Разработка математической модели системы высокотемпературных керамических теплообменников периодического действия

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания и освоения теплоэнергетических установок, в которых процессы выработки электрической энергии объединены с процессами газификации угля. Интерес к этому направлению объясняется большими природными запасами угля и минимальными вредными выбросами в атмосферу при сжигании газа, полученного в процессе газификации. Как правило, для улучшения качества процесса газификации используется обогащение воздуха кислородом, что весьма дорого. Альтернативным способом повышения калорийности генераторного газа является подача нагретого до высокой температуры (более 1500 °С) воздуха в газогенератор. Подогрев до такой температуры в трубчатых рекуперативных теплообменниках невозможен. Единственный реальный способ нагрева воздуха до указанного уровня температур - это его подогрев в регенеративных теплообменниках периодического действия с керамической засыпкой. Цель исследования: создание математической модели системы керамических теплообменников периодического действия для получения высокотемпературного воздуха и пригодной для использования в оптимизационных расчетах ПГУ с газификацией угля. Методы. Используется подход, основанный на применении условия стационарности, состоящего в том, что температуры слоев керамических шаров в начале стадии нагрева должны быть равны этим же температурам в конце стадии охлаждения. Такой подход позволяет учесть зависимость теплоемкости и коэффициента теплопередачи от температуры без значительных затрат вычислительных ресурсов. Результаты. Разработана математическая модель системы регенеративных теплообменников периодического действия с керамической шаровой засыпкой, позволяющая моделировать процесс нагрева воздуха до высоких температур. С помощью разработанной математической модели проведены расчеты. Определено, что увеличение числа пар теплообменников в системе с двух до шести приводит к уменьшению колебаний температур теплоносителей в 6,25 раз. Показано, что при рассмотренных исходных данных увеличение числа пар теплообменников выше 10 не приводит к значительному снижению колебаний температур на выходе.

The relevance of research is conditioned by the need to create and develop heat power plants, in which the processes of electric power generation are combined with the processes of coal gasification. Interest in this direction is explained by large natural reserves of coal and minimal harmful emissions into the atmosphere during the combustion of gas obtained during gasification. As a rule, to improve the quality of gasification, air enrichment with oxygen is used, which is very expensive. An alternative way to increase the calorific value of the generator gas is to supply air heated to a high temperature (more than 1500 °C) into the gasifier. Heating to this temperature in the tubular recuperative heat exchangers is not possible. The only real way to heat the air to the specified temperature level is to heat it in the regenerative heat exchangers of batch operation with ceramic backfilling. The aim of the study is to develop a mathematical model of a system of periodic ceramic heat exchangers for obtaining high-temperature air and suitable for use in optimization calculations of combined-cycle gas turbines with coal gasification. Methods. The authors applied the approach based on the use of the stationarity condition. The latter consists in the fact that the temperatures of the ceramic ball layers at the beginning of the heating stage should be equal to these temperatures at the end of the cooling stage. This approach allows us to take into account the dependence of heat capacity and heat transfer coefficient on temperature without significant expenditure of computing resources. Results. The authors developed the mathematical model of a system of regenerative batch heat exchangers with a ceramic ball filling, which allows simulating air heating to high temperatures. With the help of the developed mathematical model, calculations were made. It is determined that increase in the number of pairs of heat exchangers in the system from two to six leads to decrease in the temperature variations of the coolant by 6,25 times. It is shown that, with the initial data considered, the increase in the number of pairs of heat exchangers above 10 does not lead to a significant decrease in temperature fluctuations at the outlet.