Математическое моделирование термической защиты узла крепления трубок в трубной доске газотрубного котла Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Механика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевско го, 2011, № 5 (1), с. 130-136

УДК 51.74

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ УЗЛА КРЕПЛЕНИЯ ТРУБОК В ТРУБНОЙ ДОСКЕ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА

© 2011 г. А.А. Гайнов 1, Л.В. Шабарова 2

1 Волжская государственная академия водного транспорта, Н. Новгород 2 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

lubov_shabarova@mail .ги

Поступила в редакцию 18.03.2011

Приведены результаты исследования гидро- и термодинамических процессов работы элементов газотрубного водогрейного котла-утилизатора КУВИ. Исследования проводились с использованием современных вычислительных технологий гидрогазодинамики. По результатам численных экспериментов выявлен ряд факторов, позволяющих повысить надежность котла.

Ключевые слова: газотрубный котел, численный эксперимент, параметры течения, термическое состояние, теплозащита, сжимаемость, турбулентность.

Введение. Цели исследования

Надежность и ресурс котлов газотрубного типа во многом определяются рабочими характеристиками узлов соединения теплообменных труб и трубных досок.

В ходе исследования гидро- и термодинамических процессов в рабочих элементах газотрубного водогрейного котла-утилизатора КУВИ методами вычислительного эксперимента выявлено, что в узлах крепления трубок возникают зоны локального перегрева в районе сварного шва [1]. К развитию этого неблагоприятного процесса приводит ряд факторов, таких как неоптимальные геометрические параметры узла (толщина трубной доски, шаг расположения трубок), неравномерность распределения потока газа по фронту трубной доски, наличие накипных и иных отложений со стороны водяной полости и др.

Последствием локального перегрева становится нарушение герметичности узлов соединения теплообменных труб и трубных досок и быстрый выход газотрубных котлов из строя.

Одним из наиболее эффективных методов защиты от воздействия потока горячих газов на элементы котла, в том числе трубной доски, является термическая изоляция. Предварительная работа позволила предложить несколько конструкций элементов термической защиты, в основе которых лежит применение термоизоляционного материала некоторой толщины.

С учетом неравномерности распределения потока газа по фронту трубной решетки, которая может приводить к возникновению локальных зон перегрева стенок труб в зоне вальцовки и сварного шва, предложено использование аэродинамически спрофилированных термоза-

щитных пистонов совместно с термоизоляционным материалом. Аэродинамическая форма пистонов разработана на основе результатов математического моделирования [1], в ходе которого обнаружен отрыв потока газа на участках с резким поворотом. Из теории газодинамики известно, что подавление отрывов потока возможно в сужающихся каналах, кроме того, плавный сужающийся канал может уменьшать газодинамические потери на входе трубок. Поскольку пистон неизбежно приводит к сужению входной части канала, соответственно к увеличению потерь в сужающейся части, входной участок пистона спроектирован в виде диффузора, угол раскрытия которого гарантирует безотрывное обтекание при симметричном течении. Выходной участок должен обеспечивать восстановление части скоростного напора.

Учитывая вышесказанное, в работе ставятся следующие задачи:

- определение влияния толщины термоизоляции и защитных пистонов на термическое состояние узлов крепления;

- определение влияния пистонов на аэродинамические характеристики течения потока газов.

Описание котла-утилизатора

Горизонтальный газотрубный котел-утилизатор водогрейный интенсифицированный серии КУВИ предназначен для утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Рабочая температура горячих газов на входе - до 873 К, на выходе - 393-423 К. В качестве нагреваемого теплоносителя может использоваться как вода, так и растворы этиленг-ликоля с температурой до 388 К.

Рис. 1. Котел-утилизатор КУВИ

Котлы КУВИ выполнены по схеме перекрестноточного теплообменника с общим противотоком. При этом по газу предусматривается один ход, а по жидкости от - 3 до 8 ходов.

Для работы в составе дизельных судовых энергетических установок (СЭУ) материалом для всех элементов котлов является коррозийностойкая сталь 10Х17Н13М2Т. Для совместной работы с газопоршневыми генераторами все детали изготавливаются из сталей 08Х18Н9Т, 12Х18Н9Т (либо аналог АШ 321).

Коническая передняя крышка всех котлов содержит систему диффузоров-распределителей газа на входе в трубный пучок. Этим обеспечивается равномерная раздача теплоносителя, исключаются местные перегревы и в целом повышается тепловая эффективность котлов.

