A numerikus áramlástan néhány energetikai alkalmazása

Dr. Kristóf Gergely, Varga Lajos, Kapás Nimród

A szerzõk példákkal igazolják, hogy a számítástechnikai eljárások – numerikus módszerek – a gyakorlatban milyen jól használhatók az energetika területén.

Some impressive examples are presented by the authors for applications of numerical methods in energetic.

1. Bevezetés

Az elmúlt években az áramlások numerikus szimulációja, számítása területén rendkívül gyors fejlõdésnek lehettünk tanúi. Ez a fejlõdés tette lehetõvé, hogy az áramlástan alapegyenleteinek: a tömeg-, az impulzus- és az energia-megmaradást kifejezõ kontinuitás, mozgás- és energiaegyenlet, valamint egyéb mennyiségek (turbulencia, vegyi anyagok, szilárd szemcsék) transzportegyenleteinek numerikus megoldására épülõ szoftvereket eredményesen lehet alkalmazni gyakorlati feladatok megoldására.

Az áramlások rohamosan terjedõ numerikus szimulációja lehetõvé teszi az áramlási, hõátviteli folyamatok és kémiai reakciók megbízható számítását. A CFD (Computational Fluid Dynamics) kódok egyik legfontosabb alkalmazási területe az energetika. Az 1. ábrán látható, hogy egy erõmû mely részeinek tervezésénél, üzemeltetésének optimalizálásánál használják különösen gyakran a numerikus szimulációt.

Az igen hatékony, korszerû numerikus áramlástani kódok gyakorlati alkalmazása hazánkban a Magyar Tüzeléstechnika Kft. jóvoltából az energetika területén kezdõdött meg, és ezen a területen terjed a leggyorsabban. A Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszéke több korszerû szoftver kipróbálása után a világviszonylatban piacvezetõ FLUENT véges térfogat alapú szoftver alkalmazása mellett döntött: ezt a szoftvert oktatja és használja ipari konzultációs tevékenységében.

2002. december 10-én az Áramlástan Tanszék Áramlások numerikus szimulációjának alkalmazása az energetikában címmel szemináriumot rendezett. E közlemény célja a numerikus áramlástan potenciáljának bemutatása a szemináriumon elhangzottak összefoglalásával. A rendezvényen az Áramlástan Tanszék, az EGI, a Magyar Tüzeléstechnika Kft. az ERBE és a Transelektro tapasztalatairól hangzottak el elõadások.

2. A numerikus módszerek

A numerikus szimuláció alapja az, hogy a vizsgált áramlási teret felosztjuk apró térfogatrészekre, cellákra, és ezek segítségével állítjuk elõ a deriváltakat. Az általunk alkalmazott FLUENT szoftver a véges térfogatok elvén mûködik, melynek alapvetõ tulajdonsága, hogy a fent említett egyenleteket integrál és konzervatív formában oldja meg. Ezen a módon a kis térfogatú cellák falain egyszerûen ellenõrizhetõvé válik a be- és kilépõ tömeg-, illetve impulzusáram mennyisége. A fluxusok ily módon való kezelése biztosítja egyben azt is, hogy a megmaradó mennyiségeket csak kis numerikus hiba terhelje. Ezt a módszert e kedvezõ tulajdonsága miatt széles körben alkalmazzák a numerikus áramlástan területén.

Jelentõs nehézséget jelent azonban a turbulencia jelenségének figyelembe vétele, ugyanis a turbulens sebességingadozások frekvenciájának skálája igen széles, vagyis a turbulens áramkép struktúrák, örvények mérete nagy tartományt fog át. Mindez szükségessé tenné, hogy az áramlást leíró differenciálegyenleteinket nagyon finom felosztású hálózat segítségével oldjuk meg. Ez a jelenlegi módszerek és számítógép kapacitások mellett nem alkalmazható gazdaságosan, így a turbulenciát modellezni kell. A turbulencia modellek jelenleg a Reynolds-féle látszólagos feszültségek kiszámítására irányulnak, amelyet többféle módon végeznek el. A jelenleg elérhetõ turbulencia modellek közül egyik sem mondható általános érvényûnek, így a modellezendõ jelenség tulajdonságai alapján kell eldöntenünk, hogy melyik utat választjuk ennek az igen fontos áramlási jellemzõ hatásának figyelembe vételére.

