CC BY
23
Методом чисельного моделювання в FlowSimulation дослиджено процес конвек-тивно-радiацiйного теплообмту в умовах змшаног (втьног i вимушеног) конвекци в тупикових елементах систем згоряння палива, побудованих на принцит вЫьного руху газiв. Визначено ттенсивтсть тепло-вiддачi в залежностi вид температури робо-чого тша i перепаду тиску в елементi
Ключовi слова: системи згоряння палива, вшьний рух газiв, FlowSimulation
Методом численного моделирования в FlowSimulation исследован процесс конвективно-радиационного теплообмена в условиях смешанной (свободной и вынужденной) конвекции в тупиковых элементах систем сжигания топлива, построенных на принципе свободного движения газов. Определена интенсивность теплоотдачи в зависимости от температуры рабочего тела и перепада давления в элементе
Ключевые слова: системы сжигания топлива, свободное движение газов, FlowSimulation
By the numerical modelling method in FlowSimulation there has been researched the process of convective-radiation heat transfer in the conditions of mixed (free and forced) convection in deadlock units of the fuel combustion systems, built on the principle of free motion of gases. Intensity of a heat transfer depending on working medium temperature and pressure overfall in a unit is determined
Keywords: fuel combustion systems, free motion of gases, FlowSimulation
■a □-
УДК 536.423.1
КОНВЕКТИВНО-РАД1АЦ1ЙНИЙ ТЕПЛООБМ1Н В УМОВАХ ЗМ1ШАНОТ КОНВЕКЦИВ ЕЛЕМЕНТАХ СИСТЕМ, ПОБУДОВАНИХ НА ПРИНЦИП В1ЛЬНОГО
РУХУ ГАЗ1В
О. I. Медведчук
1нженер
ТОВ НВП «Будтехносервю» вул. Набережна, 7, м. Вишгород, УкраТна, 07300 Контактний тел.: 8 (096) 942-17-99 E-mail: tumbleweed@ukr.net
В. I. Мариненко
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра атомних електричних станцт i шженерноТ
теплофiзики
Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни "КиТвський
пол^ехычний шститут" пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056 Контактний тел.: 8 (044) 241-75-87, 8 (044) 430-55-70
E-mail: office@lab-hp.kiev.ua
1. Вступ
Опалювальш печi класифжують по ряду ознак, з яких головними е: схема руху газiв, форма печi в плаш, споаб вщведення диму, товщина зовшшшх стшок та основний матерiал, з якого споруджена тч. За схемою руху газiв опалювальш печi дшять на печi з димооборо-тами i безканальш, яю активно дослщжуються в [1].
У печах системи примусового руху газiв (ПРГ) гарячi димовi гази тд дiею тяги рухаються по каналах вщдаючи теплову енерпю стшкам. Пiч прогрiваеться нерiвномiрно, у зв'язку з чим тдвищуеться небезпека трiщиноутворення.
У печах системи вшьного руху газiв (ВРГ) конвективна система складаеться з послщовно сполучених тупикових каналiв (ковпакiв). При руа через ковпак гарячi гази, як бшьш легкi, пiднiмаються вгору i зби-раються в ковпаку, де рiвномiрно вiддають теплоту
стшкам або теплообмшнику, що знаходиться в ньому. Дещо охолодившись, вони опускаються вниз, де на 1х шляху зустрiчаеться прохiд в iншу камеру або димар. Холоднiшi гази проходять низом ковпака, в наступний ковпак або трубу.
Система ВРГ, що запропонована Кузнецовим 1.В., дае можлившть створення велико! юлькосп теплоге-нераторiв (енергоустановок) рiзного функщонального призначення i потужностi. Це, зокрема, стосуеться створення газогенераторних теплогенераторiв, що пра-цюють на рiзних видах палива, установок вуглевипа-лювання. При цьому забезпечуеться повна керовашсть процесом спалювання без зниження ККД при робот установки iз зниженою потужшстю.
