплексу ANSYS;
розширення кола знань студентів з математичного моделювання та числового рішення математичних моделей конвективного теплообміну, що застосовуються в інженерній енергетичній практиці, шляхом вивчення спеціальної літератури, довідників, науково-технічних статей та інш.;
розвиток творчої ініціативи студентів при самостійному вирішенні поставлених перед ними задач.
налаштовувати таблицю PDF (PDF table) для газоподібного палива використовуючи передпроцесор prePDF;
визначати вхідні параметри для моделі горіння без попереднього змішування.
Результати чисельного моделювання потрібно представити так, щоб була можливість пояснити з фізичної точки зору явища, які моделюються.
При оцінюванні виконаної студентом роботи бажано враховувати наступні вимоги:
фізичність результатів моделювання.
наявність графічного підтвердження співпадіння результатів моделювання і аналітичного розрахунку.
повних відповідей на контрольні запитання, що приводяться в посібнику до виконання лабораторних робіт.
В разі невідповідності будь-якому з пунктів перерахованих вимог, за кожен не виконаний пункт, від максимальної оцінки за захист роботи (наприклад, 5 балів) віднімається один бал.
1 МЕТА ТА ЗАВДАННЯ КУРСОВОЇ РОБОТИ
Метою курсової роботи є поглиблення знань студентів з теорії і практики моделювання процесів спалювання газоподібного палива.
В якості завдання на розрахунок виконати CFD-моделювання поширення продуктів згоряння в топці котельного агрегату ГМ-50-1 і визначити дійсну температуру димових газів на виході з топки.
Отримані розрахункові дані, потрібно порівняти з результатами аналітичного розрахунку теплообміну в топці, який виконати за допомогою відомої методики [1, 2]. Курсова робота повинна містити наступні розділи:
Огляд літератури. Повинен містити аналіз опублікованих робіт за тематикою курсової роботи виконані іншими авторами, що взяти з доступної літератури. Мета цього розділу – визначення найбільш перспективної методики моделювання реакції горіння та наповнення роботи.
Методика CDF-моделювання. Повинен містити опис послідовності створення скінчено-елементної моделі об’єкту дослідження, опис математичної моделі та аналітичний розрахунок топкової камери.
Обробка результатів досліджень. Повинен містити результат обробки скінчено-елементної моделі у вигляді векторних і контурних полів швидкостей та температур, а також масових часток компонентів реакції в характерних перерізах топкової камери, які необхідні для аналізу результатів роботи.
Висновки. В яких привести результат верифікації з аналітичним розрахунком і причини їх неспівпадіння (якщо вони є).
В якості прикладу, нижче приведений тепловий розрахунок котельного агрегату ГМ-50-1.
1.1 Завдання на курсову роботу
Завданням до курсової роботи є розробка CFD-моделі топкової камери котельного агрегату ГМ-50-1 за допомогою якої слід визначити температуру димових газів на виході із топки і верифікувати її з аналітичним розрахунком. Розміри топки розрахувати за допомогою приведеної нижче методики. Результат розрахунку використати для створення тривимірної моделі і кресленика загального виду котельного пучка труб.
Котлоагрегат ГМ-50 (рис. 1.1) призначений для роботи на природному газі та нафті. Котел двохбарабанний з природною циркуляцією, має П-подібну компоновку з винесеним водяним економайзером. Всі стіни камери згоряння закривають радіаційні поверхні нагрівання, які утворюючи фронтовий, задній і бічні екрани.
До конвективних поверхонь нагрівання відносяться: котельний пучок, труби, повітряпідігрівач і водяний економайзер. Труби заднього і фронтового екрану в нижній частині утворюють холодну воронку.
Труби заднього екрану у верхній частині розведені в чотирирядний фестони. У поворотній камері газоходу розташовані труби пароперегрівача і трубчастий підігрівач повітря вертикального типу.
Введення палива в топку здійснюється за допомогою вихрових пальників з тангенційним підведенням повітря, розташованих на бічних стінах топки. Подача в топку необхідного для горіння повітря здійснюється за допомогою дуттєвого вентилятора.
