В статье рассмотрены различные варианты организации охлаждения контейнерных дизельных электростанций (КДЭС). Проведено численное моделирование (CFD) движения воздушных потоков при разных схемах расположения приточных решёток. Полученные результаты позволяют оценить равномерность охлаждения оборудования и выявить причины перегрева в замкнутом объёме контейнера. На основе анализа сформулированы практические рекомендации для повышения надёжности систем охлаждения.
Введение
Контейнерные дизельные электростанции (КДЭС) применяются для автономного или резервного энергоснабжения в удалённых районах, на промышленных объектах и в строительстве. Их основными преимуществами являются мобильность, компактность и готовность к быстрому вводу в эксплуатацию.
Однако эксплуатация КДЭС сопряжена с проблемой отвода значительных тепловых потоков. При недостаточном охлаждении возрастает температура внутри контейнера, что ведёт к перегреву генератора, снижению эффективности работы дизельного двигателя и риску аварийных остановок. Для предотвращения подобных ситуаций необходимо тщательно проектировать систему вентиляции и охлаждения.
В данной работе с помощью CFD-моделирования исследованы различные схемы размещения приточных вентиляционных решёток и их влияние на распределение воздушных потоков и температурных полей внутри контейнера.
Конструктивно КДЭС состоят из:
Дизель-генераторная установка (ДГУ) — основной силовой модуль. В состав ДГУ входит дизельный двигатель, генератор электроэнергии и шкаф управления.
Контейнер — защитный кожух, обеспечивающий устойчивость к внешним воздействиям, а также шумо- и теплоизоляцию;
Система вентиляции и охлаждения — критически важный компонент для стабильной работы оборудования.
Методика исследования
Для моделирования принята дизель-генераторная установка (ДГУ) с тепловыделениями:
дизельный двигатель — 170 кВт;
электрогенератор — 80 кВт.
Таким образом, общая тепловая нагрузка составляет 250 кВт.
Вентилятор радиатора нагнетает воздух объемом 120 000 м³/ч. Также через 4 фильтра часть воздуха в размере 10 000 м³/ч отбирается на горение. Пульт управления и электрошкафы в модели не учитывались, чтобы сделать движение воздуха более наглядным.
Начнем с того, что любую систему нужно рассчитать «на бумаге» чтобы понять исходные величины: какие тепловыделения и какой объем воздуха с наружной температурой нужно подавать чтобы охладить установку.
Каких-то сомнений тут быть не может: если мы рассчитали, что для охлаждения 250 кВт оборудования нужно подавать 120 000 м3/ч воздуха с температурой 30°С и он нагреется на ∆t=6,4°C то на выходе из контейнера средняя температура действительно будет 36,4°C. Но в чем же проблема и почему установка перегревается, если мы все рассчитали правильно?
А проблема зачастую появляется после того, как все уже смонтировано и готово к вводу в эксплуатацию. Случаи бывают разные, но все их можно описать одинаково: локальная застойная зона с перегревом и неравномерность охлаждения. То есть в контейнере температура воздуха может быть одинаковой во всем объеме и равна 36,4°С, а может быть 30°С в одной части и 42°С в другой, но на выходе он смешается и даст те же самые 36,4°С что мы рассчитали.
Постановка задачи описана, теперь необходимо выделить основные параметры, по которым можно будет оценить эффективность схем:
Равномерность распределения температуры в объеме контейнера (равномерный продув всего контейнера)
Низкая и равномерная температура на поверхности радиатора (уличный воздух должен попадать на радиатор в достаточном количестве чтобы отводить теплоту жидкостного контура охлаждения)
Отсутствие застойных зон (уличный воздух должен отводить теплоту оборудования и сразу удаляться через выхлопную решетку без циркуляции внутри контейнера)
В расчетных моделях были приняты следующие схемы расположения приточных решеток:
Для каждого варианта были получены поля распределения температуры и подвижности воздуха.
Прежде чем приступить к анализу результатов численного моделирования, вы можете предположить свои варианты самых эффективных схем и места возможного перегрева.
Результаты моделирования решеток на одной стене:
При расположении решеток только на одной стене поток воздуха прижимается к противоположной стене и оборудование обдувается неравномерно, образуя застойную зону в нижней части. Кроме того, при малой площади приточных решеток возникает высокое аэродинамическое сопротивление для продувки всего контейнера и воздуху проще попасть внутрь через выхлопную решетку. Образуются обратные потоки возле радиатора и расход наружного воздуха через отведенные для него решетки уменьшается, хуже продувая весь контейнер.
Поскольку вентилятор радиатора находится в непосредственной близости к выхлопной наружной решетке, то воздух по кратчайшему пути будет подсасываться из нее (Рис.6). К сожалению, избавиться от эффекта обратной тяги не получится, но его можно минимизировать большим количеством/площадью приточных решеток.
*Решение по прижатию радиатора к выхлопной решетке и герметизации стыка должно быть согласовано с технологом для избежания аварийной ситуации.
