Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ предметной области и постановка задач исследования 8
1.1 Объекты и область исследований 8
1.2 Цель и задачи работы 17
2 Теоретическое обоснование экспериментальных методов определения теплогидравлических характеристик трубных пучков 18
2.1 Анализ факторов, определяющих эффективность поверхности теплообмена 18
2.2 Оценка эффективности теплогидравлических характеристик суперплотных трубных пучков 34
2.3 Выводы по главе 2 39
3 Синтез структуры информационно-измерительной системы 40
3.1 Общие принципы построения системы измерений 40
3.2 Обоснование выбора датчиков для информационно-измерительной системы 46
3.3 Организация вычислительного процесса получения уравнений подобия 53
3.4 Моделирование трубных пучков 57
3.5 Разработка экспериментальной установки 63
3.6 Описание структуры информационно-измерительной системы 68
3.7 Выводы по главе 3 72
4 Метрологический анализ информационно-измерительной системы 75
4.1 Анализ погрешностей прямых измерений параметров трубного пучка 75
4.2 Погрешности косвенного измерения параметров трубного пучка
4.3 Выводы по главе 4 83
5 Расчетно-экспериментальное исследование внешнего обтекания трубных пучков 84
5.1 Гидродинамика и теплообмен в обычных трубных пучках 84
5.2 Гидродинамика и теплообмен в суперплотных трубных пучках 100
5.3 Гидродинамика в байпасной перетечке 109
5.4 Исследование теплогидравлических характеристик воздухоподогревателей ГТУ 116
5.5 Выводы по главе 5 117
Основные выводы и результаты работы 120
Список литературы
- Оценка эффективности теплогидравлических характеристик суперплотных трубных пучков
- Обоснование выбора датчиков для информационно-измерительной системы
- Погрешности косвенного измерения параметров трубного пучка
- Гидродинамика и теплообмен в суперплотных трубных пучках
Введение к работе
Современные тенденции развития газотранспортной системы России, связанные с увеличением дальности транспорта газа и мощности газовых потоков, сооружением и эксплуатацией компрессорных станций в сложных природно-климатических условиях, вынуждают эксплуатирующие организации повышать требования к надежности и экономичности оборудования на газопроводах. Основу компрессорного парка (77,6%) газовой промышленности Российской Федерации составляют газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с газотурбинными установками (ГТУ). Технический уровень ГПА оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели транспорта природного газа, так как на работу газотурбинной установки ГТУ затрачивается 5-10% транспортируемого газа.
В последнее время широкое распространение получили также ГТУ, предназначенные для выработки тепловой и электрической энергии, это так называемые газотурбинные ТЭЦ, производимые, в том числе и крупнейшей в России группой предприятий энергетического машиностроения «Энергомаш». По планам масштабного проекта компании «Энергомаш» до 2015 г должно быть построено и введено в эксплуатацию порядка 1000 газотурбинных ТЭЦ единичной мощностью 9 МВт.
Одним из путей энергосбережения, как при транспортировке газа, так и при выработке тепловой и электрической энергии является снижение эксплуатационных затрат, т.е. уменьшение расхода топливного газа на ГТУ. Снизить расход топливного газа позволяет повышение к.п.д. ГТУ за счет применения регенеративного цикла. Утилизация тепла уходящих газов происходит в теплообменных аппаратах: регенеративных воздухоподогревателях. Уходящие газы отдают часть своего тепла воздуху, сжатому в компрессоре и поступившему в камеру сгорания. Достигнутый в настоящее время уровень к.п.д. ГТУ для ГПА составляет порядка 29% при предельном его значении до 42%.
Поэтому при проектировании воздухоподогревателей газотурбинных установок возникает проблема оценки эффективности теплообменной поверхности.
Причем точность и достоверность используемых при этом данных по теплообмену и гидродинамике во многом определяет успешную реализацию проектных требований к теплообменному аппарату.
Применение существующих методик расчета и экспериментальных данных при проектировании не обеспечивает достижения желаемой эффективности поверхности теплообмена с произвольными геометрическими параметрами.