Рис. 1.1 – Поздовжній
Найменування
№1 №2 Dпк, т/год 70 84 Рпп, МПа 4,3 5,2 tпп, °С 435 522 tжв, °С 155 186 θвід, °С 120 144 tхл, °С 30 36 - вид палива СН4 C3H8
Qнр МДж/кг [3] 35,5 59,7
Початкові дані, необхідні для виконання роботи табл. 1.1 відповідно до виду палива:
паропродуктивність парового котла
Поздовжній і поперечний розріз котла ГМ-50
Таблиця 1.1. Вихідні дані Варіант
№3 №4 №5 №6 №7 №8
101 106 91 109 131 157 6,2 6,5 5,6 6,7 8 9,6 626 657 566 679 815 978 223 234 202 242 290 348 173 182 156 187 224 269 37 32 36 37 34 41
8 C7H16 СН4 C3H8 C7H16 СН4 C3H8
187,8 35,5 59,7 187,8 35,5 59,7
необхідні для виконання роботи, перераховані .1 відповідно до виду палива:
паропродуктивність парового котла Dпк, т/год;
50
№9 №10 165 86 10,1 5,3 1027 532
365 190 282 147 38 36 C7H16 C3H8
187,8 59,7
перераховані в
тиск пари перед головним паровим засувом Рпз, МПа;
температура перегрітої пари tпп, °С;
температура живильної води перед економайзером tжв, °С;
температура димових газів на виході з котельного агрегату θвід, °С;
температура повітря в оточуючому середовищі tхл, °С;
вид палива.
З метою своєчасного захисту курсової роботи при підготовці переліку необхідних глав, зміст яких приведений в розділі 1, слід притримуватися зараннє затвердженого календарного плану (табл.
1.2).
Таблиця 1.2. Графік виконання курсової роботи Тиждень
семестру
Назва етапу роботи Максимальна
кількість балів 2-3 Підбір та вивчення літератури за тематикою роботи 10 4-8 Методика CDF-моделювання. Створення скінчено-елементної
моделі об’єкту дослідження. 20
8-11 Проведення числових розрахунків з розробленою моделлю в рамках заданих діапазонів швидкостей і теплових
навантажень
20 11-13 Оформлення результатів досліджень. Написання глав курсової
роботи 10
14-16 Створення тривимірної моделі і креслеників. 10
17-18 Захист курсової роботи 40
Під час курсового проектування враховується своєчасність виконання графіку роботи, коректність застосування методів аналізу і розрахунку, якість оформлення, виконання вимог нормативних документів і якість графічного матеріалу і дотримання вимог ДСТУ.
2 ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ АНАЛІТИЧНИХ
РОЗРАХУНКІВ АНАЛІТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ТОПКОВОЇ КАМЕРИ
Перед проведенням числових розрахунків за допомогою пакету прикладних програм ANSYS-CFX необхідно визначити розрахункову область, що є топковою камерою парового котла. Топкова камера є об’ємним паралелепіпедом, обшитим по площині стін парогенеруючими трубами, і призначається для факельного спалювання палива. На фронтовій стіні топки розміщено вихрові пальники, через яких горюча суміш подається в топковий об’єм.
Приклад розрахунку топкової камери (розрахункової області для ANSYS-CFX) та витрат повітря та палива представлений в розміщених нижче розділах.
3.1 Розрахунок теоретичних об'ємів продуктів згоряння палива
Теоретично необхідна кількість повітря для спалювання 1 м3 газового палива:
𝑉 = 0,0467 ∑ 𝑚 + 𝐶 𝐻 , м3/м3
Теоретичний об`єм азоту в продуктах згорання при спалювання 1 м3 газового палива або 1 кг рідкого або твердого палива:
𝑉 = 0,79𝑉 + 0,008𝑁р, м3/м3 або м3/кг
Теоретичний об`єм трьохатомних газів у продуктах згорання при спалювання 1 м3 газового палива:
𝑉 = 0,01 ∑ 𝑚𝐶 𝐻 , м3/м3
Теоретичний об`єм водяних парів у продуктах згорання при спалювання 1 м3 газового палива:
𝑉 = 0,01 ∑ 𝐶 𝐻 + 0,124𝑑г.п.+ 1,61𝑉 , м3/м3
де dг.п. = 4,5 – вологовміст газового палива по відношенню до 1 м3 сухого газу, г/м3.
2.1.1 Розрахунок коефіцієнту надлишку повітря та його присосів в газовому тракті котла.
У реальних умовах організації процесу горіння неможливо досягнути повного згорання палива при подачі в топку теоретично необхідної кількості повітря Vo, тому кількість повітря, яка подається в топку, має бути більшої від теоретично необхідної. Відношення дійсної кількості повітря до теоретично необхідної називають коефіцієнтом надлишку повітря α.