На всех котлах КУВИ используются цельнотянутые либо электросварные трубки с диаметром от 16 до 25 мм с толщиной стенки от 1 до 1.5 мм. Трубки профилируются для интенсификации теплообмена. Благодаря малому диаметру, плотной компоновке и профилировке труб достигнуты очень высокие массогабаритные характеристики котлов КУВИ [2].

Рис. 2. Расчетная область задачи

Математическая постановка задачи

Исследование влияния тепловой изоляции и защитных пистонов на термическое состояние рабочих элементов газотрубного водогрейного котла-утилизатора с принудительной циркуляцией производится методами вычислительного эксперимента.

Расчетной областью задачи является половина ячейки газотрубного водогрейного котла-утилизатора КУВИ (рис. 2).

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.

В зоне 1 расчетной области находится газ, в зоне 2 - вода. Движение жидких сред - воды и газа - и процессы теплопередачи в котле описываются следующей системой уравнений:

%■ + V(pV) = 0,

ot

(1)

0(Р )

Ot

+ V(pV ® V) = -Vp + VT,., (2)

5(p c T) -

dpt + V(p CpTV) =

= V(XieVT) + V(V t) + °p, ot

(3)

где индекс t = 1 относится к дымовым газам, t = 2 - к воде, t = 3 - к стали, t = 4 - к накипным отложениям, t = 5 - к теплоизоляционному материалу; p - абсолютное давление, Т - абсолютная температура, pt - плотность соответствующей среды, p/pi=(Cpi - Cvi)T Р2, Рз, Р4, Р5 - const, Vt - вектор скорости соответствующей среды

V = V4 = V5 = о), Tt - тензор напряжений, связанный со скоростями деформаций обобщенной гипотезой Ньютона тt = цie (VVt + (VVt )T -

2 -

- — SV • V), цte Дte - эффективные вязкость и теплопроводность сред соответственно, цte =

= цt + цtt, ^ te = ^ t + ^ tt, цt, ^t - ламинарные

вязкость и теплопроводность, цit ,Х it - турбулентные (вихревые) вязкость и теплопроводность, связанные между собой через турбулентное число Прандтля (ц3е = ц4е = ц5е = 0, X3t = = X4t = X5t = 0)и определяемые по выбранной модели турбулентности. Знак ® в уравнении (2) и T в записи Tt обозначают операции векторного произведения векторов и транспонирования вектора соответственно.

Отметим, что газ в задаче считается сжимаемой жидкостью, вода - несжимаемой. Система уравнений (1)-(3) замыкается транспортной SST моделью турбулентности Ментера [3]. Эта модель является комбинацией k-ю модели (более точное описание течений вблизи стенок) и k-e модели (моделирование течений вдали от твердых границ). Ввиду важности исследования зон турбулентности в пристеночных областях (в частности, при введении в трубу пистонов) в задаче целесообразно использовать данную модель турбулентности.

Для твердых тел, которыми в данной модели являются трубки (область 3 рис. 2), трубная доска (область 4 рис. 2), пистоны (область 5 рис. 2), слой накипных отложений в кольцевом зазоре между трубкой и трубной доской (область 6 рис. 2) и слой теплоизоляционного материала (область 7 рис. 2), решается уравнение теплопроводности.

Система уравнений (1)-(3) должна дополняться соответствующими начальными и граничными условиями.

В задаче ставятся следующие граничные условия:

1. На твердых границах постулируется обычное для классической гидромеханики условие прилипания. Случай «исчезающей» вязкости в задаче не рассматривается.

2. На вход ABCD подается газ со скоростью 6.2 м/с с температурой 873 К.

3. На входную границу EHGF подается вода со скоростью 1 м/с с температурой 353 К.

4. На выходных границах М, N и ЫКЬ задаются нулевые избыточные давления. Отметим, что выходная граница ЫКЬ расчетной области удалена от местоположения трубок, чтобы ликвидировать влияние возможных возмущений вблизи выхода на характер течения в исследуемой области вокруг трубок.

5. ACOILF - плоскость симметрии.

В начальный момент времени температура расчетной области составляет 353 К, в области 1 задается газовый поток, в области 2 - поток воды. Скорости потоков согласованы с соответствующими скоростями.

В кольцевом зазоре между трубкой и трубной доской задается вещество с низкой теплопроводностью, так называемая накипь.