Для решения поставленной задачи целесообразно объединить методы экспериментального исследования и методы численного моделирования в единый процесс. В таком случае существенно увеличивается информативность расчетно-экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики поверхностей теплообмена и появляется возможность получать более достоверные данные об этих процессах. Однако априорное применение методов численного моделирования без соответствующего экспериментального подтверждения с целью получения зависимостей по теплообмену и гидродинамике при произвольных параметрах поверхностей теплообмена не гарантирует достижения приемлемой точности в силу существенной нелинейности изучаемых процессов, необходимости варьирования при выполнении расчетов параметрами дискретизации и моделью турбулентности. Наличие достоверных экспериментальных данных для рационального решения вопросов дискретизации расчетной модели, задания граничных условий и модели турбулентности является залогом успешной реализации расчетно-экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики. Погрешность получаемых таким образом основных параметров теплообменной поверхности, в первую очередь, будет определяться возможностями соответствующей информационно-измерительной системы. Совмещая результаты ограниченного количества экспериментов, используемых в качестве опорных, можно осуществлять корректирование плана эксперимента, детализацию процессов теплообмена и гидродинамики для конкретных поверхностей теплообмена, то есть фактически переходить от интегральных характеристик исследуемых процессов к локальным распределениям полей скоростей и температур.
Таким образом, получение точных и достоверных данных о процессах теплообмена и гидродинамики поверхностей теплообмена путем совмещения экспериментальных исследований и методов численного моделирования с целью достижения более высоких технических (массогабаритных) и экономических показателей проектируемых воздухоподогревателей является актуальной задачей.
Настоящая работа является частью экспериментальных исследований и результатов численного моделирования, выполненного соискателем для модификации разрабатываемых и изготавливаемых компанией «Энергомаш (ЮК) Лими-тед» воздухоподогревателей ГТУ.
Апробация работы выполнена путем использования полученных данных о процессах теплообмена и гидродинамики в конструкциях модифицированных воздухоподогревателей для ГТУ ТЭЦ 009, ГПА ГТК-10-4 серийно изготавливаемых компанией «Энергомаш (ЮК) Лимитед».
Тесное сотрудничество с работниками Инженерного центра компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» А.Б. Таракановым, А.В. Кравцовым, СВ. Рязановым помогло решить многие поставленные задачи. Большую помощь в методической постановке экспериментальных исследований оказал д.т.н., профессор Б.В. Суда-рев. Непосредственное участие в проведении экспериментов принимала группа специалистов Инженерного центра компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» под руководством В.И. Старшинова и Д.В. Самсонова. В целом работа выполнена под научным руководством д.т.н., профессора А.В. Чернова.
Научная новизна состоит:
В результатах исследований, проведенных на основе использования информационно-измерительной системы, позволивших осуществить количественное описание процессов теплоотдачи- и гидродинамики уравнениями подобия (Ей = /(cr,,^,Re) и Nu = /(о-,,ср,Re,Рг)) при внешнем обтекании трубных пучков определенной конфигурации в диапазоне чисел Рейнольдса 4000 - 12000 с относительной среднеквадратической погрешностью от ±3,56 до ±10,1 %..
В синтезе структуры информационно-измерительной системы, содержащей помимо измерительных каналов блоки программных средств численного мо-
__ ..-7-
делирования процессов теплоотдачи и гидродинамики, позволяющие корректировать план эксперимента в зависимости от числа Рейнольдса и соответствия экспериментальных и теоретических результатов.
3. В разработке метода расчетно-экспериментальной оценки величины бай-пасного расхода, основанного на решении системы нелинейных уравнений для распределения потоков с учетом конструктивных особенностей трубной системы.
На защиту выносится:
Расчетно-экспериментальное исследование характеристик теплообмена и гидродинамики (в соответствии с уравнениями подобия M = /(<7,,^,Re) и Ми = /(Cj,^,Re,Pr)) при внешнем обтекании фрагментов трубных пучков для режимов течения, характерных для газотурбинных установок.