Приклад розрахунку коефіцієнтів надлишку повітря в газовому тракті котла приведений в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1. Приклад розрахунку коефіцієнтів надлишку повітря в газовому тракті котла
Найменування газоходу Присмок повітря в газоході
Надлишок повітря за поверхнею нагріву Топка,
фестон
т=1,00
ф=0
т=г+т =0,05+1,01=1,05;
ф=т+ф=1,05+0=1,05;
Пароперегрівник (ПП I) пп=0,015 ппI=ф+пп=1,05+0,015=1,065;
Пароперегрівник (ПП II) пп=0,015 ппII=ппI+пп=1,065+0,015=1,08; Водяний економайзер
(ВЕ) ве=0,08 ве=ппII+ве=1,08+0,08=1,16;
Повітропідігрівник
(Пов. П) пов.п=0,06 пов.п=ве+пов.п=1,16+0,06=1,22
2.1.2 Розрахунок дійсних об’ємів продуктів згорання.
Для кожної ділянки газового тракту здійснюється розрахунок дійсних об’ємів продуктів згорання з врахуванням присосів по тракту.
Середній коефіцієнт надлишку повітря у поверхні нагріву:
𝛼 = (𝛼 + 𝛼 ) 2⁄ Дійсний об`єм водяних парів:
𝑉 = 𝑉 + 0,0161(𝛼 − 1)𝑉 , м3/м3 або м3/кг Дійсний об’єм димових газів:
𝑉г = 𝑉 + 𝑉 + (𝛼 − 1)𝑉 , м3/м3 або м3/кг Об’ємна доля трьохатомних газів:
𝑟 = 𝑉 ⁄𝑉г Об’ємна доля водяних парів:
𝑟 = 𝑉 ⁄𝑉г
Об’ємна доля трьохатомних газів та водяних парів:
𝑟п = 𝑟 + 𝑟
2.1.3 Розрахунок ентальпії продуктів згорання.
Для кожної ділянки газового тракту здійснюється розрахунок ентальпій продуктів згорання з врахуванням присосів по тракту.
Ентальпія газів, що утворилися при спалюванні 1 м3 газового палива або 1 кг рідкого або твердого палива, при коефіцієнті надлишку повітря α=1 та температурі ϑ, ºС:
ℎг = 𝑉 (𝑐𝜗) + 𝑉 (𝑐𝜗) + 𝑉 (𝑐𝜗) , кДж/м3 або кДж/кг Ентальпія повітря, необхідного при спалюванні 1 м3 палива при коефіцієнті надлишку повітря α=1 та температурі ϑ, ºС:
ℎпов = 𝑉 (𝑐𝜗)пов, кДж/м3 або кДж/кг
Ентальпії 1 м3 повітря (𝑐𝜗)пов, вуглекислого газу (𝑐𝜗) , азоту (𝑐𝜗) та водяної пари (𝑐𝜗) є табличними величинами.
Ентальпія продуктів згорання на 1 м3 газового палива або 1 кг рідкого або твердого палива:
ℎ = ℎг + (𝛼 − 1)ℎпов
За результатами розрахунку ентальпій будується графік залежності ентальпій від температури продуктів згорання [2].
Результат розрахунку ентальпії продуктів згоряння потрібно порівняти з розрахунковими даними (рис. 2.1).
Рис. 2.1. – Результат CFD-моделювання ентальпії димових газів
2.2 Тепловий баланс котла
Складення теплового балансу котла полягає у встановленні рівності між кількістю теплоти, що поступила в котел, що називається
наявною теплотою Qрр та сумою корисно використаної теплоти Q1 і теплових втрат Q2, Q3, Q4, Q5 і Q6. На основі теплового балансу розраховують ККД котла і необхідну витрату палива.
Тепловий баланс розраховується відносно сталого теплового стану котла на 1 м3 газового палива або 1 кг твердого або рідкого палива при 0 ºС і 101,3 кПа.
Загальне рівняння теплового балансу має вигляд:
𝑄рр = 𝑄 + 𝑄 + 𝑄 + 𝑄 + 𝑄 , кДж/м3 або кДж/кг
В даній роботі значення наявної теплоти 𝑄рр на 1 м3 газового палива відповідає значенню нижчій теплоті згоряння палива:
Втрата теплоти з відхідними газами визначається як різниця ентальпій продуктів згорання на виході з котла й холодного повітря:
𝑞 =
р
р∙ 100% = відх відх хп ( )
р
р , %
де ℎвідх – ентальпія відхідних газів при відповідному надлишку повітря 𝛼відх і температурі 𝜗відх, кДж/м3 або кДж/кг.