З точки зору теплообмiну характерною особливктю представлено! системи е послвдовно включенi верти-кальнi та горизонтальш з'еднувальнi газоходи та ту-пиковi канали великого об'ему (полостi). В газоходах
ввдбуваеться складний конвективно-радiацiйний тепло-обмiн. В з'еднувальних газоходах тепловiддача конвек-щею вiдбуваeться за рахунок вимушено! конвекцп, а в тупикових полостях, через великий об'ем i особливостi подачi димових газiв, може мати мкце змiшана (вимуше-на i вшьна) конвекцiя. Складний профiль газоходiв та 1х взаемний вплив ускладнюють комплексний розрахунок вае1 системи. Тому з метою визначення основних характеристик теплообмшу в таких системах дощльно роз-глядати окремi елементи з параметрами, як характернi для стащонарного режиму роботи, а отриманi усереднеш данi використати в подальших розрахунках. Крiм того, складнiсть полiв швидкостей i взаемний вплив потокiв ввд протилежних стiнок полостi унеможливлюють ана-лiтичний розрахунок теплообмiну в елемент! Тому в роботi використано чисельне моделювання.
2. Математична постановка задачi
Моделюються стацiонарнi процеси змiшаного конвективного теплообмшу вщ димових ra3iB до стiнок полостi i теплопровщносп стiнок в двомiрнiй поста-новщ. Потiк вважаеться турбулентним.
Чисельне моделювання було виконано в програм-ному комплекс FlowSimulation. В математичнiй моделi FlowSimulation [2] середовище вважаеться прозорим для випромшювання i не враховуеться при моделю-ваннi, що не вщповщае процесам в газоходi. Радiацiй-на складова розраховувалася окремо, згвдно методики рекомендовано! в [3].
У FlowSimulation рух i теплообмiн середовища мо-делюеться за допомогою рiвнянь Нав'е-Стокса:
¿Р+А^ ) = о,
at 9xk k;
э(ри,) Э ( ч ЭР _
Э(рЕ) д
dt дх
+^(Pe+P) uk+qk- T,ku,=vk+qh ,
9u du 2 9u -
-1 +-----L Sjj
Эх. dx, 3 Эх, -
-—рк8й, 3 -
Эрк д , , ч d
-J— +-(рикк) =-
dt dxkVK k ' дхк
Эре д , ч Э
+-(puk е) =-
dt Эх,Т k '
ц, +
к
дк
dx.
дх
ое
де
дх
+S,,
+ Se
де
Эи
Эх
,- R Эи- „ ^ ^^T tCBPB
Эх
- C f
Ce2I2 k ,
9ui + 9uj 2 9ul dXj dxi 3 9xl
-—рк8Й, 3 ij
Ob p dxi
(6)
(7)
(8) (9)
(10) (11)
де e - дисипащя кшетично'1 енергii турбулентности gj - гравiтацiйна складова в координатному на-прямi Xj, oB = 0,9 , CB = 1 при PB >0 i CB = 0 при PB < 0 , f2 = 1 -exp(-RT), Ce1 = 1,44 , Ce2 = 1,92 , oe = 1,3 , ok = 1.
Згщно з k-£ моделлю турбулентностi, |it визнача-еться через величини k та £ :
Сцрк2
l^t = ^
де Cu = 0,09.
(12)
Дифузшний тепловий потiк моделюеться за допомогою рiвняння:
(1)
(2)
(3)
qk = -
Pr о
Cp lr'k=1'2'3,
(13)
де t - час, u - швидкiсть середовища, p - густина середовища Р - тиск середовища, Si - зовшшш ма-совi сили, що д^ть на одиничну масу середовища: Si porous - дiя опору пористого ила, Si gravity - дiя гра-вiтацii, Si rotation - дiя обертання системи координат, тобто
Si _ Siporous + Sigravity + Sirotation , (4)
Е - повна енергiя одинично! маси середовища, QH - тепло, вид^ене тепловим джерелом в одинич-ному об'емi середовища, т^ - тензор в'язкоси зсув-них напружень, qi - дифузiйний тепловий поик, нижнi iндекси означають пiдсумовування по трьох координатних напрямках,
де oc = 0,9, Pr - число Прандтля, cp - питома теплоемтсть при сталому тиску, T - температура середовища.
Для моделювання турбулентного примежового шару бшя твердих поверхонь використовуються моди-фжоваш пристiннi функцii.
Теплопередача в твердих плах моделюеться за допомогою диференщального рiвняння теплопровщност!
Для дискретизацп диференцiальних рiвнянь в Flow-Simulation використовуеться метод скшченних об'емiв.
Для моделювання було обрано двi характернi для таких систем конструкцп газоходiв (рис. 1): тупико-вий канал з пiдводом i вiдводом гарячих газiв знизу та наскрiзний канал з пiдводом гарячих газiв зверху i вiдводом знизу. Обидвi конструкцii створено з трьома варiантами спiввiдношення горизонтальних i верти-кальних стiнок 1:2, 1:1, 2:1.