Уравнения подобия гидродинамики и теплообмена, полученные численным моделированием и прошедшие практическую апробацию при расчетно-экспериментальном исследовании трубных пучков воздухоподогревателей ГТУ.
Структура информационно-измерительной системы, обеспечивающая получение необходимых уравнений подобия с относительной среднеквадратической погрешностью косвенного измерения основных параметров исследуемых фрагментов трубных пучков от ±3,56 до ±10,1%.
Алгоритм обработки информационно-измерительной системой результатов измерений основных параметров гидродинамики и теплообмена при обтекании трубных пучков.
_ ___ -8-- - ~
Оценка эффективности теплогидравлических характеристик суперплотных трубных пучков
Идея использования суперплотных пучков труб предложена в работе А.У. Липеца [23]. Их применение обусловлено стремлением уменьшить массогабарит-ные характеристики теплообменных аппаратов и снизить затраты мощности на проталкивание теплоносителей по их трактам.
Суперплотные пучки, относительные шаги в которых находятся в диапазоне 1 сг, 1,1 , ранее практически не использовались в теплообменных аппаратах не только из-за технологических трудностей, но и в связи с дефицитом опытных данных по теплоотдаче и аэродинамическому сопротивлению таких пучков. Этот дефицит частично восполнен исследованием ЦКТИ, выполненным на двух пяти-рядных пучках гладких труб с относительными шагами сг, = 1,05 и 1,1 [24]. Наружный диаметр труб этих пучков составлял dH= 56,5 и 54,3мм. Исследование выполнено методом полного моделирования при обеспечении практически неизменной температуры стенок труб. Диапазоны изменения чисел Рейнольдса, рассчитанных при средних скоростях иг в узких сечениях пучка, средних температурах воздуха tf и наружному диаметру труб, составили 15 10 Re 35 10 для пучка при т, = 1,1 и 20 10 Re 55 10 для пучка при ст, = 1,05 (рисунок 2.12).
Опытные данные работы по теплоотдаче удовлетворительно согласуются с аналогичными, полученными В.И. Величко и др. [25] для пучка с ах = 1,05. Теп -36-лоотдача в пучке с большим относительным шагом (cr, = 1,1) оказалась существенно выше, чем при сг, = 1,05. Уровень чисел Нуссельта близок к таковому для менее тесного пучка, исследованного Стасюковичусом И.К. и Самашкой П.С. [27].
Все экспериментальные исследования теплоотдачи в тесных пучках выполнены в зоне чисел Рейнольдса, существенно превышающих значения этих чисел, реализуемых в воздухоподогревателях ГТУ на номинальных режимах эксплуатации. Поэтому ни одну из полученных эмпирических формул недопустимо применять для расчета воздухоподогревателей.
Несмотря на ограниченность опытных данных по теплоотдаче в тесных пучках труб в работе [24] высказано предположение, что с уменьшением шага труб в пучке начиная с некоторого момента сг, 1,4, судя по приведенному графику (рисунок 2.14), возможен рост теплоотдачи (числа Нуссельта).
С другой стороны, с ростом сг, начиная от величин сг, = 1,02 - 1,05, по мнению авторов [24], теплоотдача также должна возрастать, так как увеличивается доля теплообменной поверхности трубки пучка, омываемая с высокой скоростью струи воздуха. Предполагаемый рост числа Нуссельта при увеличении сг, (а, 1,02) и при уменьшении т, (сг, 1,3) позволил авторам работы [24] высказать предположение об оптимальности суперплотных трубных пучков при сг, = 1,1 - 1,2 с точки зрения повышения теплоотдачи.
Оценить энергетическую эффективность таких пучков из-за существенного разброса данных (рисунок 2.15) авторами работы [24] не удалось. Однако общий вывод об энергетической оптимальности таких суперплотных пучков авторами работы [24] сделан. Именно этот вывод послужил веским обоснованием целесообразности использования суперплотных пучков в воздухоподогревателе РВП-2200-01 (рисунок 2.2), где необходимо иметь высокую теплоотдачу при ограниченных затратах энергии на проталкивание теплоносителей через теплообменный аппарат.