A FLUENT szimulációs rendszerrel az áramlástani és hõtani problémák széles körét lehet megoldani:

A numerikus elemzés lépései az alábbiak:

3. Áramlás számítása kazánokban

3.1. Széntüzelésû kazán NOx kibocsátásának csökkentése

Az ERBE ENERGETIKA Kft. nagy hangsúlyt fektet a korszerû számítógépes szoftverek energetika területén történõ alkalmazására. Ezek közül ebben a cikkben a FLUENT szoftver sikeres alkalmazását mutatjuk be az Oroszlányi Erõmû 2. számú kazánja NOx kibocsátásának csökkentésében.

Közismertek az NOx káros környezeti hatásai, illetve azok a környezetvédelmi okok, amelyek miatt a szénerõmûvek szennyezõanyag kibocsátásánál a szilárd szennyezõk és a kéndioxid mellett a nitrogén-oxidok emisszióját is vizsgálnunk kell.

Az adott széntüzelésû kazán esetén a fejlesztés célja a kazán kiinduló esetben mért 500 mg/m3 NOx kibocsátásának 400 mg/m3 alá történõ csökkentése volt.

A fejlesztési munkát újszerû megközelítéssel végeztük el. Az alkalmazott módszerben szorosan összefonódik az elméleti összefüggések feltárása, a számítógépes modellezés a jellemzõ fizikai, kémiai, hõtani és áramlástani összefüggések figyelembe vételével, valamint a számított eredmények kísérletekkel történõ ellenõrzése.

A fejlesztési munkát FLUENT szoftverrel támogattuk, ami lehetõséget adott különbözõ NOx csökkentési alternatívák modellezés útján történõ összehasonlítására. (A FLUENT szoftverhez külön számítási kód tartozik, amely a numerikus szimulációval meghatározott áramlási, égési, szénporszemcse mozgási és hõmérsékleti viszonyok mellett meghatározza a NOx-tartalmat.) A modellezés alapján a legjobbnak ítélt megoldást választottuk ki, és a gyakorlatban is megvalósítottuk azt.

A 2. ábra mutatja a javasolt tüzelési változat esetén az égõk síkjában számolt hõmérséklet eloszlást, amely a három-égõs üzemnek megfelelõ aszimmetriát tükröz. Az ábra színezése a hõmérsékletnek felel meg a bal oldali °C dimenziójú skálának megfelelõen. Az ábrán nyilakkal jelöltük a mûködõ égõk befúvási tengelyét, és azt a képzeletbeli kört, amelyet ezek a tengelyek érintenek. A lángstruktúra felülnézetben az óramutató járásának megfelelõ irányban forog. Az 1. égõ lángját a 4. égõ hideg levegõ-csóvája kényszeríti még nagyobb szögû elhajlásra, amely egyrészt csökkenti a térrész hõmérsékletét, másrészt oxigénnel táplálja azt. A 2. égõ lángját az 1. égõ lángja hajlítja el, és egyben fel is melegíti, így a helyi maximális hõmérséklete magasabb, mint az elõzõ láng helyi maximális hõmérséklete. Ez a meleg füstgáz a 3. égõ lángját még jobban felmelegíti, így annak helyi maximális hõmérséklete még magasabb. A négyégõs üzem fényképével való összehasonlításban a modellezett hõmérséklet eloszláson jól látható a 4. égõ lángjának hiánya.

A Fluent program lehetõséget nyújt a szénszemcsék nyomon követésére az égés során, így a valóságos esetet jól közelítõ lángstruktúrát kapunk. Az 1. égõbõl kilépõ szénszemcsék pályáját láthatjuk a 3. ábrán. A pályát alkotó görbék színezése arra utal, hogy a szénszemcse az adott pontba a belépéstõl számítva mikor kerül (tartózkodási idõ másodpercben). A 4. ábra a kazán függõleges szimmetria síkjában, illetve az égõk síkjában mutatja a keletkezett NOx mennyiségét.

