МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН СЖАТИЯ ПНЕВМОИМПУЛЬСНОГО ГЕНЕРАТОРА В КОТЛЕ-УТИЛИЗАТОРЕ

В статье исследуется влияние расположения сопел пневмоимпульсного генератора на распространение волн сжатия в котле-утилизаторе водогрейном (КУВ). Данный тип котла используется для повышения КПД цикла газотурбинной установки посредством утилизации выхлопных газов.

При сгорании топлива на поверхности нагрева теплообменника осаждаются частицы сажи, что в значительной степени снижает теплопередачу от дымовых газов к подогреваемой воде. Для профилактической очистки поверхностей нагрева теплообменника, установленного в КУВ, от технологических отложений используется пневмоимпульсный генератор.

Размещение сопел пневмоимпульсного генератора (ПИГ) должно быть таким, чтобы волна сжатия распространялась вглубь теплообменника и захватывала как можно больше трубок. Для оценки распространения волны сжатия в межреберном пространстве теплообменника было применено трехмерное численное моделирование.

Численное моделирование газодинамических процессов проводилось в программном комплексе STAR-CCM+ с помощью расчета уравнений сохранения в трехмерной постановке, основанной на решении нестационарной системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (RANS) методом конечных объемов с неявной схемой интегрирования. Для замыкания усредненных уравнений сохранения Рейнольдса использована модель турбулентности SST k-omega. Преимуществом SST модели турбулентности является использование модели k-omega для пристеночного слоя и модели k-epsilon для расчета в основном потоке на удаленном расстоянии от стенок. Такой подход позволяет объединить сильные стороны каждой из комбинируемых моделей турбулентности. В уравнении состояния используется модель идеального газа для выражения плотности в зависимости от температуры и давления.

При трехмерном моделировании на основе твердотельной модели расчетной области создавалась неструктурированная сеточная модель с полиэдральным типом ячеек изображенная на рисунке 1.

Рисунок 1. Сеточная модель расчетной области

При исследовании распространения волн сжатия в межтрубном пространстве котла-утилизатора использовался метод адаптивной сетки, локально измельчающая размер ячеек в областях с высокими градиентами чисел Маха. Такой подход способствовал уменьшению толщины фронта волны сжатия, а также позволял экономичнее использовать вычислительные ресурсы. Благодаря этому уменьшалось продолжительность времени проведения расчета и требовался меньший объем оперативной памяти.

Количество ячеек в сеточной модели изначально составляло 3 млн. шт. В процессе решения из-за адаптивного измельчения количество ячеек достигало 4 млн. шт.

Во всей исследуемой расчетной области были приняты следующие начальные условия:

– межтрубное пространство котла-утилизатора и области сопел заполнены воздухом;

– абсолютное давление P = 100 кПа, температура T = 600 К.

Все стенки в расчетной области были заданы адиабатическими.

В расчетной модели были заложены граничные условия (ГУ) параметров течения на выходе из выхлопного трубы пневмоимпульсного генератора: cкорость потока, температура, турбулентная кинетическая энергия и удельная скорость диссипации. На рисунке 2 приведена зависимость статического давления от времени в сечении сопла, где осуществляется передача параметров течения на выходе из выхлопной трубы ПИГ.

Рисунок 2. Зависимость статического давления от времени в сечении сопла, где заданы ГУ ПИГ

Для анализа было выбрано три варианта расположения сопел в зависимости от геометрии КУВ. В 1 варианте, приведенном на рисунке 3 сопла располагались перпендикулярно к боковой стенке теплообменника. Во 2 варианте, продемонстрированном на рисунке 4 сопла располагались под углом к боковой стенке теплообменника, в его верхней части.

Рисунок 3. 1 вариант

Рисунок 4. 2 вариант

В соответствии с нормативными документами, минимальный уровень звукового давления, позволяющий произвести эффективную очистку сажи равен 150 дБ. Уровень звукового давления Lp, дБ определяется по формуле:

где     − звуковое давление измеряемого воздуха, Па;

 − порог чувствительности (2 ∙ 10⁻⁵ Па).

В таблице 1 показано сравнение распространения волн сжатия в разное время расчета для двух вариантов расположения сопел, перпендикулярно к боковой стенке блока котла и в пространстве между теплообменником и шумоглушителем соответственно.

Таблица 1.

Сравнение вариантов конфигураций сопел ПИГ

В результате численных расчетов было выявлено, что в первом варианте несмотря на то, что волна сжатия отражалась от стенок теплообменника, она захватывает все трубки теплообменника и способна очистить поверхность от сажи. Во втором варианте из-за дальнего расположения сопел от трубок теплообменника волна сжатия расширялась значительно раньше и доходила до теплообменника намного позже, чем в первом варианте, в результате чего теряла свой первоначальный импульс. При таком варианте волна сжатия также захватывала весь теплообменник, но не отражалась от внутренних стенок теплообменника, а проходила через межреберное пространство теплообменника. Этого удалось достичь за счет того, что трубки в теплообменники расположены в шахматном порядке, а сопла располагались под углом к боковой стенке теплообменника в его верхней части.

Все исследованные варианты расположения сопел позволяют обеспечить охват волнами сжатия требуемого объема межтрубного пространства. Однако более равномерный и больший охват волнами сжатия очищаемой области дает вариант под номером два с расположением сопел над теплообменником.