В качестве примера моделирования теплообменного аппарат поверхностного типа рассмотрим подогреватель низкого давления ПН-1800 конденсатного тракта турбины типа К-1000. Схема подогревателя приведена на рисунке ниже (см. Рисунок 1).
Рисунок 1. Схема подогревателя ПН-1800
На рисунке (Рисунок 1): 1 - трубная система; 2 – вход воды; 3 – выход воды; 4 – отсос парогазовой смеси; 5 – к водоуказательному прибору; 6 – опорожнение трубной системы; 7 - выход конденсата греющего пара; 8 – впуск конденсата греющего пара соседнего подогревателя (дренажа); 9 – вход греющего пара.
Подогреватель низкого давления представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменник с гладкими прямыми трубками поверхности теплообмена. Пар поступает в межтрубное пространство, а основной конденсат (нагреваемая вода) протекает по трубкам. Число ходов основного конденсата – четыре, это означает что, при движении основной конденсат проходит по высоте подогревателя четыре раза. Пройдя по части трубок в низ, он разворачивается и идет по другим трубкам вверх и так далее (Рисунок 2).
Рисунок 2. Схема движения теплоносителя в ПН-1800
Основные параметры теплообменного аппарата приведены в таблице (Таблица 1).
| Параметры | Размерность | Значение |
| поверхность нагрева | м2 | 1800 |
| количество трубок | (шт) | 6743 |
| диаметр трубок | мм | 16 |
| толщина трубок | мм | 1 |
| расход питательной воды | (т/час) | 2646 |
| давление греющего пара | (МПА) | 0.062 |
| температура греющего пара | (°С) | 85.3 |
| температура воды на входе в подогреватель | (°С) | 65.9 |
| температура воды после подогреватель | (°С) | 81.3 |
| гидравлическое сопротивление | м. вод. ст. | 11.5 |
| паровой объем | м3 | 30.8 |
| водяной объем | м3 | 18.3 |
Моделирование межтрубного пространства ПНД
Для моделирования межтрубного пространства воспользуемся данными, приведенными в таблице 1. Общий объем парового пространства подогревателя (V1+V2+V3) равен 30.8 м3. Принимаем что в паровом объеме подогревателя, водой заполнено 7.3 м3 из них 2.3 м3– нижний водяной объем (V1), 5 м3 - верхний водяной объем (V2), соответственно верхний паровой объем - 23.5 (V3).
Площадь сечения рассчитываем исходя из геометрических параметров, как разницу площадей сечения цилиндра и трубного пучка – 3.5 м2.
Гидравлический диаметр можно рассчитать, зная количество трубок и площадь сечения, - 0.014 м.
В первом приближении принимаем, что площадь теплообмена не зависит от уровня в теплообменнике.Заполним свойства компенсатора как показано на следующем рисунке:
Рисунок 3. Свойства элемента «Компенсатор 3-х объемный» для модели межтрубного пространства.
Элемент 8129.dita содержит в себе гидравлические узлы для подключения подвода теплоносителя, к которым нельзя подключить узлы граничных условий. Поэтому необходимо на схему добавить участки труб, моделирующие подвод пара и отвод конденсата. Длина трубопроводов и давление в граничных узлах подбирается так, чтобы давление на входе пара в компенсатор равнялось 0.6 бар, согласно таблице. На линии отвода конденсата греющего пара рекомендуется установить обратный клапан, для исключения обратного тока в начальный момент времени при установлении давления и расходов в схеме.
Моделирование пучка труб
Моделирование пучка труб осуществляется с помощью элемента 8106.dita. Для моделирования задания параметров трубного пучка воспользуемся специальным окном редактирования элементов. Для этого осуществи двойной клик по элементу «Канал общего вида».
Для удобства пользователя предусмотрено окно автоматического заполнения параметров канала для труб и трубного пучка для вызова данного окна необходимо нажать кнопку «Заполнение» в правом верхнем углу (см. Рисунок 4)
Рисунок 4. Вызов окна автоматического заполнения свойств канала.
