CC BY
42
УДК 621.1.016.4
А. А. Гайнов
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛА КРЕПЛЕНИЯ ТРУБОК В ТРУБНОЙ ДОСКЕ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА
Введение
Надежность и ресурс котлов газотрубного типа во многом определяются рабочими характеристиками узлов соединения теплообменных труб и трубных досок.
Нарушение нормальных температурных показателей состояния этих элементов является важным фактором начала и развития процессов формирования и накопления различных отложений, приводящих к дальнейшей термической дестабилизации, увеличению активности процессов электрохимической коррозии, структурному изменению металла трубок и трубной доски. Следствием является депассивация металлов, если речь идет о нержавеющих сталях, или возникновение различных схем коррозии углеродистых сталей, приводящих в конечном итоге к разрушению элементов котла. Все вышеназванные процессы активизируются под действием высокой температуры.
В группе факторов, влияющих на термическое состояние узлов закрепления труб в трубной доске, основными являются геометрические параметры и режимные характеристики течения теплоносителей.
Нами проведено исследование гидро- и термодинамических процессов рабочих элементов газотрубного водогрейного котла-утилизатора КУВИ методами вычислительного эксперимента:
— определение влияния геометрических характеристик узлов крепления трубок на их термическое состояние;
— определение влияния геометрических характеристик узлов крепления трубок на параметры течения горячих газов.
Постановка задачи
Расчетной областью задачи является половина ячейки газотрубного водогрейного котла-утилизатора КУВИ.
При моделировании приняты следующие допущения:
— сварной шов, соединяющий трубу с трубной решеткой, выполнен из материала трубной решетки и имеет те же теплофизические характеристики;
— теплофизические характеристики теплоносителей в расчетном узле принимаются по среднеинтегральным значениям температуры и давления;
— давление в водяной полости обеспечивает отсутствие фазового перехода (испарения) в интервале расчетных температур.
Движение жидких сред - воды и газа и процессы теплопередачи в котле описываются следующей системой уравнений:
где индекс 1 = 1 относится к дымовым газам, 1 = 2 - к воде, 1 = 3 - к стали; р - абсолютное давление; Т - абсолютная температура; рг- - плотность соответствующей среды; р/р1 = (ср1 - су1)Т, р2,
(1)
(2)
(3)
р3 - const; V - вектор скорости соответствующей среды (V = 0); тг- - тензор напряжений, связан-
ный со скоростями деформаций обобщенной гипотезой Ньютона ti = mie(VVi + (VVi)T -28V■Vi),
№ie, 1ie - эффективные вязкость и теплопроводность сред соответственно, mie = m + mit , 1ie =1i +1it; mi 1i - ламинарные вязкость и теплопроводность; mit 1it - турбулентные (вихревые) вязкость и теплопроводность, связанные между собой через турбулентное число Прандтля (m3e = 0, 13t = 0) и определяемые по выбранной модели турбулентности.
Отметим, что газ в задаче считается сжимаемой жидкостью, вода - несжимаемой.
Система уравнений (1)-(3) замыкается транспортной SST-моделью турбулентности Ментера [1].
Система уравнений (1)-(3) должна дополняться соответствующими начальными и граничными условиями.
Математическая модель включает в себя пять различных сред - 2 жидкости (вода, газ) и 3 твердые среды (сталь, накипь, теплоизоляционный материал). Задаваемые в математической модели теплофизические и транспортные характеристики этих сред [2] соответствуют реальным характеристикам материалов, используемых в котле.
Сеточная модель построена на базе сеточного генератора Ansys ICEM CFD, количество узлов в сетке при решении задачи составляло 900 000. Решение задачи производилось в пакете гидрогазодинамики Ansys CFX, в котором численное решение системы (1)-(3) базируется на методе конечных объемов [3].
Первая часть расчетных экспериментов направлена на изучение влияния толщины трубной доски на термическое состояние узлов крепления трубок в трубной доске.
Вторая часть - изучение влияния условий натекания газа на термическое состояние узлов закрепления трубок.