По своей структуре эти формулы не отличаются от приведенных выше и широко используемых зависимостей, имеющих ограничения, как по числу Рей -39-нольдса, так и по геометрии пучка, для которых необходимо экспериментальное определение численных значений коэффициентов формы трубного пучка и степени при числе Рейнольдса.
1. На основании выполненного анализа определены следующие факторы, влияющие на эффективность теплообменной поверхности при внешнем обтекании трубного пучка: - геометрические параметры теплообменной поверхности: поперечный т, и продольный т2 шаги расположения труб в пучке, наружный диаметр теплообменной трубы dH; - зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса (уравнениеподобия), г = /( r,, ,Re); - зависимость теплоотдачи (числа Нуссельта) от числа Рейнольдса и Пран-дтля (уравнение подобия), Nue = f(a{, ,Re,Pt,).
2. Выявлено, что в диапазоне работы воздухоподогревателей ГТУ по числу Рейнольдса (4000 Re 12000) отсутствуют экспериментальные данные и рас четные зависимости для оценки теплоотдачи в суперплотных трубных пучках.
3 Установлено, что существующие методы расчета коэффициента гидравлического сопротивления, теплоотдачи и байпасной перетечки, не позволяют однозначно и с необходимой погрешностью оценить указанные величины при любых геометрических характеристиках трубного пучка и режимах течения по числу Рейнольдса в диапазонах эксплуатации воздухоподогревателей ГТУ.
4 Обоснована необходимость проведения расчетно-экспериментального исследования внешнего обтекания трубных пучков определенной конфигурации с целью получения с необходимой точностью данных о процессах теплообмена и гидродинамики.
Обоснование выбора датчиков для информационно-измерительной системы
Рассмотрим особенности применения датчиков для разрабатываемой информационно-измерительной системы и используемых для измерения: - температур сред и элементов поверхностей экспериментального трубного пучка; - расходов сред; - давлений сред; - разности давлений. Измеренные величины абсолютного давления сред используются для вычисления их теплофизических свойств. Наиболее сильное влияние точность измерения давления сказывается при вычислениях теплоемкости воды и воздуха, а также плотности воздуха. Однако для квазистационарного процесса, каким является теплофизический эксперимент, практически без потери точности и целью снижения стоимости информационно измерительной системы, допустимо производить измерение давлений образцовыми пружинными манометрами модели 1227 [39]. В этом случае потребуется ручной ввод показаний манометров в компьютер в начале и конце эксперимента.
Для измерения разности давлений, используемой, как при измерении расхода сужающимися устройствами, так и при оценке коэффициента гидравлического сопротивления выбраны хорошо себя зарекомендовавшие преобразователи типа «Сапфир».
Причем для полной реализации принципов построения информационно-измерительной системы, измерение разности давлений предлагается осуществлять преобразователями типа «Сапфир-22МП» [39] с микропроцессорами моделей 2410, 2420, 2430 (рисунок 3.1). Преимущества использования преобразователей типа «Сапфир-22МП» в разрабатываемой информационно-измерительной системе заключаются в следующем. Датчики «Сапфир 22МП» имеют выходной токовый сигнал 4-20 мА и наложенный цифровой сигнал в стандарте HART. Датчики с поддержкой HART протокола обладают всеми свойствами аналоговых датчиков и в то же время могут быть интегрированы как в аналоговую, так и в цифровую систему управления имеют широкий набор дополнительных возможностей по удаленной настройке, диагностике и конфигурированию.
Применение микропроцессорной электроники в конструкции преобразователей «Сапфир-22МП» с помощью панели управления встроенной в электронные преобразователи позволило осуществлять непрерывную самодиагностику: - установку "нуля"; - контроль текущего значения параметров преобразователя; - контроль настройки параметров преобразователя; - настройку единиц измерения: Па, кПа, МПа, %; - настройку времени усреднения выходного сигнала (демпфирования): 0,5, 1,2,5,10,20 с; - настройку диапазона измерений (6 диапазонов измерений для дан ной модели); - для преобразователей, настроенных на любой диапазон, 0,1 Р/Ртах 1, можно путем смещения нижнего значения выходного сигнала получить, так на зываемый, эффект "электронной линзы", где: Р - настраиваемый предел измерений; Ртах - максимальный предел измерений для данной модели; - выбор прямой или корнеизвлекающей характеристики; - калибровку преобразователя.