Втрата теплоти з хімічним недопалом 𝑞 = 𝑄 ∙ 100 𝑄⁄ рр, % обумовлена сумарною теплотою згорання продуктів неповного горіння, що залишаються у відхідних газах.
Втрата теплоти з механічним недопалом 𝑞 = 𝑄 ∙ 100 𝑄⁄ рр, % обумовлена недопалом палива в шлаках, провалі та виносі (при частковому поверненні останнього в топку враховується тільки виніс, який не був уловлений пристроями для повернення).
Значення q3 та q4 визначаються за таблицями (табл. XХ, стр.175 [1];) залежно від робочого палива, способу спалювання, типу топки та продуктивності котла D.
Втрати теплоти від зовнішнього охолодження q5 Q5100 /Qpp, % для стаціонарних котлів приймаються за даними рис. 2.2 [2].
Рис. 2.2. – Втрати теплоти від зовнішнього охолодження [2]
1 – котельний агрегат (із хвостовими поверхнями); 2 – власне котел (без хвостових поверхонь)
При паропродуктивності котла більше 250 кг/с q5 приймається рівними 0,2%.
Розбиття втрат теплоти від зовнішнього охолодження по окремим газоходам практично не впливає на результати розрахунку. Долі цих втрат, що припадають на окремі газоходи, для спрощення приймають пропорційними кількості теплоти, що віддається газами в окремих газоходах. Тому втрати від зовнішнього охолодження враховуються введенням у формулу для розрахунку кількості теплоти, відданої газами, коефіцієнта збереження теплоти:
𝜑 = 1 −
к , %
Коефіцієнт корисної дії котла (брутто):
𝜂к = 100 − 𝑞 − 𝑞 − 𝑞 − 𝑞 , % Корисно використана теплота в топці:
𝑄кор = 𝐷(ℎпп − ℎжв), кДж/м3 або кДж/кг
ℎпп – ентальпія перегрітої пари, кДж/кг; визначається за тиском перегрітої пари Рпп і температурою перегрітої пари tпп (табл. XXV стр.
184 [1]);
ℎжв – ентальпія живильної води, кДж/кг; визначається за тиском живильної води на вході в котел, який умовно приймається як Pжв = 1,2Рпп, та температури живильної води tжв (табл. XXIV стр.181 [1]).
Витрата палива на котел 𝐵 = кор
р
р∙ к, м3/с або кг/с
Для підрахунку сумарних об’ємів продуктів згорання та повітря, а також теплоти, що віддається газами поверхням нагріву, вводиться розрахункова витрата палива, яка враховує механічну неповноту згорання:
𝐵р = 𝐵 1 − , м3/с або кг/с 2.3 Розрахунок топкової камери
2.3.1 Розрахунок основних розмірів топкової камери.
Площа поперечного перерізу амбразури пальника для рідкого та газового палива:
𝑓а = 1,1 ( т ∆ т)
з з ∙ г.пов , м2
де т – надлишок повітря в топці, – присмок повітря в топці;
W3– швидкість суміші палива й повітря, м/с; приймається в межах 20÷50 м/с. Повинназбігатися з розрахованою засобами CFX (рис. 2.3);
Zп – кількість пальників, обирається за прототипом;
. г пов
t – температура гарячого повітря, ºС.
а) б)
Рис. 2.3 – Розподіл швидкостей суміші в поздовжньому (а) і поперечному (б) перерізах топки через пальники:
Діаметр амбразури пальника:
𝐷а = 1,13 𝑓а, м
Розмір 𝐷а округлюється до найближчого значення, представленого в табличному вигляді [2].
Ширина топки при фронтальному або зустрічно-фронтальному розташуванні пальників:
𝑏 = 2𝑏 + (𝑍 − 1)𝑏 , м
де Z1 – максимальна кількість пальників в одному ярусі;
b1 – відстань від осі пальника до суміжної бічної поверхні, м;
залежить від діаметру амбразури та характеристик топкової камери й визначається, допомогою залежності b1 = 3Da. (у випадку спалювання газоподібного палива).
b2 – відстань між осями пальників по горизонталі, м; залежить від діаметру амбразури та характеристик топкової камери й визначається
як b2 = k2·Da, де k2 для газового або рідкого палива вибирається в діапазоні від 2,5 до 4,0.
Мінімально допустимий переріз топки:
𝑓т = р н
р
, м2
де qf – максимально допустиме теплове напруження топкового перерізу, кВт/м2; обирається в діапазоні 4000-2000.
Мінімально допустима глибина топки при фронтовому або зустрічно-фронтовому розташуванні пальників:
𝑎 = т , м
Глибина топки обирається конструктивно із умови a ≥ amin.
