Рис. 9. Поле скоростей на входе в трубный пакет, м/с. Подводящий газоход без перегородок.
Рис. 10. Концентрация золы на входе в трубный пакет, г/м3. Подводящий газоход без перегородок
Установка в несимметричном диффузоре трех сплошных продольных перегородок рис. 11, заметно улучшает ситуацию. Образуется несколько вихрей, заметно меньших размеров (рис. 12), что приводит более равномерному распределению концентрации золы (рис. 13) на входе в трубный пакет эмульгатора.
А.И. Сергеева, В.Ф. Коняшкин ЗАО "СибКОТЭС"
Трехмерное моделирование физических, топочных процессов и котельного оборудования с помощью программы FLUENT
FLUENT является универсальной программой, предназначенной для комплексного расчета аэрогидродинамических течений при наличии тепломассообмена, излучения, химических реакций в многофазных системах самой сложной геометрии. Возможности FLUENT практически полностью покрывают требования прикладных задач; программа отлично документирована; есть много обучающих примеров.
В качестве конкретного примера применения программы приведены результаты расчета кольцевой топочной камеры котла Е-820.
Сначала выполняется трехмерное построение расчетной области (рис.1) и сетки в программе GAMBIT,там же задаются типы граничных условий. На рис. 1 видны характерные для кольцевой топочной камеры восьмиугольность, наличие внутренней вставки, "Т"-образный выход.
Рис. 12. Поле скоростей на входе в трубный пакет после установки перегородок, м/с.
Рис. 13. Концентрация золы на входе в трубный пакет после установки перегородок, г/м3
Вывод: таким образом, с помощью программы Fluent могут быть решены различные задачи теплоэнергетики, включая простые аэродинамические задачи и сложные задачи, включающие горение и другие химические реакции.
Литература:
1. Ф.А.Серант, "Разработка и исследование кольцевой топки, ее промышленное внедрение и испытания на котле паропроизводительностью 820 т/ч", диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Новосибирск, 1999.
2. "Наладка и испытание батарейного эмульгатора котла ТП-81 ст. № 9 Новосибирской ТЭЦ-4", КАЗТЕХЭНЕРГО, Алматы, 1993 г.
3. Идельчик И.Е., "Аэрогидродинамика технологических аппаратов", Москва, "Машиностроение", 1983.
Для дискретизации задачи используется метод
конечных элементов. Для каждого элемента ставится задача выполнения всех
законов сохранения (массы, импульса, энергии, …). На рис. 2 приведен
фрагмент расчетной сетки вблизи сопел. Элементарные ячейки могут быть
тетраэдрами, пирамидами, клиньями и скошенными параллелепипедами. Сетку можно сгущать или разрежать в нужных
областях с плавными переходами размера как во время генерации сетки,
так и в процессе решения задачи. Например, можно сгустить сетку в области
резких изменений температуры, положение которой получено в процессе решения.
Геометрия задачи передается в программу FLUENT,
где определяются все физические модели и параметры и в идеальном
случае
факел должен располагаться посредине между наружными экранами и внутренней вставкой. На рис. 3 показан результат расчета для одного из вариантов. Хорошо видна азимутальная равномерность поля температур. Факел одной горелки поджигает факел следующей горелки, что обеспечивает надежное воспламенение и устойчивую работу топки в целом, даже при отключении одной из горелок.
Рис. 3. Поле температур [град] и поле скоростей в горизонтальной плоскости на уровне первого яруса горелок
Рис. 5. Массовая доля летучих на начальном участке факела
FLUENT позволяет изображать графически очень многие величины, например, радиационный или конвективный тепловой поток. На рис. 6 изображен суммарный тепловой поток на экраны топки. По сравнению с призматическими топками в кольцевой топке "нет углов", поэтому тепловой поток очень равномерен по периметру топки, что является еще одним из многочисленных достоинств кольцевых топок.
Рис. 1. Общий вид кольцевой топочной камеры Рис. 2. Расчетная модель горелки
Рис. 4. Траектории частиц из одной конкретной горелки
На рис. 4. отражена асимметричность влияния горелки на выход из топки. Работают все горелки, но траектории частиц изображены только для одной из них.
На рис. 5 хорошо видно запаздывание начала выхода летучих, фронт воспламенения и окончание их выгорания на горизонтальном участке горелочной струи.
Рис. 6. Плотность теплового потока на тепловоспринимающие поверхности, Вт/м2
Реузльтаты расчета хорошо совпадают и с проектными параметрами, и с результатами опытной эксплуатации. После моделирования появилась возможность глубоко исследовать те процессы, которые трудно или вообще невозможно предусмотреть при проектировании или наблюдать во время натурных испытаний.Еще один пример применения программы FLUENT для решения задач в теплоэнергетике. На Новосибирской ТЭЦ-4 на котле ТП-81 в качестве золоуловителя используется батарейный эмульгатор. Эмульгатор разработан и установлен в 1993 году. Во время его эксплуатации постоянно возникали проблемы, требующие для своего устранения останова котла. В частности, во время работы котла постепенно забивались золой трубы эмульгатора, росло сопротивление тракта дымовых газов и начинались ограничения по нагрузке котла. На рис. 7 представлена типичная картина заноса золой труб эмульгатора (вид на выход из трубного пучка.) Основной причиной этого являлась высокая степень неравномерности скоростного поля на входе в трубный пучок. Эта неравномерность обуславливалась конструкцией газохода, соединяющего котел с эмульгатором. На рис. 8 представлено схематическое изображение эмульгатора и подводящих газоходов (левая половина). Газоход состоит из двух симметричных половин, представляющих собой конструкцию сложной конфигурации, включающую в себя резкие повороты и несимметричный диффузор перед поворотом на входе в эмульгатор.
Рис. 7. Трубы эмульгатора (вид сверху со стороны наружной стенки газохода)
Рис.11. Схематическое изображение эмульгатора и подводящих газоходов с тремя перегородками
Рис.8. Схематическое изображение эмульгатора и подводящих газоходов
Цель работы состояла в том, чтобы выяснить насколько неоднороден газовый поток на входе в эмульгатор, и как можно улучшить однородность потока путем малозатратной реконструкции.
Была рассчитана существующая конструкция. Результаты расчета представлены в виде полей скоростей и концентрации золы в сечении на входе в трубный пакет в горизонтальном сечении. Из рис. 9 видно, что поток газов прижимается к правой (по ходу газов) стенке газохода и на входе в эмульгатор возникает горизонтальный вихрь, в результате чего повышается концентрация золы у противоположной стенки газохода (рис. 10). Таким образом, повышенная концентрация золы образуется в зоне с низкими расходными скоростями, что и приводит в конечном итоге к забиванию труб эмульгатора в этой зоне. При этом процесс идет по нарастающей: забилось несколько труб с наиболее малыми расходными скоростями, это вызвало увеличение сопротивления в этой зоне, что в свою очередь уменьшило расходную скорость в этой зоне и т.д