Окно автоматического заполнения свойств канала позволяет осуществить расчет параметров канала эквивалентному пучку труб. Данное окно содержит следующие поля:
- Начальный элемент – номер начального элемента канала, для которого выполняется автоматическое заполнение параметров.
- Конечный элемент – номер конечного элемента канала, для которого
производится автоматическое заполнение параметров.
Эти поля используются, когда необходимо заполнить параметры для нескольких элементов. В нашем случае в канале пока один элемент и мы указываем 1 для начального и конечного элемента.
- Длинна отрезка – длинна [м] одного элемента канала, для которого выполняется расчет параметров. Для ПНД указываем 0.8855, длинна, подбирается так, чтобы общая площадь теплообмена для 24 участков была равна 1800.
- Перепад высот – разница высоты [м] между началом и концом элемента. Задаем – 0.8855, поскольку теплообменник вертикальный.
- Шероховатость – шероховатость [м] поверхности канала. Задаем – 0.0001.
- Типа канала – выбор геометрии, для которой происходит автоматическое заполнение параметров. Для пучка труб необходимо выбрать закладку труба круглая.
- Количество труб – количество параллельных трубок моделируемых одним каналом. Поскольку общее количество трубок 6743, а теплоноситель проходит по ним в четыре захода (см. Рисунок 2), то проходное сечение потока необходимо рассчитывать для общего числа трубок. Указываем (1685).
- Внутренний диаметр – внутренний диаметр [м] одной трубки, указываем 0.016.
- Толщина стенки – толщина [м] стенки одной трубки, для ПН – 1800 задаем 0.001.
После заполнения параметров необходимо нажать кнопку «ОК». После этого происходит расчет параметров эквивалентного канала и заполнение свойства для одного элемента. Автоматически рассчитывается площадь проходного сечения и площадь теплообмена для одного элемента (участка) канала.
Исходя из площади одного элемента (участка) рассчитанной автоматически, и общей площади теплообмена, приведенной в паспортных данных, рассчитывается количество участков обеспечивающих заданную площадь теплообмена. В нашем случае длина подобрана таким образом, что необходимое количество участков – 24. Для задания количества участков необходимо увеличить счетчик «Число участков» в левом верхнем углу.
Для учета четырех движения теплоносителя по четырем заходам (см. схему движения теплоносителя Рисунок 2), в колонке «Прир-е высоты» задаем приращение по участкам. Приращение высоты для вертикальных труб равно длине. Знак приращения определяется по направлению: отрицательное значение для опускного движения и положительное - для подъемного.
Тепловая связь пучка труб должна быть установлена с паровым объемом компенсатора (V3), для этого в последнем столбце «Эл-ты тепл. связи» необходимо указать значение 3, для каждого элемента канала.
На следующем рисунке приведено окно настройки модели трубного пучка ПН-1800 (см. Рисунок 5).
Рисунок 5. Специальный редактор свойств «Канала общего вида».
При необходимости, программный комплекс ТРР-6 позволяет учесть погружение части пучка в водяное пространство КО и изменение степени погружения пучка труб в водяное пространство от уровня воды в КО. Однако, в большинстве случаев при моделировании динамики турбоустановки, более подробная модель не требуется.
Моделирования номинального режима работы ПН-1800
Для проверки работы модель подогревателя ПН-1800 к входному порту «Канала общего вида» необходимо подключить элемент «Граничный узел G». В свойствах граничного узла указываем значение расхода и энтальпии воды соответствующие паспортным данным (см. Таблица 1).
На выходе из трубного пучка устанавливаем элемент 8103.dita давление, в котором соответствует давлению после ПНД, например 5 бар.
Внешний вид расчетной схемы приведен на следующем рисунке:
Рисунок 6. Расчетная схема теплообменного аппарата ПН-1800 в процессе расчета.
После короткого переходного процесса ~20 – 30 сек. Устанавливается стационарное состояние.
Из рисунка выше видно, что при заданных исходных параметрах (давление и температура пара, расход и температура воды) расчетная модель показывает хорошее приближение к паспортным данным.
Температура на выходе устанавливается на уровне 84.2 °С (Паспортные данные 81,3).
Перепад давления в трубной системе – 1 бар (Паспортные данные 11.5 м.вд.ст).
