Kezdőlap / Portfolio / Hőhasznosító Kazán (HRSG) Szimulációja

Hőhasznosító Kazán (HRSG) Szimulációja

Hőhasznosító Kazán (HRSG) Szimulációja

Már régóta szerettem volna egy hőhasznosító kazán CFD szimuláció 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.

Az alkalmazási példáról készült videóban a szimulációt részletesen is bemutatjuk. A lejátszó jobb szélső gombjával teljes képernyőre tehető.

Egyszerűsítsük amit lehet

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.

Nem szabványos csősorok miatt hőátadási tényző szimuláció kell

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 hőhasznosító kazán CFD szimuláció és a megfelelően kialakított végeselem háló biztosítják a pontos sebesség és hőmérséklet eredményeket. Ezek kulcsfontosságúak 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.

Megbízható és pontos

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 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