Глибина топки при продуктивності більше 120 т/год та при спалюванні газу й мазуту може прийматися рівною a = (5…7)Da.
Глибина топки при зустрічно-боковому розташуванні пальників:
𝑎 = 2𝑎 + (𝑍 − 1)𝑎 , м де a1, a2 – величини, аналогічні b1, b2, м.
Мінімально допустима ширина топки при зустрічно-боковому розташуванні пальників:
𝑏 = т , м
Ширина топки обирається конструктивно із умови b ≥ bmin. При цьому значення b не повинно бути меншим: (5…7)Da – для рідкого або газового палива.
Об’єм топкової камери приймається рівним мінімально допустимому:
𝑉т = р н
р
, м3
де 𝑞 – максимально допустиме теплове напруження топкового об’єму, кВт/м3; визначається залежно від типу палива та характеристик топки (табл. ХХ с. 175 [1]).
Мінімальна висота топки:
ℎт = т
∙ , м Висота вікна фестону:
𝑐 = р г т
г ( Б )∙ , м
де 𝜗т – температура продуктів згорання на виході з топки, для газового й рідкого палива стосовно котлів типу ГМ-50-1 вибирається в діапазоні від 1050 до 1100 ºС;
Б – коефіцієнт, що враховує наявність у вихідному вікні топки фестону; для котла ГМ-50-1 Б=4,44;
d – діаметр екранних труб, м; для всіх енергетичних парових котлів d =0,06 м.
2.3.2 Розрахунок конструктивних розмірів топкової камери.
Лінійні розміри верхньої частини бокової стінки для парового котла типу ГМ-50-1 (рис. 1.1).
𝑙 = 𝑐 cos 𝛾, м 𝑙 = 𝑎 − 𝑙 , м 𝑙 = 𝑙 ⁄cos 𝜑, м
ℎ = sin 𝛾, м ℎ = 𝑐 sin 𝛾 − 𝑙 sin 𝜑, м Лінійні розміри воронки бокової стінки:
– половина висоти воронки:
ℎ = tg 𝛼, м – половина довжини скату воронки:
𝑙 = ℎ sin 𝛼⁄ , м
Воронка утворюється шляхом нахилу фронтової та задньої поверхонь топки всередину під кутом = 30…35º до вертикалі. Отвір
у нижній частині воронки має розмір к= 0,8…1,2 м і довжину, що дорівнює ширині топки.
Лінійні розміри центральної частини бокової стінки:
ℎ = ℎт − ℎ − ℎ , м 𝑙 = ℎ + ℎ , м
Рис. 2.4 – Конфігурація стін топки типового парового котла типу ГМ-50-1
Площі елементарних фігур бокової стінки для парових ГМ-50-1 (рис. 2.5):
𝐹 = (𝑎 + к) · ℎ , м2 F2 = a·h2, м2
𝐹 = (ℎ + 𝑐 sin 𝛾)𝑙 + 𝑙 , м2 Значення кутів α, γ, φ відповідно 30, 60, 40°.
Площа бокової стіни топки:
𝐹б = ∑ 𝐹, м2 Площа фронтальної стіни топки:
𝐹фр = 𝑙 + 𝑙 + 𝑙 + ∙ 𝑏, м2 Площа задньої стіни топки:
𝐹з = + 𝑙 + ℎ ∙ 𝑏, м2 Площа вікна фестона:
𝐹вф = 𝑐 ∙ 𝑏, м2 Загальна площа стін топки:
𝐹ст = 𝐹фр+ 2𝐹б+ 𝐹з + 𝐹вф, м2
Рис. 2.5 – Перелік площ елементарних фігур бічної стінки топки
Об’єм топкової камери:
Vт =Fб·b, м3 Висота розташування пальників:
1) для одноярусного розташування пальників за наявності холодної воронки (рис. 5, а,б):
ℎп = ℎ + ℎп, м
де ℎп – відстань від осі пальника до початку скату холодної воронки, м; таблична величина, що визначається за типом пальників.
2) для двоярусного розташування пальників при однаковій витраті палива кожним:
ℎп = ℎп 𝑍 + ℎп 𝑍 𝑍 + 𝑍
де ℎп , ℎп – відповідно висота розташування пальників першого й другого ярусів, м;
Z1, Z2 – відповідно кількість пальників першого й другого ярусів.
Для парових котлів ГМ-50-1 та ГМ-50-14 ℎп = 3𝐷а, м; ℎп =
= ℎп + (2,5 … 3)𝐷а, м.