Использование преобразователей «Сапфир-22МП» с цифровым выходным сигналом на базе интерфейса RS-485 позволяет осуществлять настройку параметров, управление и калибровку с помощью компьютера через модем RS-485/RS-232 (рисунок 3.10, 1-7520), что по протоколу Modbus дает возможность объединения в единую локальную сеть до 32 преобразователей. Для измерения расходов воздуха и воды применены стандартные сужающие устройства (диафрагмы), рассчитанные, изготовленные и аттестованные в соответствии с [40]. Этот метод рекомендуется использовать при следующих условиях [41]: - все сечение трубы должно быть заполнено измеряемой средой; - измеряемая среда должна быть незагрязненной и однофазной, так что при перепаде не происходит изменения ее фазового состояния; - поток в трубе должен быть турбулентным и установившимся, для чего до и после сужающего устройства должны быть линейные участки, в пределах которых отсутствуют местные сопротивления, такие как клапаны, изгибы трубопровода и пр.; - диаметр трубопровода должен быть не менее 50 мм.
При выполнении перечисленных условий градуировочная характеристика, связывающая перепад давления на сужающем устройстве с расходом, определяется расчетным путем. Это является важным достоинством данного метода измерения расхода, поскольку отпадает необходимость в использовании образцовых расходомерных установок, что особенно важно для таких сред как газ. К недостаткам этого метода измерения помимо, отмеченных выше требований к длине линейных участков и диаметрам относятся: значительная остаточная потеря давления; ограниченный диапазон рабочих расходов, составляющий (0,3-l)Gmax; высокая чувствительность к загрязнению измеряемой среды.
Изложенные требования учтены при разработке расходомерных участков воздуха (рисунки 3.2 и 3.3) и воды (рисунки 3.4 - 3.6), причем для уменьшения погрешности измерения должны проводиться на верхнем пределе каждого поддиапазона. Для измерения расхода воздуха предусматривалось четыре параллельных ветви, а для измерения расхода воды - две, в обоих случаях с возможностью проведения измерений в шести поддиапазонах.
Погрешности косвенного измерения параметров трубного пучка
К косвенным измерениям относятся измерение расходов воздуха и воды, а также параметров трубного пучка, полученных в результате теплофизического эксперимента. На рисунках 4.2 и 4.3 приведены зависимости перепада давления на сужающих устройствах, предназначенных соответственно для измерения расхода воздуха и воды, от величины расходов этих сред для сужающих устройств с различными модулями т и относительными диаметрами J8 (таблицы 4.4 и 4.5). Сужающие устройства (диафрагмы) были рассчитаны, изготовлены и метрологически аттестованы в соответствии с [40]. Погрешность измерения расходов тепло-обменивающихся сред выбранными сужающими устройствами оценивается не хуже ±3,1%. Расчет погрешности приведен в таблицах 4.4 и 4.5, где все обозначения рассчитываемых величин соответствуют [40].