(5)
де Ц = Ц + Ц, Ц| - коефiцiент динамiчноi в'язкостi, |it - коефiцiент турбулентноi в'язкостi, - дельта-функцiя Кронекера, k - кiнетична енергiя турбулентность
Для замикання системи вихiдних рiвнянь - використовуеться k -£ модель турбулентностi, що опису-еться системою:
(а) (б)
Рис. 1. Конструкци моделей тупикового (а) та нас^зного (б) каналiв iз спiввiдношенням стiнок 1:1
£
k
Робочим тшом в моделi е газ з фiзичними власти-востями характерними для димових газiв середнього складу. Стшки полостi товщиною 130 мм виконаш з червоно! цегли машинно! формовки з фiзичними вла-стивостями, вказаними у табл. 1.
Таблиця 1
Ф1зичш властивост червоноТ цегли машинноТ формовки
1 -
Назва величины Розм1ршсть Значення
Густина кг/м3 1800
1зобарна теплоемшсть Дж/(кг-К) 879
Тип теплопровщносл - 1зотропна
Коеф1ц1ент теплопроводности Вт/(м-К) 0,768
Температура плавления К 4000
Фiзичнi властивостi димових газiв в залежноот вiд температури приведенi в табл. 2 (розраховуються згiдно даних табл. IV ст. 170 [4]).
Таблиця 2
Ф1зичш властивост димових газ1в в залежност1 в1д температури
Назва вели-чини Роз-м1р-шсть Температура димових газ1в Тп К
273 373 473 573 673 773
Вщно-шення тепло-емностей ср / СУ - 1,253 1,253 1,253 1,253 1,253 1,253
Молеку- лярна маса кг/ моль 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035
Дина-м1чна в'язкють (X 10"5) Па-с 1,490 2,606 3,959 5,501 7,242 9,147
Iзобариа теплоемшсть Дж/ (кг-К) 1126,57 837,99 676,86 569,57 510,94 443,30
Тепло-пров1д-шсть - 0,0227 0,0312 0,0400 0,0441 0,0568 0,0654
Граничш умови на зовнiшнiх стiнках приймаються як умови 1 роду (температура зовшшньо! стiнки 50оС).
Граничнi умови для середовища варш-ються. Температура на входi в елемент вщ 373 до 773 К, тиск на входi - атмосферний, перепад тисов мiж входом i виходом 0,0..2,0 Па.
Отриманi в результат моделювання конвективного теплообмшу значення середнiх температур теплоносiя i внутрiшньоi по-верхнi стiнок, дозволяють розрахувати ш-тенсивнiсть тепловiддачi випромшюванням з об'ему газiв.
Коефiцiент тепловiддачi випромшюван-ням розраховуеться згiдно методики рекомендовано! [3]:
ап = 5,67-10"
азИ - а - Т3 2 г
Т
Тг
V г у
Т
1
(14)
Т
де аз = 0,8 - стешнь чорноти забруднень, 0 = 1 -е-^ - степiнь чорноти продуктiв згоряння, 7,8 +16 ■ гНа0 ^
послаблення промiння газовою фазою, р = 0,101 - роз-
к =
х(1 -0,37-10-3 ■ Тг)■ гп - коефiцiент
рiдження в паливнику, гп = гКо + Гн2о
- сумарна об'емна доля RO2 та Н2О, S = 3,6■ У/¥ - ефективна товщина випромiнюючого шару (визначена за геометричними характеристиками модел^, Тг - середня температура продукга згоряння (визначена за результатами моделювання), Тст - середня температура внутр^ньо! стiнки (визначена за результатами моделювання).
При подальшому аналiзi вважатимемо розрахова-ний коефщент тепловiддачi випромiнюванням ста-лим для в^е! поверхнi газоходу при заданих умовах.
Сумарний коефщент складного теплообмшу от-римуемо просумувавши конвективний i радiацiйний коефiцiенти, виходячи з припущення, що нехтування взаемодiею конвективного i радiацiйного теплообмiну лежить в межах допустимо! точности
3. Результати розрахуншв
В результатi моделювання було отримано поля швидкостей i температур димових газiв в об'емi еле-менту, а також коефщенти тепловiддачi конвекщею вiд газiв до внутрiшнiх стшок, тепловий потiк i температури стшок по периметру полостi для випадку змшано! конвекцп.