Основные аспекты решения задачи

Сеточная модель построена на базе сеточного генератора Ansys 1СЕМ CFD, количество узлов в сетке при решении задачи составляло около 900 000, решение задачи производилось в пакете гидрогазодинамики Ansys CFX. В пакете Ansys CFX численное решение системы (1)-(3) базируется на методе конечных объемов [4].

Выбор количества узлов в сеточной модели осуществлялся путем сравнения предварительных расчетов на сетках в 500 000, 900 000 и 2 млн. узлов. Исследования показали, что оптимальной по скорости счета и точности полученных результатов является сеточная модель, содержащая 900 000 узлов. Задача решалась на восьмипроцессорном вычислительном узле с 16 Гб оперативной памяти. Распараллеливание задачи производилось методом декомпозиции областей. При указанных условиях решение занимало около суток.

Математическая модель включает в себя пять различных сред - 2 жидкости (вода, газ) и три твердых среды (сталь, накипь, теплоизоляционный материал). Задаваемые в математической модели теплофизические и транспортные характеристики этих сред [5] (таблица 1) соответствуют реальным характеристикам материалов, используемых в котле.

Таблица 1

Материал Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкость, Дж/кг-К Вязкость, Па-с Т еплопроводность, Вт/м-К

Вода 950 4220 0.000258 0.б8

Газ 28.9б 1185 3.5e-05 0.0б5б

Сталь 7854 434 - б0.5 -0.02-(T-273[K]), где Т - температура(К)

Накипь 1500 700 - 0.1

Теплоизолятор 200 900 - 0.04

к

Temperature

(Contour 1)

З.790е*002 З.769Є+002 З.748е+002 3. 728Є-Ї-002 3.707е+002 З.686Є+002 - З.бббе+002

- 3.645Є+002 3.624Є+002

- З.бОЗе+002 3.583е+002

- 3.562е+002 3.541е+002 3.52ІЄ+002 З. SOOe-i-002

[К]

Рис. 3. Температурное поле в разрезе трубной доски

Результаты моделирования

1. Влияние толщины слоя теплоизоляции на распределение температур в узле.

На рис. 3 приведены температурные поля, полученные по результатам двух численных экспериментов - моделирование работы элемента котла со слоем теплоизоляции (а) и без него (б).

Математическое моделирование подтверждает высокую эффективность применения теплоизоляции трубной доски в целях термической защиты узла крепления.

Для установления приемлемой толщины слоя теплоизоляции в работе проведено моделирование процесса работы котла для различных толщин h (рис. 2) - 2, 4, 6,10 мм. На рис. 4 приведены графики температуры при постоянной толщине трубной доски для исследуемых значений К

Как видно из рисунка, даже при слое теплоизоляции в 2 мм трубная доска охлаждается до приемлемой температуры в зоне узлов крепления при условии герметичности соединений изоляционного материала с поверхностью трубной доски и пистона (около 350 К).

2. Исследование влияния наличия пистонов на равномерность потока газа.

На рисунке 5 приведены линии тока газа в элементе котла для случаев отсутствия (рис. 5,а) и наличия (рис. 5,б) пистонов при входе в трубки.

Математическое моделирование свидетельствует о ликвидации срыва потока газа на входе в трубу при установке в них пистонов. Наличие пистонов благоприятно влияет на равномерность потока и способствует ликвидации вихреобразо-вания в пристенной области трубок (рис. 6).

Отметим также, что наличие пистонов уменьшает общее сопротивление входного участка, что в свою очередь уменьшает аэродинамическое сопротивление котла (рис. 7).

Результаты металлографического исследования образцов поврежденных участков узлов крепления трубок

В НГТУ им. Алексеева проводилось металлографическое исследование образцов узлов крепления трубок из двух разных котлов. На рисунке 8 представлены фотографии исследованных образцов. Толщина трубной доски первого котла составляла 20 мм (данный котел

\Zelodty

(биеатйпе 2)

Г 5.138е+00т

- 3.85<1е+001

- 1,2650+001

1.41 Эе-004 *•1]

относшельтя ТОЛ1Ц1Н.1 и>оляцш и доски (50% соответствует началу трубной ДОСКИ). %