Екранована площа фронтової стіни:
𝐹фрекр = 𝐹фр − 2𝑚(𝑙 + 𝑙 + 𝑙 + 𝑙 ) − 𝑍п𝑓а, м2 Екранована площа задньої стіни:
𝐹зекр = 𝐹з − 2𝑚(ℎ + 𝑙 + 𝑙 ), м2 Екранована площа бічної стіни:
𝐹бекр = 𝐹б− 2𝑚(ℎ + 𝑙 ) − ∆𝐹, м2
де Fi, м2 – площа неекранованих ділянок і-тої стіни під пальники, амбразури, лази, лючки тощо. В даній роботі, становить 0,2 м2.
Екранована площа вікна фестона приймається такою ж як площа вікна фестону.
Крок труб фронтового екрану Sфр вибрати в діапазоні (1,3…1,4)d (d – зовнішній діаметр труб, якими екранована топка котла). Крок труб бічного Sб і Sз заднього екранів вибрати в діапазоні (1,2…1,4)d.
До числа неекранованих ділянок кожної із стін топкової камери відносяться місця розташування пальників, амбразур, технічних лазів, зони шириною m поблизу кутів топки [2], де через взаємне затінення труб має місце понижене тепло сприйняття труб і, як наслідок, порушення циркуляції в них. Тому рекомендується параметр m вибирати в діапазоні від 0,15 до 0,25 м.
Кутовий коефіцієнт екрану χ представляє собою відношення теплового потоку, що падає безпосередньо на труби екрану, до всього теплового потоку, направленого із ядра факела на стіну. Кутовий коефіцієнт визначається для кожного екрану за номограмою на рис.
2.4 [2]. Для вікна фестону χвф = 1.
Рис. 2.6 – Кутовий коефіцієнт екрану [2, 4]:
1 – з урахуванням випромінювання обмуровки при е≥1,4d;
2 – те ж при е=0,8d; 3 – те ж при е=0,5d;
4 – те ж при е=0; 5 – без урахування випромінювання обмурівки
e – відстань від вісі труб екранів до стінки приймається в діапазоні від 0,05 до 0,1 м.
Коефіцієнт теплової ефективності екранів:
Ψ = 𝐹фрек ∙ 𝜒фр + 2𝐹бек ∙ 𝜒б+ 𝐹зек ∙ 𝜒з 𝜉ек + 𝐹вфек ∙ 𝜒вф (𝜉ек + 𝛽) 𝐹ст
де β – коефіцієнт, що враховує взаємний теплообмін між топкою та поверхнею нагріву, що розташована за топкою. При розташуванні за вікном топки ширм коефіцієнт β приймається рівним 0,6 при спалюванні твердого палива і 0,8 при спалюванні газу або мазуту; при розташуванні за вікном фестона – β = 0,9, котельного пучка – β = 1,0.
Ефективна товщина випромінюючого шару:
𝑆 = 3,6 т
ст , м 2.3.3 Розрахунок теплообміну в топці.
Для здійснення розрахунку потрібно задатися температурою продуктів згорання на виході з топки 𝜗т , ºС.
Теплота що вноситься в топку з повітрям:
𝑄пов = (𝛼т − ∆𝛼т − ∆𝛼пс)ℎгп + (∆𝛼т + ∆𝛼пс)ℎхп, кДж/м3 або кДж/кг де ℎгп – ентальпія гарячого повітря, кДж/м3 (кДж/кг).
ℎхп – ентальпія холодного повітря, кДж/м3 (кДж/кг).
∆𝛼пс – присмок повітря (в топці котла відсутній).
Корисне тепловиділення в топці:
𝑄т = р
р( )
+ 𝑄пов, кДж/м3 або кДж/кг
Адіабатична температура горіння палива 𝜗а – це умовна температура, до якої нагріваються продукти згорання за умов, що все тепло в топці йде на нагрівання продуктів згорання й відсутня дисоціація. 𝜗а визначається за h-T таблицею для топки при h = Qт
I Qт. Адіабатична температура в Кельвінах 𝑇а = 𝜗а + 273, К.
Середня сумарна теплоємність продуктів згорання:
(𝜗𝑐) = т ( т)
а т , кДж/(м3·ºС) або кДж/(кг·ºС)
де (ℎт) – ентальпія продуктів згорання на виході з топки, кДж/м3 (кДж/кг); визначається за h-T таблицею для топки при 𝜗т .