Результаты моделирования решеток с двух сторон:
При расположении решеток друг напротив друга поток воздуха сливается в центре и равномерно проходит вдоль всего контейнера, эффективно охлаждая ДГУ.
Однако при расположении решеток в центральной и задней части контейнера в передней части происходит перегрев оборудования (генератора), поскольку воздух туда не попадает.
Аналогично первым расчетам, при малой площади приточных решеток будут возникать обратные токи воздуха на выхлопной решетке. Но при достаточном и порой даже избыточном количестве приточных решеток с двух сторон мы наблюдаем отличную картину – равномерное распределение температуры без намека на перегрев.
Хорошо себя показала схема 13: Решетки в передней части продувают воздух вдоль всего контейнера отводя тепло от ДГУ, а дополнительные решетки в задней части снижаю аэродинамическое сопротивление и обдувают радиатор холодным уличным воздухом эффективно охлаждая жидкостный контур. Однако здесь очень важно правильно подобрать размеры решеток, чтобы весь объем воздуха не попадал только на один радиатор (В передней части желательно поставить решетки больше, чем в задней)
По сути решетки в задней части выполняют функцию обратных токов, которые мы получали на выхлопной решетке - уличный воздух по наикратчайшему пути попадает на вентилятор радиатора. Но ставя решетки, мы исключаем смешения приточного и выхлопного воздуха, делая процесс охлаждения более контролируемым (Рис.7).
Единственным минусом расположения решеток на противоположных стенках можно назвать только то, что воздух поступает в большей степени в верхнюю часть контейнера: слияние потоков происходит под потолком и нижняя часть продувается хуже.
Результаты моделирования решетки на кровле:
Расположение приточной решетки на кровле контейнера весьма противоречивый вариант. С одной стороны, за счет того, что решетка на кровле располагается посередине, то поток воздуха всегда будет обдувать контейнер вдоль по всей длине без каких-либо отклонений потока в стороны. Но с другой стороны, форма оголовка очень сильно влияет на формирующийся поток воздуха (поток может прижиматься к полу или наоборот налипать и стелиться по потолку), но что самое опасное – при расположении решетки на кровле будет возникать застойная зона без воздухообмена в передней части контейнера, что может привести к перегреву генератора и шкафов с электрооборудованием.
Налипание потока на потолок или чрезмерное прижатие его к полу, кроме самой формы надстройки объясняется еще и высокими скоростями, которые возникают из-за малой площади сечения приточной решетки. Даже если мы сделаем одну огромную решетку, она будет сравнима с 1,5 – 2 решетками при расположении их на стенах (схемы 1-14). Также говоря о высоких скоростях в небольшом сечении решетки, не стоит забывать о том, что воздух проходит через сечение в перекрытии контейнера, которое ограничено расстоянием до выхлопной трубы. И увеличивая сечение решетки, часто забывают о сечении отверстия в самой кровле (Рис.10)
По результатам моделирования имеем следующее: качественный приток через кровлю организовать очень сложно, а решетки на стенах образуют спиральный поток если расположены на одной стене или если они расположены с двух сторон, то воздух сливается под потолком и обдувает лишь верхнюю часть контейнера.
И тут мы приходим к еще одному решению: приточные решетки не с горизонтальными ламелями, а с вертикальными. Теоретически они должны дать более равномерное затекание воздуха в контейнер, без задувания «под потолок».
Результаты моделирования решеток с вертикальными ламелями:
Также возникла идея совмещения крышной приточной решетки, которая бы продувала контейнер по длине и нескольких настенных решеток в передней части для обдува электрогенератора. Результаты представлены ниже:
По результатам моделирования решеток с вертикальными ламелями однозначно можно сказать, что воздух будет поступать более равномерно. Но нужно учитывать, что воздух будет затекать в контейнер под углом, в котором расположены ламели (в данном случае 45°С).
Заключение
Безусловно, одного универсального варианта схемы расположения решеток быть не может: каждый объект имеет разные мощности дизельных установок, расходы воздуха и расположение дополнительного электрического оборудования.
Но можно выделить основные пункты организации качественного охлаждения оборудования в контейнерном исполнении:
Количество и площадь приточных решеток должно быть в достаточном количестве чтобы аэродинамическое сопротивление не было высоким и вентилятор мог продуть воздух через весь контейнер.
Равномерности распределения температуры можно добиться только при небольших скоростях воздуха. По этой же причине решеток не должно быть мало
Не рекомендуется размещать решетки только на одной стене. Поток воздуха будет иметь большую скорость и прижиматься к противоположной стене.
Решетки следует устанавливать в начале контейнера чтобы при работе не возникало застойных зон. Если решетки будут размещены в середине контейнера, то высока вероятность перегрева электрогенератора.
Оборудование надстройки с приточной решеткой на крыше требует точных расчетов, поскольку направление потока воздуха будет сильно зависеть от формы этой надстройки. Рекомендуется комбинировать крышную решетку с несколькими настенными решетками в передней части контейнера.
Решетки с вертикальными ламелями будут более предпочтительны, поскольку они не загоняют воздух в верхнюю часть, а имеют равномерный по высоте расход воздуха.