Több lehetséges NOx csökkentési változat kiszámítása és értékelése után választott megoldás egy speciális arányban megosztott levegõ bevezetés volt, amely az adott kazán esetében nem igényelte a kazán átalakítását, sõt még annak leállítását sem: csupán a mûködési paraméterek megfelelõ összehangolására volt szükség a felvett beállítási listának megfelelõen. A kitûzött célt így pótlólagos beruházási költség nélkül lehetett elérni. (Megjegyezzük, hogy a kazán egyetlen hétvégére történõ leállása körülbelül 50 MFt bevétel kiesést eredményezett volna az üzemeltetõnek.)

A kazán paramétereinek összehangolását a szabályozási algoritmusba beprogramozva a kazán alacsony NOx kibocsátású üzemre való átalakítása gyakorlatilag befejezõdött. A hivatalos mérési rendszerrel történõ mérés során bebizonyosodott, hogy a kazán NOx kibocsátását sikeresen csökkentettük megfelelõ biztonsággal az elõírt határérték alá: 385 mg/m3-re, miközben a kazán hatásfoka nem csökkent, illetve a CO kibocsátás is az elõírt határérték alatt maradt.

kristof-02.JPG kristof-03.JPG kristof-04.JPG

3.2. Hõhasznosító kazán fejlesztése

Széles körben alkalmazzák a hõhasznosító kazánokat, amelyeknél gyakori megoldás a gázturbinából kilépõ forró gáz hõmérsékletének megnövelése egy égõsorral (rátüzelés). A tervezés során figyelembe kell venni, hogy a gázturbinából viszonylag kis keresztmetszeten nagy sebességgel kilépõ gáz sebességét jelentõsen kell csökkenteni a hõátadó felületekig. Az áramlás jelentõs mértékû lassítása különösen meghatározott hosszon igen nehéz feladat, ugyanis számolni kell a határréteg leválásával, kis sebességgel és visszaáramlással jellemezhetõ leválási buborék keletkezésével. További követelmény, hogy a sebesség csökkenésnek egyenletesnek kell lennie, ellenkezõ esetben kedvezõtlen égési kondíciókkal és helyi túlmelegedések káros hatásával kell számolni. A numerikus áramlástan eddig nem ismert lehetõségeket biztosít a fejlesztési elgondolások hatásának megbízható elõrejelzésére, a jó üzemi paraméterek elérésére, és ezáltal jelentõs idõ- és költségmegtakarítást eredményez. Ezért a Transzelektro Rt. felkérésére az Áramlástan Tanszéken a FLUENT kód segítségével szimulálták a kazánban lejátszódó áramlási és hõátviteli folyamatokat.

Az 5. ábrán látható, hogy az eredeti kivitel esetén (a. kép) a határréteg leválása a diffúzor felsõ részén egy leválási buborék kialakulását eredményezte, ami miatt a hõcserélõbe lépõ közeg hõmérséklete felül kisebb lett, mint a keresztmetszet többi részén. A vezetékek és a diffúzor kis módosításával a határréteg leválás megszüntethetõ, a hõmérséklet megoszlás egyenlõtlensége pedig csökkenthetõ a diffúzorban (b. kép). Tovább javíthatók az áramlási sajátosságok terelõelemek alkalmazásával a diffúzor elõtt (6. a. ábra).

A 6. b. és c. ábrán látható, hogy a terelõlapátok alkalmazásával sokkal egyenletesebbé vált a sebességmegoszlás a rátüzelés égõinek síkjában. Ennek is köszönhetõen a terelõlapátok alkalmazásával még egyenletesebb lett a sebesség- és hõmérsékletmegoszlás (ld. 7. a. és b. ábra, ahol a maximális hõmérséklet különbség 62 [K]).

A fentieken túlmenõen a FLUENT lehetõséget ad a kazánokban a szén és a pernye szemcsék mozgásának leírására, és ezzel a kopásnak kitett felületek meghatározására, ill. a módosítások kopásra gyakorolt hatásának elõrejelzésére. A FLUENT további jellegzetes felhasználási területe az égõk fejlesztése.