Коефіцієнт поглинання променів газовою фазою продуктів згорання:
𝑘 = 7,8 + 16𝑟
10𝑃 ∙ 𝑟п ∙ 𝑆 − 1 1 −0,37𝑇т
1000 ∙ 𝑟п, 1 м ∙ МПа
де Р – тиск у топковій камері, МПа; для розрахунку приймається Р=0,1013 МПа.
Коефіцієнт поглинання променів часточками сажі:
𝑘с = 1,2
1 + 𝛼т 0,12 𝑚 𝑛 𝐶 𝐻
,
(1,6 ∙ 10 𝑇т − 0,5), 1 м ∙ МПа Сумарний коефіцієнт послаблення променів для газу та мазуту:
𝑘 = 𝑘 + 𝑚𝑘 , 1 м ∙ МПа
де т – коефіцієнт, що характеризує заповнення топкової камери полум’ям, що світиться (часточками сажі). При спалюванні мазуту в газощільних котлах m=0,3; для не газощільних котлів – т=0,6. При спалюванні природного газу т=0,1. До уточнення, це ж саме значення приймається і для інших газів, окрім доменного, для якого т=0.
Основною радіаційною характеристикою продуктів згорання слугує критерій поглинальної здатності (критерій Бугера), який характеризує послаблення теплового випромінювання в топковому об’ємі за рахунок його поглинання або розсіювання трьохатомними газами, часточками сажі, летючої золи, коксу:
𝐵𝑢 = 𝑘 ∙ 𝑆 ∙ 𝑃 Ефективне значення критерію Бугера:
𝐵𝑢 = 1,6𝑙𝑛 1,4𝐵𝑢 + 𝐵𝑢 + 2 1,4𝐵𝑢 − 𝐵𝑢 + 2
Критерій радіаційного теплообміну (критерій Больцмана), який представляє собою відношення між тепловмістом продуктів згорання і тепловим потоком на екрани топки:
𝐵𝑜 = 𝜑 ∙ 𝐵р∙ (𝜗𝑐) 5,67 ∙ 10 Ψ ∙ 𝐹ст𝑇а
Параметр, що враховує вплив на інтенсивність теплообміну відносного рівня розташування пальників, ступеня забаластування топкових газів та інших факторів:
𝑀 = 0,4 1 − 0,4ℎп ℎт 𝑟
де hп – висота розташування пальників, м; hт – висота топки, м; rv – параметр забаластування топкових газів:
𝑟 = п , м3/м3 Дійсна температура на виході з топки:
𝜗т = а
∙ , ,
− 273, ºС
Розрахована температура на виході з топки 𝜗т знаходиться в проміжку ±30 ºС від попередньо прийнятої 𝜗т . Якщо розрахована температура не вписується в заданий проміжок, необхідно задатися новою температурою 𝜗т і повторити розрахунок.
Рис. 2.7. – Результат CFD-моделюваннятемператури на виході з топки
3 ВКАЗІВКИ ДО РОЗРОБКИ ТРИВИМІРНОЇ МОДЕЛІ ТОПКОВОЇ КАМЕРИ
Досить деталізовану геометрію топки котельного агрегату типу ГМ-50 екрановану трубами досить складно виконати засобами стандартного Design Modeler, засобами якого моделюють геометрію розрахункових об’єктів в комплексі програм ANSYS-CFX. Тому автор даного посібника рекомендує розробити тривимірну модель екранованої трубами топки котла в геометричному редакторі SolidWorks, а потім, через формат конвертувати модель в ANSYS.
3.4.1 Особливості комп'ютерного моделювання топкових екранів в програмі SolidWorks
Для створення моделі екрану, необхідно сформувати ряд тривимірних ескізів труб, колекторів, барабана, елементи труб, що потім повторюються, розмножити за допомогою функції (масив).
Перед початком моделювання слід виконати розрахунки конструктивних розмірів топкової камери (п. 3.2.3). Накреслити ескіз згідно розрахованих довжин (рис. 3.1) і витіснити симетрично в обидва боки відносно центральної площини. Зберегти модель топки слід так, щоб в назві файлу не було символів кирилицею.
Згідно схеми екранування камери згоряння (рис. 3.2) створення моделей труб рекомендується виконувати за допомогою команд
«бобышка по траектории», «ескіз» (мається на увазідвомірний ескіз) і
«тривимірний ескіз». Використання двох перших команд продиктоване тим, що в даній тривимірній моделі топкового екрану частину підйомних труб мають порівняно просту конструкцію і при їх побудові можна використовувати функцію двомірного ескізу, а
частина труб, які огинають місця установки пальників необхідно будувати із застосуванням функції складного тривимірного ескізу.
