XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Энергоэффективность всегда актуальна в каждой сфере деятельности. В котельных установках этого можно достичь, оптимизировав теплопередачу в пучках конвекции. Оптимизацию процесса теплопередачи можно получить за счёт изменения геометрических характеристик пучка и внедрения турбулизаторов малого диаметра.

Чтобы доказать эффективность этого решения, будем использовать программу Ansys. ANSYS– это универсальная программная система конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов и решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций, задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей. С помощью этой программы моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование — изготовление — испытания». Ansys весьма актуален для специалистов теплогазоснабжения.

Решение начинается с построения 3D моделей пучков конвекции котла КВа-3,5-95ГМ. Будем рассматривать 3 модели расположения пучков: с коридорным, шахматным расположением и с добавлением стержней в коридорный тип.

Рисунок 1. Сечение участков конвективных пучков (слева участок коридорный, справа шахматный)

Далее для каждого случая выделяем рассчитываемую плоскость и группируем элементы на inlet (вход дымовых газов), outlet (выхода дымовых газов), wall и wallhot (границы стенок вокруг конвективных пучков).

outlet

inlet

Рисунок 2. Рассчитываемая плоскость (желтым выделены поверхности Wall и Wallhot)

Чтобы убедиться в эффективности изменения геометрии вводим одинаковые исходные данные для всех случаев:

- Температура на входе – 900 ˚С

- Скорость потока – 4,52 м/с

- Температура воды в трубочках – 90 ˚С

После того, как решение сошлось, делаем первые сравнительные выводы для коридорного и шахматного расположения пучков:

Рисунок 3. Распределение температур в коридорном и шахматном расположении пучков

Шахматное расположение конвективных пучков оказалось эффективнее в распределение потоков скорости и в процессе теплопередачи.

Потому что в коридорном типе потоки скорости распределяются не равномерно, а теплопередача получилась менее интенсивной.

При использовании шахматного расположения трубочек, зона низких температур (темно-синяя по шкале) началась раньше на 7 рядов, что говорит о повышении комплексной интенсивности теплоотдачи ориентировочно на 20 %.

Рисунок 4. Сравнение распределения скоростей в шахматном и коридорном расположение пучков.

Для оптимизации пучков коридорного типа добавим стержни диаметром 20 мм между трубочками. Соответственно применив те же настройки и данные для будущего сравнения.

Рисунок 5. Изменение температуры и распределение потоков скорости в коридорном типе с добавлением стержней

Добавив стержни в коридорный тип расположения конвективных пучков, улучшили распределение потоков скорости и также оптимизировали теплопередачу. Зона низких температур (темно-синяя по шкале) началась раньше на 3 ряда, что говорит о повышении комплексной интенсивности теплоотдачи ориентировочно на 8,5 %.

Сравнив 3 модели расположения конвективных пучков, можно сделать вывод о том, что шахматное расположение самое выгодное. В настоящее время именно изменением геометрии добиваются оптимизации теплопередачи в пучках конвекции котлов.

Список источников

1. Эстеркин Р. И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб. пособ. для техникумов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 280 с., ил.

2. ГОСТ Р 55173-2012 Установки котельные. Общие технические требования: утв. и введен Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23.11.2012 г. №1142 – ст М.: ФГУП Стандартинформ, 2014. – 20 с.

3. ТеплоэнергетикаСправочник. Под ред. Чл.-корр. АН СССР В.А. Григорьева, В.М. Зорина. – М.: Энергоатомиздат, 1987.