Modelowanie zjawisk przepływowocieplnych. i wewnętrznie ożebrowanych. Karol Majewski Sławomir Grądziel

Transkrypt

1 Modelowanie zjawisk przepływowocieplnych w rurach gładkich i wewnętrznie ożebrowanych Karol Majewski Sławomir Grądziel

2 Plan prezentacji Wprowadzenie Wstęp do obliczeń Obliczenia numeryczne Modelowanie CFD Wyniki obliczeń Wnioski XII Konferencja PBEC, Warszawa,

3 Wprowadzenie Większość parowników kotłów energetycznych zbudowana jest z rur gładkich, Parowniki kotłów skonstruowanych w technologii Bensona mogą być częściowo zbudowane z rur wewnętrznie spiralnie ożebrowanych: zmiana charakteru przepływu, obniżenie temperatury ścianki rur przy dużych strumieniach ciepła i wysokim stopniu suchości pary. XII Konferencja PBEC, Warszawa,

4 Wstęp do obliczeń Porównanie wyników obliczeń Program numeryczny Modelowanie CFD XII Konferencja PBEC, Warszawa,

5 Warunki obliczeniowe: Wstęp do obliczeń strumień masy czynnika: m c = 0,768 kg/s ciśnienie na wlocie: p = 29,96 MPa temperatura czynnika: t = 313,4 strumień ciepła: q = 120 kw/m 2 długość odcinka: l = 60 m usytuowanie: pionowe XII Konferencja PBEC, Warszawa,

6 Wstęp do obliczeń Wymiary geometryczne rur: rura gładka: d z x g sc = 33,7 x 6,3 mm rura ryflowana: d o średnica zewnętrzna 50,8 mm d i średnica wewnętrzna (beż żeber)34,9 mm d min średnica minimalna 32,9 mm g grubość ścianki 7,95 mm h wysokość żebra 1 mm p podziałka żeber 30 mm a szerokość żebra u podstawy 5 mm b średnia szerokość żebra 4,5 mm α kąt pomiędzy ramionami żebra 45 β kąt skręcenia żeber 30 N ilość żeber 6 XII Konferencja PBEC, Warszawa,

7 Obliczenia numeryczne Równania bilansu masy, pędu i energii i równanie opisujące nieustalone przewodzenie ciepła dla ścianki zostały wykorzystane w programie napisanym w języku Fortran: XII Konferencja PBEC, Warszawa,

8 Współczynnik wnikania ciepła Obliczenia numeryczne Równanie Kitoha Rury gładkie Rury ryflowane Parametr Chiltona-Colburne a i liczba Stantona j = St Pr 1 3 temperatura czynnika: t cz = C, entalpia czynnika: h cz = kj/kg, prędkość masowa G = kg/(m 2 s), obciążenie cieplne ścian: q = MW/m 2. XII Konferencja PBEC, Warszawa,

9 Modelowanie CFD Modelowanie CFD wykonane zostało z wykorzystaniem: analizy prowadzonej w stanie ustalonym, czterorównaniowego modelu turbulencji SST, parametrów pary i wody dla średniej wartości ciśnienia (gęstość, ciepło właściwe, przewodność cieplna, lepkość kinematyczna), przypadku osiowo-symetrycznego dla rury gładkiej, modelu 3D dla rury ryflowanej. XII Konferencja PBEC, Warszawa,

10 Modelowanie CFD Fragment siatki numerycznej dla rury gładkiej 15 sekcji po ok. 240 tys. elementów => ok. 3,6 mln elementów Fragment siatki numerycznej dla rury ryflowanej 15 sekcji po ok. 1,1 mln el. => ok. 16,2 mln el. XII Konferencja PBEC, Warszawa,

11 Wyniki obliczeń Przebieg obliczonego współczynnika wnikania ciepła w wybranych przekrojach rury gładkiej wyniki z programu numerycznego Porównanie rozkładu temperatur w stanie ustalonym dla rury gładkiej uzyskane programem numerycznym (NUM) oraz za pomocą modelowania CFD XII Konferencja PBEC, Warszawa,

12 Wyniki obliczeń Przebieg obliczonego współczynnika wnikania ciepła w wybranych przekrojach rury wewnętrznie ożebrowanej wyniki z programu numerycznego Porównanie rozkładu temperatur w stanie ustalonym dla rury ryflowanej uzyskane programem numerycznym (NUM) oraz za pomocą modelowania CFD XII Konferencja PBEC, Warszawa,

13 Wyniki obliczeń Przykładowy rozkład temperatury w rurze gładkiej uzyskany w programie Ansys Fluent XII Konferencja PBEC, Warszawa,

14 Wyniki obliczeń Przykładowy rozkład temperatury w rurze wewnętrznie ożebrowanej uzyskany za pomocą programu Ansys Fluent XII Konferencja PBEC, Warszawa,

15 Wnioski wyniki uzyskane z programu numerycznego da rur gładkich i ożebrowanych wewnętrznie uzyskały dobrą zbieżność, różnice wynikają z: niedokładnego odwzorowania własności wody i pary, podziału modelu do obliczeń CFD na segmenty, użyciu równań opisujących wymianę ciepła w rurach z ożebrowaniem wewnętrznym o innej geometrii żeber. XII Konferencja PBEC, Warszawa,