4.    A numerikus szimuláció áramlástechnikai gépek és berendezések fejlesztésében

A FLUENT kód igen alkalmas az áramlástechnikai gépekben lejátszódó folyamatok meghatározására, és ezáltal berendezések optimalizálására.

Példaként a 8. ábrán látható egy gõzturbina fokozatban kialakuló áramlás numerikus szimulációjánál alkalmazott numerikus háló, a sebességvektorok és az abszolút rendszerben az össznyomás megoszlás. A terelõlapátok között az össznyomás a várakozásoknak megfelelõen állandó, a forgórész lapátjai mentén pedig csökken. A 8. c. ábrán jól megfigyelhetõ a lapátok felületén keletkezõ határréteg leúszása (csökkent össznyomású sávok).

A 9. ábrán egy radiális szivattyú numerikus szimulációjának egyik eredménye látható: a számítási tér (a. kép) és nyomásmegoszlás a csigaházban forgó járókerékben és környezetében (b. kép). A szimuláció eredményeit összehasonlítva a sebességmegoszlás mérésekkel (PIV) jó egyezést kaptunk.

kristof-5 kristof-06.JPG kristof-07.JPG kristof-8

A FLUENT igen jól használható csõvezetékekben, csõidomokban, csatornákban lévõ áramlás jellemzõinek meghatározására. Különösen gyakran használják elektrofilterekben, ciklonokban az áramlás és a porszemcsék mozgásának leírására, hõcserélõk méretezésére, ill. mûködésük ellenõrzésére, hiszen lehetõvé teszi a teljes hõátviteli folyamat számítását, optimalizálását.

5. Hûtõtornyok fejlesztése

Az EGI Energiagazdálkodási Rt.-nél folyó hûtõtorony fejlesztésben és tervezésében jól bevált a FLUENT alkalmazása.[1][2] A Heller-rendszerû hûtõtornyoknál az áramlás numerikus szimulálásával optimalizálták a hûtõdeltákban kialakuló áramlási és hõátadási viszonyokat. Ennek során meghatározták a hûtõoszlopon a sebességmegoszlás és hõátadás egyenletességének függését a geometriai paraméterektõl. A FLUENT segítségével végzett modellezéssel vizsgálni lehetett a vasbeton szerkezetû hûtõtorony áramlás- és hõtechnikai sajátosságait. A 10. ábrán a hûtõtorony környezetében látható a sebesség nagyságának eloszlása 0.3 m/s és 6 m/s szélsebesség esetén.

A 11.a. ábrán a hûtõtorony széliránnyal párhuzamos szimmetriasíkjában látható az áramlási sebesség megoszlása. Jól látható a hûtõtorony elõtt és mögött kialakuló kis sebességû régió, és a szél miatt felgyorsuló áramlás a kilépõ keresztmetszet szél alatti oldala közelében. A 11.b. ábrán a szélirányra merõleges síkban látható a sebességmegoszlás. Jól látható az áramlás felgyorsulása (és a nyomás csökkenése) a hengeres fal megfúvásra merõleges része közelében.

A 12. ábra a sebesség- (a.) és a nyomásmegoszlást (b.) mutatja a hûtõtorony körül 150 m magasságban 6m/s szélsebességnél. Az áramlás numerikus szimulálásával vizsgálták a szél hatását a hûtõtornyon átáramló levegõ mennyiségére. A számítási eredmények mérési eredményekkel való összehasonlítása jó egyezést adott.

6. Összefoglalás

A fenti példák alapján is megállapítható, hogy az áramlási és hõátviteli folyamatok szimulálása, amely magában foglalhatja a kémiai reakciók (égés, NOx-keletkezés stb.) számítását is az energetikai berendezések tervezésének, fejlesztésének igen hatékony eszköze. Lehetõséget ad a jelenségek megértésére, az áramlási, hõtani folyamatok részleteinek megismerésére, és ezáltal környezetbarát, jobb hatásfokú, hosszabb élettartamú, biztonságosabban üzemeltethetõ berendezések kifejlesztésére.

A szerzõk köszönetüket fejezik ki az Országos Tudományos Kutatási Alapprogram T 037 651 számú projekt támogatásáért.

kristof-11 kristof-10-1.JPG kristof-10.JPG kristof-11.JPG