Рис. 3.1 –Тривимірна модель топки
Рис. 3.2 – Екранування топки [2]
Спочатку слід побудувати масив труб довжиною від роздаючого колектора до переріз розміщення пальників.
Порядок побудови підйомної труби з двовимірним ескізом траєкторії можна представити в наступному вигляді:
o покажчиком миші (біля курсору з’являється відповідний знак паралелепіпеда), вказати на поперечну площину, що перетинає підйомну трубу (див. рис. 3.3), і накреслити ескіз траєкторії труби;
Відповідне розташування отворів під підйомні і опускні труби обумовлене в першу чергу питаннями забезпечення міцності колектора. Отвори під підйомні труби розташовані під деяким кутом до горизонту і розташовані в три ряди так, щоб крок між трубами був рівний;
Рис. 3.3. Модель роздаючого колектора (а) і ескіз «зігнутої» труби (б)
o за допомогою команди «бобышка по траектории» шляхом об’єднання двох ескізів – ескізу траєкторії труби і ескізу її поперечного перерізу створити тривимірну модель труби екрану.
Ескіз перерізу обов’язково повинен будуватися на площині
перпендикулярної ескізу траєкторії. Тому, використовується команда
«Вставка» «Справочная геометрия» «Плоскость» «Угол», за допомогою якої можна створити площину, розгорнену на деякий кут щодо горизонту.
o трубу, що розташована поряд з гином, моделювати за допомогою витіснення перерізу по нормалі – «бобышка выдавить».
o наступну трубу, побудувати за представленою вище методикою, тільки ескіз траєкторії відобразити дзеркально до ескізу першої труби;
o Розмножити отримані три труби (рис. 3.4) за допомогою команди «линейный массив». Для цього в збірці необхідно викликати команду «Вставка» «Массив компонента» «линейный массив» і в полях «интервал» і «количество экземпляров» вказати крок і кількість труб.
Рис. 3.4. Модель роздаючого колектора (а) і ескіз «зігнутої» труби (б)
o Зробити циліндричний виріз в масиві з труб під встановлення колектора (рис. 3.5). З цією метою, в ескізі однієї гнутої труби накреслити циліндричне коло діаметром 210 мм – зовнішній діаметр роздаючого колектора з відміткою «вспомогательная геометрия».
Відобразити накреслений ескіз і на його основі створити новий – коло із взаємозв’язком «коррадиальность». З нього створити виріз
«наскрізь» в обидва боки.
Рис. 3.5. – Модель масиву труб для з’єднання з циліндричним роздаючим колектором
Приступити до моделювання геометрично складних моделей підйомних труб за допомогою команди «трехмерный эскиз». Це труби розташовані поблизу місця розташування пальників (рис. 3.6).
Методика побудови труби на основі тривимірних ескізів містить з наступні етапи:
створити переріз труби діаметром d (п. 3.3.2);
вибрати поперечну площину, на якій повинна знаходиться траєкторія труби. Це поперечна площина, яка проходить крізь центральну вісь однієї з труб, що знаходиться поблизу амбразури пальника (рис. 3.6);
необхідно використати команду «трехмерный эскиз». Для цього необхідно завершити режим редагування двовимірного ескізу командою «перестроить» і, не відключаючи режиму «редактирования
детали», вибрати площину побудови траєкторії труби і запустити команду «трехмерный эскиз»;
Рис. 3.6. – Ескіз першої труби, що огинає амбразуру пальника
«грубо», з прямих ліній (за допомогою команди «лінія» меню
«трехмерный эскиз»), без плавних вигинів і скруглень накреслити траєкторію труби в трьох декартових площинах. У тривимірному ескізі перемикання між двовимірними площинами здійснюється за допомогою клавіші на клавіатурі «ТАБ», при цьому біля курсору миші виникає позначення координатних осей декартової системи координат;
командою «бобышка по траектории» створити тривимірну трубу (рис. 3.7);
Рис. 3.7. – Ескіз першої труби, що огинає амбразуру пальника
при моделюванні наступних труб врахувати, що їх ескізи розташовані через крок між трубами екрану s (п. 3.3.2);
дзеркально відобразити накреслені труби (рис. 3.8), щоб створити модель труб, які огинають амбразуру пальника.
Рис. 3.8. – Труби, що огинають амбразуру пальника
В верхній частині топки, згідно описаної вище методики, накреслити з’єднання труб з верхнім роздаючим колектором (рис.
3.9).
Рис. 3.9. – З’єднання труб з верхнім роздаючим колектором межа топкової камери
С
l1