Рис. 4. Графики температуры при постоянной толщине трубной доски

1Я1

ШМ}

1 И л 11II

'!|| II ■ о 1 :. 01 ■ 1 I амп (ш> Ш

а) 0

Рис. 5. Линии тока газа в области котла

Отсутствие инсшоное

Рис. 6. Линии тока в области стенок трубок

0. 0С1

Наличие иисшоное

а б

Рис. 8. а) Первый испытуемый образец (без теплоизоляции и пистонов), трещины в стенке трубки, накипные отложения, коррозия трубной решетки; б) Второй испытуемый образец (с теплоизоляцией и пистонами), отложения и трещины в стенке трубки отсутствуют

КУВИ стал физической основой для расчетной модели [1]). В стенках трубок этого котла обнаружены трещины (рис. 8,а). Второй котел (рис. 8,б) имел толщину трубной доски 6 мм, она была оснащена термической защитой с пистонами. Эксплуатация котла и последующее его вскрытие не выявило проблем, как с первым котлом.

Расположение трещин в изученных образцах полностью соответствует картине распределения температур, полученной в математическом эксперименте. Места расположения трещин находятся не в самой зоне сварного шва, а смещены от него вглубь по ходу газа в трубке, что соответствует неблагоприятной зоне на рисунке 3.

Следует отметить, что поврежденные трубки были расположены преимущественно радиально по внешнему периметру трубной доски, а также в местах ранее заглушенных труб, что также способствовало созданию неравномерности потока газа на входе в трубки.

Обнаруженные при вскрытии корпуса котла отложения на внутренней поверхности перед-

ней трубной доски и трубок повлияли не только на развитие трещин, помимо этого выявлены отдельные очаги коррозионного воздействия щелочного характера. Как правило, основные отложения наблюдаются в зонах повышенных температур. Задняя трубная доска является одним из таких мест.

Предположение, что неравномерность распределения газа по площади трубной доски может приводить к локальным перегревам, подтверждается. Наличие отложений, очагов коррозии и трещин свидетельствует, что даже небольшое превышение температур в исследуемой зоне является неблагоприятным фактором.

Заключение

В работе построена и отработана математическая модель процессов в узле соединения труб с трубной доской. На основании допущений и ограничений, приближающих их характеристики к реальным физическим, выявлены неблагоприятные факторы, влияющие на эксплуатационную надежность газотрубных котлов.

По результатам математического моделирования установлено:

1. При использовании пистонов специальной формы срыв потока газа при входе в трубу ликвидирован. Таким образом, потери потока газа минимальны, а значит, не будет значительного возрастания аэродинамического сопротивления котла.

2. При обеспечении теплоизоляции трубной доски узел крепления трубок изолирован от воздействия высокой температуры.

3. Исследование выявило возможность уменьшения толщины слоя теплоизоляции, и по результатам моделирования сделан вывод, что возможно ее снижение до 2 мм при условии герметичности соединений изоляционного материала с поверхностью трубной доски и пистона.

4. Результаты математического моделирования подтверждаются результатами лабораторных исследований образцов, что доказывает практическую значимость моделирования не

только при проектировании, но и при установке причин отказов находящихся в эксплуатации котлов.

Список литературы

1. Гайнов А.А. Математическое моделирование термического состояния узла крепления трубок в трубной доске газотрубного котла // Сборник АГТУ. 2011.

2. Валиулин С.Н., Бурдастов Н.Н. Котлы-утилизаторы ООО «Гидротермаль» для применения в составе малых тепло-электростанций (мини ТЭС). Электронный ресурс: http://gidrotemal.ru (дата обращения март 2011 г.)

3. Быстров Ю. А., Исаев С. А., Кудрявцев Н. А., Леонтьев А. И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. СПб.: Судостроение, 2005.

4. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

5. Пейре Р., Тейлор Т.Д. Вычислительные методы в механике жидкости. Пер. с англ. Л.: Гидроме-теоиздат, 1986. 352 с.

MATHEMATICAL SIMULATION OF TUBE RACK THERMAL SHIELDING IN A TUBE PLATE OF A FIRE-TUBE BOILER

A.A. Gainov, L. V. Shabarova

The results of investigation of hydro- and thermodynamic processes in some parts of a fire-tube hot-water boiler are presented. The studies have been carried out using modern simulation techniques of fluid dynamics. A number of factors that can improve boiler reliability are revealed on the basis of numerical experiment results.

Keywords: fire-tube boiler, numerical experiment, flow parameters, thermal state, thermal shielding, compressibility, turbulence.