Результаты вычислений Sf для параметров трубного пучка Ыиг, Re.,, к, аг и %, приведены в таблице 4.6, где дополнительно использованы следующие данные: F - полная поверхность модели, участвующая в теплообмене, принята равной 3,613 м2 (минимальная величина); к - коэффициент теплопередачи, при оценке принят равным 30 и 150 В/м град, соответственно при минимальном и максимальном расходе воздуха; -81 (вых_ Температура воды на выходе из модели, подогрев воды на основании расчетов принят равным 0,8 и 2,5 С, соответственно при минимальном и максимальном расходе воздуха; ff"- температура воздуха на выходе из модели, замеряемые в опыте, температура воздуха на основании расчетов принята равной 20 и 40 С, соответственно при минимальном и максимальном расходе воздуха; ав - коэффициент теплоотдачи по воде, по расчету принят минимальным и равным 2000, Вт/м град; Арг - замеренный перепад давлений (по воздуху) пучка, при оценке принят равным 5 и 300 Па для минимального и максимального расхода воздуха соответственно, Па; г- число рядов труб в пучке, принято минимальное значение - 4. Таблица 4.6 - Среднеквадратические оценки погрешности косвенных измерений параметров трубных пучков Параметр Датчик температуры поводе Расход G,, кг/с воздуха, Температура на входе, С Относительная средне воздуха, t воды,с квадратиче-ская погрешность, д\, % Мин. Макс. Мин. Макс Мин. Мин. Макс 1 Коэффициент теплопередачи к ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 5,93 3,98 ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 4,96 3,77 2 Коэффициент теплоотдачи по воздуху аг ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 5,54 4,05 ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 5,04 3,83 3 Число Нуссельта Nil, TXK1-2088 0,040 0,350 90 200 7 6,89 4,33 ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 6,06 4,13 4 Число Рейнольдса Re, ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 3,89 3,56 ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 3,89 3,56 5 Коэффициент гидравлического сопротивления г TXK1-2088 0,040 0,350 90 200 7 10,1 6,01 ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 10,1 6,01
Кроме того, при вычислениях составляющей погрешности измерения температуры воздуха при оценке относительных погрешностей косвенного измерения параметров трубного пучка, учитывалось ее уменьшение пропорционально корню квадратному их общего количества индивидуальных измерительных преобразователей.
Таким образом, разработанная система измерений обеспечивает средне-квадратическую погрешность косвенного измерения основных параметров исследуемых трубных пучков в пределах от ±3,56 до ±10,1% и, соответственно, позволяет решить задачу уменьшения массы и габаритов воздухоподогревателей ГТУ. ,
Для сравнения приведем данные об относительных погрешностях косвенного измерения аналогичных величин в условиях нагревания воздуха паром [5]: Sst = ±3,5% , «Ур, = ±5,0% , 8 v= ±5,0%, Sf = ±5,0%, SRe = ±2,0%, где индексами St и /обозначены соответственно число Стэнтона и коэффициент сопротивления с_, -и, Re,Pr, При анализе погрешностей учитывались следующие вероятные источники ошибок [5]: 1) погрешности, связанные с неточностями при расчете и определении параметров экспериментальной установки; 2) погрешности измерительных приборов; 3) погрешности, связанные с установлением значений физических свойств, определяющих перенос тепла и количества движения - вязкости и теплопроводности; 4) ошибки в определении размеров испытываемой модели. Система измерений, описанная в [36], обеспечивала определение коэффициента гидравлического сопротивления с предельной относительной ошибкой ±9% и числа Нуссельта с предельной относительной ошибкой ±7%. Тепловой баланс сводился с точностью 4%. В опытах работы [9] расхождение теплового ба -83-ланса не превышало 2-3% при этом выход на стационарный режим контролировался получением предыдущего равенства температур. Дальнейшая обработка результатов измерений выполнялась по алгоритму с использованием программы и ЭВМ ЕС-1022.
1 В результате метрологического анализа установлено, что за счет применения термопар специальной конструкции удалось минимизировать погрешности измерения температуры воздуха и воды. Кроме того, использование индивидуальной тарировки пятиспайных термопар типа ТХК1-2088 позволило почти в 2 раза снизить абсолютную погрешность измерения температур воды относительно термопар стандартной тарировки.
2 Обосновано, что применение датчиков разности давлений типа «Сапфир-22МП» в сужающих устройствах для измерения расходов сред с выбранными пределами основной приведенной погрешности равной 0,25% обеспечивает относительную среднеквадратическую погрешность косвенного измерения расходов сред не хуже ±3,1%.