Результаты исследований и их обсуждение
В первой группе опытов переменным параметром была выбрана толщина трубной доски. Расчеты со значениями толщины 6, 10, 20 мм показали, что прослеживается очевидная связь между толщиной трубной доски и перепадом значений температур по ее толщине (рис. 1).
Относительная толщина трубной доски, %
Рис. 1. Графическая зависимость перепада значений температуры при различной толщине трубной доски
На основании результатов моделирования приходим к следующему выводу: чем меньше толщина трубной доски, тем легче температурный режим узлов закрепления. На данный момент можно утверждать, что рекомендованная методика расчета на прочность, учитывающая лишь параметры внутреннего давления и шага расположения отверстий, недостаточно эффективна.
Основным способом увеличения надежности элементов трубной доски считается увеличение ее толщины, что ведет не только к повышению металлоемкости и стоимости производства, но и заведомо - к повышению вероятности отказа котла. Причина этому - недопустимый
разогрев и возникновение высоких механических напряжений из-за высокого перепада значений температуры по толщине металла. На основании выполненного анализа можно считать, что при уменьшении до минимально необходимого значения толщины трубной доски появляется возможность значительного снижения перепада значений температуры по ее толщине и улучшения условий ее охлаждения.
Во второй группе опытов при моделировании процессов натекания газа и его влияния на термическое состояние узлов закрепления трубок зафиксированы неравномерность эпюр скоростей на входе в трубку, что связано с неравномерностью распределения потока газа по площади трубной доски и является следствием конструктивных особенной котлов. Наблюдаются неблагоприятные, с точки зрения течения потока, условия, которые приводят к появлению локального перегрева стенок труб в зоне вальцовки и сварного шва (рис. 2).
Рис. 2. Зона повышенной температуры на стенке трубки
До настоящего времени было принято считать, что зона неблагоприятных значений температуры при эксплуатации котлов из нержавеющей стали лежит выше 400 °С, а стальных - 250 °С.
Принимается во внимание, что уже при температуре 250 °С идут процессы рекристаллизации, провоцирующей снижение прочности основного металла и развитие коррозионных процессов.
Проведенные исследования показали: критической для узла закрепления нужно считать температуру насыщения паров при данном рабочем давлении. Эти условия приводят к возникновению пузырькового кипения и началу формирования отложений в зоне узла, термической дестабилизации и, в сочетании с коррозионными процессами, к быстрому выходу котла из строя.
Выводы
1. У становлено, что существует зависимость между толщиной трубной доски и ее термическим состоянием.
2. При проектировании газотрубных котлов и выборе толщины трубной доски необходимо учитывать термическое состояние узлов соединения теплообменных труб и трубных досок.
3. Установлено, что неравномерность распределения потока газа по фронту трубной решетки может приводить к возникновению локальных зон перегрева стенок труб в зоне вальцовки и сварного шва. Следствием является быстрый выход газотрубных котлов из строя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA-Journal. -1994. - Vol. 32, N 8. - P. 1598-1605.
2. Бажан П. И., Каневец Г. Е., Селиверстов В. М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.
3. Пейре Р., Тейлор Т.Д. Вычислительные методы в механике жидкости. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 352 с.
4. Воеводин В. В., Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. - СПб.: БЫУ-Санкт-Петербург, 2004. - 608 с.
Статья поступила в редакцию 18.02.2011
MATHEMATICAL MODELLING OF THERMAL STATE OF ATTACHMENT OF THE TUBES IN TUBE PLATES IN GAS-TUBE BOILERS
A. A. Gainov
The factors affecting the thermal state of attachment of the tubes in tube plates of gas-tube boilers are considered. For heat carriers the models of turbulent flow of compressible and incompressible liquids are used. The task on the exploration of hydro- and thermodynamic processes is solved by using the bundled software Ansys CFX. The recommendations on the consideration of the thermal state of the elements of boilers in designing are given.
Key words: gas-tube boiler, geometric parameters, flow parameters, thermal state.
