СFD-моделирование при подборе промышленного оборудования: от качественной картины к экономической эффективности

Автор: Апицына О. С., инженер 1 категории ООО «Терма», к.т.н.

1. Введение: CFD как инструмент решения неочевидных задач

Методы вычислительной гидродинамики (CFD–Computational Fluid Dynamics) всё чаще применяются при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Возможность детального анализа структуры воздушных потоков, полей температуры и зон рециркуляции делает CFD-моделирование неотъемлемым инструментом при проектировании сложных объектов. Однако для промышленного оборудования, в частности воздушных теплообменных аппаратов (драйкулеров, воздухоохладителей), его использование пока остаётся скорее исключением, чем правилом. По опыту компании ТЕРМА, до 80% случаев подбора решаются стандартными методами с удовлетворительной точностью. 
При этом существует класс задач, где традиционные методы расчёта не дают однозначного ответа о характере течения воздуха. К таким задачам относятся:

• наличие локальных препятствий вблизи оборудования (перегородки, колонны, сетчатые ограждения);
• размещение аппаратов в стеснённых условиях (низкая кровля, приямок, замкнутые объёмы);
• взаимное влияние нескольких аппаратов в составе единой системы.

Именно такая задача возникла при подборе теплообменного оборудования Терма для одного из объектов: систему драйкулеров требовалось разместить в ограниченном пространстве технологического короба на кровле. Ключевой вопрос заключался в оценке риска рециркуляции нагретого воздуха на вход аппаратов, способной привести к снижению холодопроизводительности и потере мощности в пиковых режимах. Очевидно, что получить достоверный ответ в данном случае можно было только методами численного моделирования.

2. Постановка задачи: драйкулеры в ограниченном пространстве

На первом этапе были собраны и проанализированы все параметры размещения оборудования, чтобы оценить необходимость применения CFD-моделирования. Анализ показал, что условия монтажа можно охарактеризовать как «стесненные»:

• габариты короба — порядка 10×9 метров с высотой ограждающих стенок 2,7 метра;
• внутренний объем насыщен строительными конструкциями и локальными сопротивлениями: поперечные и продольные балки, а также решетка с крупной ячейкой (живое сечение более 90%);
• над решеткой предусмотрен открытый объем высотой 5 метров для свободного выброса воздуха.

При такой компоновке возникают два основных риска:

1. Рециркуляция: нагретый выброс от одного аппарата подсасывается на вход соседнего или этого же аппарата.
2. Аэродинамическое сопротивление: близость балок и стен искажает поля скоростей, снижая производительность вентиляторов.

Исходные параметры расчёта:

• температура окружающей среды (расчётный летний режим): +33°С;
• суммарная отводимая мощность от одного драйкулера: 686,8 кВт.

Ключевой искомой величиной являлся процент подмеса нагретого воздуха на вход аппаратов — именно он определяет реальную температуру на входе и, как следствие, эффективность теплообмена. Оценить этот параметр при сложной геометрии и взаимном влиянии аппаратов традиционными методами невозможно — необходим CFD-расчёт.

3. Методология: от простого к сложному

В первом приближении задачи была построена плоская симметричная модель, позволившая за один день получить упрощённую картину течения. Это дало возможность нашим специалистам:

• подтвердить наличие рециркуляции;
• оценить масштаб проблемы;
• наметить первые конструктивные решения, например установку разделительных элементов для снижения подмеса.

Однако для получения количественных оценок, необходимых для итогового подбора оборудования, плоской модели недостаточно — потребовалась полноценная трехмерная постановка.

Во втором приближении инженеры ТЕРМА построили трехмерную модель, включающую все значимые элементы: балки, решётку, внутренние объёмы градирен и теплообменники. Геометрия при этом намеренно упрощалась — телами являлся исследуемый объём воздуха, а все препятствия (балки, стены, корпуса аппаратов) задавались как пустоты. Такой подход позволил сосредоточиться на аэродинамике, не усложняя расчёт учётом теплообмена через стенки: при скоростях потока до 15 м/с влияние температуры ограждений на траекторию движения воздуха пренебрежимо мало.

Благодаря повторяемости конструктивных элементов и схемы размещения аппаратов, для анализа была выделена характерная ячейка из трёх рядом стоящих драйкулеров Терма. Такой фрагмент отражает все ключевые особенности течения: взаимное влияние соседних аппаратов, обтекание балок и взаимодействие с решёткой. Моделирование полной системы (более 25 аппаратов) не только потребовало бы неоправданных вычислительных ресурсов, но и не добавило бы новой информации — картина течения в каждой тройке повторяется.