3 В результате выполненной оценки выявлено, что разработанная информационно-измерительная система измерений обеспечивает относительную среднеквадратическую погрешность косвенного измерения основных параметров тепло-физического эксперимента Nue, Re,, к, аг и . исследуемых трубных пучков в пределах от ±3,56 до ±10,1% и, соответственно, позволяет решить задачу уменьшения массы и габаритов воздухоподогревателей ГТУ.
Гидродинамика и теплообмен в суперплотных трубных пучках
С целью подтверждения гипотезы об оптимальности тесных пучков с относительными шагами а{ = 1,1-1,2, изложенной в [24], было выполнено расчетно-экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик суперплотных правильных (равносторонних) шахматных пучков.
Экспериментальная часть работы выполнена методом полного моделирования на фрагменте трубного пучка при т, = 1,1 (рисунки 3.12 - 3.14). Целью экспериментального исследования было определение теплогидравлических характеристик трубного пучка в диапазоне изменения числа Рейнольдса от 10 до 5 104. Полученные таким образом экспериментальные данные с помощью численного моделирования использовались затем в качестве опорных для вычисления тепло-гидравлических характеристик трубных пучков при изменении т, в диапазоне от 1,05 до 1,4.
Фрагмент расчетной модели трубного пучка, дискретизация которой выполнена призматическими элементами, для расчетов теплообмена численным моделированием, представлена на рисунке 5.13. Расчетная длина труб и их количество соответствовали одному ходу экспериментального трубного пучка. Участки, примыкающие к внутренней и наружной поверхности теплообменных труб, представляли собой 10 слоев призматических элементов с шагом 5 мм и экспоненциально изменяемой от слоя к слою толщиной. Расчеты гидродинамики выполнялись для модели только межтрубного пространства.
Результаты косвенного измерения и расчетов численным моделированием коэффициента гидравлического сопротивления и числа Нуссельта в зависимости от числа Рейнольдса представлены на рисунках 5.14 и 5.15 соответственно. При численном моделировании температура воздуха на входе в модель задавалась в пределах 250-300 С, а температура воды - 25 С (подогрев составлял 1,4-15,7 С) результаты расчета обрабатывались аналогично физическому эксперименту. Сопоставление результатов расчетов и измерений позволяет сделать вывод о том, что имеется удовлетворительное согласование опытных и рассчитанных чисел Нуссельта при ах = 1,1. Гидравлическое сопротивление имеет большее расхождение с опытными данными при сохранении характера зависимости (параллельный сдвиг на плюс 35,5 - 39,4%). Учитывая то обстоятельство, что имеется гидродинамическое и тепловое подобие изучаемых процессов, результаты расчетов теплоотдачи качественно и численно будут соответствовать реальному процессу (погрешность в пределах плюс 9,0 - 15,1%). Гидравлическое сопротивление в основном правильно отражает только качественную сторону процесса. Таким образом, полученные по теплоотдаче, а по гидродинамике с некоторым коэффициентом корреляции, опытные данные можно использовать в качестве опорных для численного моделирования исследуемых процессов.
Результаты расчетов численным моделированием теплоотдачи, гидравлического сопротивления и их обработки параболическими сплайнами приведены на рисунках 5.16 -5.17. На рисунках 5.18 и 5.19, в качестве иллюстрации перехода к локальным характеристикам процессов гидродинамики и теплообмена, представлены поля скоростей и температур для расчетной модели трубного пучка. Зависимости относительных коэффициентов сопротивления и теплоотдачи получены путем деления данных расчетов при 1,05 сг, 1,4 на результаты расчета при т, = 1,4. Как видно из рисунков 5.16 и 5.17, в области значений 1,05 ах 1,2 наблюдается предсказанные авторами работы [24] максимумы при ст, = 1,1, как по теплопередаче, так и по гидравлическому сопротивлению межтрубного пространства. Причем, наибольших значений они достигают при низких значениях чисел
Рейнольдса (Re= 10 ) и не характерных для режимов эксплуатации ГТУ. Для ре-жимов эксплуатации типичных для ГТУ (обычно 4 10 Re 12 10 ) эффект суперплотного трубного пучка практически отсутствует.