Додатково було розраховано штенсившсть радiа-цiйного теплообмшу з об'ему продук^в згоряння на стшки елементу i визначено коефщент ефективно! тепловiддачi.
За результатами аналiзу випадку варiацii перепаду тиску в елемен^ було визначено, що для температур 373 К i 573 К найвищий коефiцiент тепловiддачi мае наскрiз-ний канал iз стввщношенням горизонтальних i вер-тикальних стшок 1:2 у всьому дiапазонi використаних перепадiв тискiв. Результати приведенi на рис. 2 - 4.
Рис. 2. Залежнють коефщ1ента теплов1ддач1 вщ перепаду тиск1в для р1зних конструкцм моделей при Тг вх = 373 К
8
Рис. 3. Залежжсть коефщieнта тепловiддачi вщ перепаду тискiв для рiзних конструкцш моделей при Тг вх = 573 К
Рис. 4. Залежжсть коефщieнта тепловiддачi вiд перепаду тисюв для рiзних конструкцiй моделей при Тг вх = 773 К
Для випадку варiащi температури про-дуктiв згоряння на входi в елемент було визначено, що для у«х перепадiв тискiв при температурах теплоноая до 573 К найви-щий коефiцieнт тепловiддачi мае наскрiз-ний канал iз спiввiдношенням стшок 1:2. При тисках до 1,0 Па за високих температур (починаючи вщ 630 К при тиску 0,1 Па) дещо вищу середню iнтенсивнiсть тепловщ-дачi мають тупиковi газоходи.
Для усiх тупикових газоходiв, а при пе-репадi тиску 2,0 Па, ще й для наскрiзних каналiв, спостерiгаеться практично лшшна залежнiсть iнтенсивностi тепловiддачi вiд температури.
4. Висновки
Узагальнюючи вище сказане, можна вщ-значити, що для вщносно високих температур теплоносiя (б^ьше 573 К) i низьких перепадiв тиску (до 0,5 Па) найвищий се-реднiй коефiцiент тепловiддачi мають кон-струкцii виконанi по схемi тупикового газоходу, зокрема iз спiввiдношенням стiнок 2:1. Це пов'язано з тим, що найвишд локальш коефiцiенти тепловiддачi мають мiсце на стел^ оскiльки на нiй вщсутш дiлянки, де вiльна i вимушена конвекцiя протидiють. Для всiх шших комбiнацiй граничних умов вищий коефвдент тепловiддачi мають кон-струкцii виконаш по схемi наскрiзного каналу, зокрема iз спiввiдношенням стiнок 1:2, бо в таких конструкщях найдовшi дiлянки де вiльна i вимушена конвекщя дiють в одному напрямку.
При температурi 373 К (рис. 2) в у«х конструкцiях наскрiзного каналу з ростом перепаду тисюв штенсив-нiсть тепловiддачi стабiлiзуеться або слабо зростае, а в тупикових газоходах спостертеться тенденщя до збiльшення коефвденту тепловiддачi, при чому найшвидше вш росте у конструкцii з стввщношен-ням сторiн 1:1. При температурi 573 К (рис. 3) в уах конструкцiях наскрiзного каналу з ростом перепаду тисюв iнтенсивнiсть тепловiддачi починае зменшу-ватись. В тупикових газоходах при тиску до 0,5 Па спостер^аеться максимум при 0,1 Па, тсля чого кое-фвдент тепловiддачi дещо знижуеться, а при подаль-шому ростi перепаду тисюв практично не мiняеться. При температурi 773 К (рис. 4) для малого перепаду тисюв (до 0,5 Па) найвища штенсившсть теплообмiну спостер^аеться в тупикових газоходах, далi з ростом перепаду тисюв найвищий коефвдент теплообмшу мае мiсце у наскрiзних каналах (iз спiввiдношенням сторiн 1:1, 1:2, 2:1 послвдовно).
Лiтература
1. Ьир:/^Ьэуе.ш/Мех.рЬр?1]п5=0&ге=173
2. Алямовский А. А. и др. SoHdWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике - СПб.: БХВ-Петер-бург, 2005. - 800 с., ил.
3. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). - СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.
4. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Изд. 2-е, перераб. - М.: «Энергия», 1973. - 296 с.