Особое внимание уделялось построению расчётной сетки: в зонах, где ожидаются резкие изменения параметров потока (вблизи балок и вентиляторов), сетка намеренно сгущалась. Это позволяет корректно разрешать поля скоростей и давлений в областях с высокими градиентами. В остальном объёме, где течение более равномерно, использовалась более грубая сетка для экономии вычислительных ресурсов. Решётка и теплообменники моделировались как пористые тела с соответствующими коэффициентами сопротивления.

Граничные условия задавались следующим образом:

• открытые границы короба моделировались условиями, имитирующими свободное поступление воздуха снаружи (воздух может как входить, так и выходить в зависимости от направления потока);
• на вентиляторах задавался массовый расход воздуха — 50 кг/с на каждый аппарат, с учётом поправок на изменение плотности;
• теплообменникам задавалась отводимая мощность 686,8 кВт, при этом принималось допущение, что вся теплота от жидкости передаётся проходящему воздуху.

Расчёт выполнялся в программном комплексе ANSYS CFX. Уже на этапе построения модели были выявлены первые возможности для улучшения: например, изначально прямоугольные балки, создающие зоны завихрений, были заменены на элементы с полукруглыми очертаниями, что позволило снизить локальные потери.

4. Результаты: от качественных картин к количественным оценкам

На рисунке 4 представлен результат CFD-моделирования, демонстрирующий структуру воздушных потоков. Визуализация позволяет оценить неравномерность поля скоростей, вызванную наличием балок: отчётливо видны зоны завихрений и замедления потока, влияющие на равномерность забора воздуха аппаратами. Хорошо заметён также эффект «слипания» струй — из-за разницы давлений создаётся разрежение, и соседние потоки притягиваются друг к другу. Дополнительное представление о динамике процесса даёт видео, на котором эти эффекты показаны в развитии.

Оценка рециркуляции

Для расчёта процента подмеса анализировались температуры на входе в наиболее критично расположенный (средний) теплообменник. Согласно результатам моделирования, средняя температура воздуха на входе составила 37,1 °С при уличной температуре +33 °С. Таким образом, в данных стеснённых условиях 24,3% воздуха, поступающего на вход драйкулеров, составляет нагретый выброс, и только 75,7% — свежий воздух. Сравнение с вариантом без разделительных элементов показало, что их установка снижает подмес на 5%, что напрямую влияет на эффективность работы оборудования.

Влияние на подбор оборудования Терма

Полученное значение подмеса было использовано для уточнения необходимого количества аппаратов. Расчёт показал, что с учётом рециркуляции для обеспечения требуемой холодопроизводительности необходимо 25 драйкулеров. При этом в коробе возможно разместить до 26 единиц, что создаёт 4-процентный запас мощности — рекомендуемое решение для гарантии работоспособности в пиковых режимах. Дополнительно были получены значения потерь давления на теплообменниках и решётке, что позволило уточнить подбор вентиляторов.

В ассортименте драйкулеров Терма представлено более 30 моделей с количеством вентиляторов от 1 до 22. Для данного проекта, с учётом стеснённых условий размещения, были предложены V-образные сухие градирни серии SVDA. Это мощные промышленные модели с высокой единичной производительностью. Оборудование способно обеспечить эффективный отвод тепла даже при высоких нагрузках, оставаясь при этом одним из самых компактных решений за счёт специальной V-образной компоновки теплообменного блока.

Высота аппаратов составляет всего 1665 мм, каждый оснащён пятью вентиляторами, расположенными в один ряд. Такая компоновка позволила разместить их в ограниченном пространстве короба и слегка приподнять над уровнем пола для организации дополнительного подсоса воздуха снизу, что также положительно сказалось на снижении влияния рециркуляции.

5. Выводы: практическая и экономическая ценность CFD-моделирования

Рассмотренный кейс демонстрирует практическую ценность CFD-моделирования при подборе промышленного оборудования. Ключевой результат — количественная оценка рециркуляции (24,3%), которая напрямую повлияла на итоговую комплектацию: вместо гипотетических 23 аппаратов (в идеальных условиях) потребовалось 25, с рекомендуемым резервом до 26 единиц.

Без моделирования возможны два сценария: занижение количества аппаратов (риск невыхода на мощность в пике) либо избыточный запас «на глаз» (неоправданное удорожание). В данном случае расчёт позволил найти оптимальное решение, обеспечив баланс между надёжностью и экономической эффективностью.

В практике компании ТЕРМА, CFD применяется для трёх типов задач:

• оценка рециркуляции в стеснённых условиях;
• расчёт аэродинамического сопротивления элементов для подбора вентиляторов;
• оптимизация совместного размещения нескольких аппаратов.

Таким образом, численное моделирование выступает не просто инструментом визуализации, а средством обоснованного принятия инженерных решений ТЕРМА, влияющих на стоимость и работоспособность проекта.