Kezdőlap / Portfolio / Hőhasznosító Kazán (HRSG) Szimulációja

Hőhasznosító Kazán (HRSG) Szimulációja

Hőhasznosító Kazán (HRSG) Szimulációja

Már régóta szerettem volna egy ilyen alkalmazási példát megmutatni. Egyrészt, mert jól szemléltet egy hőcserével kapcsolatos folyamatot, és a módszer általánosan használható nem csak hőhasznosító kazánra (HRSG), hanem a hűtőgépek elpárologtatójára, vagy bármilyen más hőcserélő alkalmazásra. Másrészt, mert nagyon szépen látszik, hogyan tudunk egy viszonylag bonyolult fizikai hátterű feladatot egyszerűen megfogalmazni és azt gyorsan áramlástani szimulációval kezelni. A gyors nálunk azt jelenti, hogy a geometria elkészítése és a szimuláció végleges (konvergens) megoldásig futtatása 16 óra alatt megtörtént.

Ha esetleg az a kérdés járna a fejében, hogy egy 4 blokkból – egy túlhevítőből, két elpárologtatóból és egy tápvíz előmelegítőből – álló 1 huzamú kazán összes csőkígyóját hogyan fogom modellezni, akkor azt válaszolnám: sehogy. Mert nincs rá szükség. Legalábbis a füstgáz oldali nyomásesés meghatározásához nincs. Ellenben szükség van arra a vaskos kazán hőtechnikai számításra, amelyet a tervekkel együtt Szabó András vezető tervező kolléga készített.

Hőhasznosító kazán (HRSG) a ki- és beömlést jelző nyilakkal
Hőhasznosító kazán (HRSG) a ki- és beömlést jelző nyilakkal

A számítás tartalmaz minden szükséges információt: a füstgáz térfogatáramot, a füstgáz hőtani adatait, és fokozatokra lebontva a csőkígyó elrendezése alapján számított füstgáz ki- és belépő hőmérsékletet.

Ezekből a varázslatos Q=fajhő*tömegáram*deltaT képlettel kiszámítható, hogy az egyes fokozatokban mekkora a közölt, vagy ha a füstgáz szempontjából nézzük, az elvont hő mennyisége. Ezt a wattban kifejezett értéket pedig a szimulációban, mint peremfeltételt adjuk meg arra a téglatestre, ami az adott csőköteget helyettesíti. Jelen esetben ez a hőmennyiség például a túlhevítőre 4.3 megawatt.

Viszont a csőköteg ellenállást fejt ki a füstgázáramlással szemben, amelyet szintén elő kell írnunk erre a helyettesítő térfogatra. Ennek meghatározásához egy kiegészítő szimulációra van szükség, amelyet a legegyszerűbb síkbeli analízisként elvégezni. A mi kazánunknál ráadásul ez azért is kell, mert a csőkígyókat függesztő csövek tartják, aminek következtében a vízszintes csősorokat kissé el kellett tolni egymás felett. Így, lett egy nagyobb és egy kisebb rés a csövek között.

Hőcserélő csőkígyó 2D szimulációja, sebességek a csövek között
Hőcserélő csőkígyó 2D szimulációja, sebességek a csövek között

Ebből a síkbeli csőköteg szimulációból le tudjuk olvasni a modellezett csősorokon eső nyomást, amit a fokozatra jellemző tulajdonságú füstgáz áramlása okoz. A blokk teljes nyomásesése pedig már csak egy szorzás kérdése, például a túlhevítő ellenállása 96 Pa-ra adódik.

Az így felépített áramlás- és hőtani szimuláció és a megfelelően kialakított végeselem háló biztosítják a pontos sebesség és hőmérséklet eredményeket, amelyek kulcs fontosságúak a pontos nyomásviszonyok meghatározásához. Az áramlási kép nem az a kimondott térbeli fraktál, az áramvonalak szépen egymás mellett haladnak, mindössze két leválási buborékot tudtam nagy nehezen összeszedni a felső fordítókamrában. Találkoztunk már sokkal komplikáltabbakkal is, de nem ez volt a lényeg. A tápvíz előmelegítő után a hőtechnikai számítás 263.9 °C-ot mutatott, a szimuláció pedig 266.6-ot, ez alig 1%-os hibát jelent.

Visszaellenőrizhetők a hőcserélő blokkokon jelentkező nyomásesések, megvan a példaként kiszámított túlhevítő 96 Pa-os nyomásesése, és a többi csőkígyó ellenállása is megegyezik a kézi számítás eredményeivel. Ezek mellett persze a teljes rendszer nyomásesését is le tudjuk olvasni a szoftver által előállított grafikonról, amely 444 Pa.

Az alkalmazási példáról készült videó (a lejátszó jobb szélső gombjával teljes képernyőre tehető):

Az ilyen méretű rendszereknél azért fontos a nyomásveszteség meghatározása, mert nem mindegy, mekkora lesz a füstgázt keringető ventilátor. Ha túl kicsi, az is baj, meg ha túl nagy, az is.

Ha a hőhasznosító kazán egy gázturbina után található, akkor természetesen nincs keringető ventilátor, viszont ebben az esetben a gázturbina utáni maximálisan megengedett ellennyomás értékének ismerete az, amely a turbina üzemeltetése szempontjából kiemelten fontos.

De amint látták, ezzel a szimulációs módszerrel a feladat gyorsan és könnyen kezelhető.

Dr. Dúl Róbert

Top