Содержание к диссертации
Введение
1 Современные исследования в области гидродинамики и теплопереноса в термосифонах
2 Математическое моделирование режимов вынужденной, смешанной и естественной конвекции в замкнутом двухфазном термосифоне
2.1 Гидродинамика и теплоперенос в термосифоне прямоугольного поперечного сечения
2.1.1 Физическая и геометрическая модели
2.1.2 Математическая модель
2.1.3. Краткое описание используемого численного метода
2.1.4 Решение уравнения Пуассона для функции тока
2.1.5 Постановка граничных условий для вектора завихренности скорости
2.1.6 Аппроксимация уравнения для вектора завихренности скорости
2.1.7 Аппроксимация уравнения энергии
2.1.8 Тестовые задачи
2.1.8.1 Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области (левая вертикальная стенка поддерживается при максимальной температуре)
2.1.8.2 Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области с двумя источниками и стоками энергии
2.1.8.3 Сопряженная естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области, одна и стенок которой имеет конечную толщину
2.2 Математическое моделирование свободноконвективн режимов теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне цилиндрической формы
2.2.1 Физическая и геометрическая модели
2.2.2 Математическая модель
2.2.3 Особенности решения уравнения для функции в цилиндрических координатах
2.2.4 Постановка граничных условий для компонент вектора завихренности скорости
2.2.5 Аппроксимация уравнения для вектора завихренности скорости
2.2.6 Аппроксимация уравнения энергии
2.2.7 Тестовая задача - естественная конвекция в-замкнутом цилиндре
2.3 Вынужденная и смешанная конвекция в замкнутом двухфазном термосифоне цилиндрической формы
2.3.1 Постановка задачи
2.3.2 Аппроксимация уравнения для вектора завихренности скорости
2.3.3 Аппроксимация уравнения энергии
3 Численные исследования сопряженной вынужденной, смешанной и естественной конвекции в двухфазном термосифоне. Анализ возможности использования термосифонов в системах охлаждения энергетического оборудования тепловых электрических станций
3.1 Вынужденная конвекция в термосифоне цилиндрического поперечного сечения системы охлаждения лопаток газовых турбин 91
3.2 Вынужденная конвекция в термосифоне прямоугольного поперечного сечения системы охлаждения лопаток газовых турбин 91
3.3 Численные исследования вынужденной конвекции в термосифоне системы охлаждения трансформаторов 99
3.4 Численные исследования сопряженной естественной конвекции в прямоугольном замкнутом двухфазном термосифоне 107
3.5 Численные исследования сопряженной естественной конвекции в замкнутом двухфазном термосифоне цилиндрической формы 115
3.6.Численные исследования вынужденной конвекции в двухфазном термосифоне системы охлаждения энергетического оборудования в условиях аварийных режимов 123
Заключение 128
Список использованной литературы 129
- Гидродинамика и теплоперенос в термосифоне прямоугольного поперечного сечения
- Математическое моделирование свободноконвективн режимов теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне цилиндрической формы
- Вынужденная конвекция в термосифоне прямоугольного поперечного сечения системы охлаждения лопаток газовых турбин
- Численные исследования сопряженной естественной конвекции в замкнутом двухфазном термосифоне цилиндрической формы
Введение к работе
тепловых
Современное состояние энергетических систем и агрегатов электрических станций на территории России характеризуется с одной сз " /научно-высокой степенью износа [1,2] и, с другой стороны, моральным v техническим) старением систем и агрегатов ТЭС [3,4]. Многие к с ел чет назад. агрегаты и турбины выпускались промышленностью оолсс эа л»
Соответственно, технические решения, использовавшиеся при Р33" конструкций вышеупомянутых систем, соответствуют научно-тсхяи уровню 50-ых годов прошлого века. Представляется целесообразным не замена изношенного до предела энергетического оборудования болЫ" за с',ет работающих на территории России 'ГЭС, но и его модернизация - «л целому использования новых научно-обоснованных технических решении av комплексу процессов, систем, агрегатов и узлов.
Одной из основных задач, возникающих при проектир0 энергетического оборудования ТЭС, работающею в условиях высоких Да»*1 температур, является задача обеспечения оптимальных тепловых режимов оборудования.
Решение этой задачи возможно с использованием достаточно ихИр набора систем и устройств регулирования тепловых режимоп[5-7]. Одним из устройств, возможность применения которого для охлаждения лопаток J изучалась достаточно интенсивно еще в 60-е годы прошлого века [8], я*3 замкнутый термосифон. вы.г<*я"сны
Одной из разновидностей эффективных автономных теплопереА21*0 устройств, являются тепловые трубы [9-14]. Наиболее перспективным*1 многих отраслей промышленности считаются термосифоны [15]. ** настоящего времени эти устройства в промышленности вообще? теплоэнергетике в частности используются мало, хотя многочисленные экспериментальные исследования [16-19], подтверждающие высокую (или даже очень высокую) теплопередающую способность термосифонов. Во многом это объясняется тем, что до настоящего времени не разработана замкнутая теория теплопереноса в таких устройствах, описывающая весь комплекс взаимосвязанных процессов переноса энергии в паровом канале, пленке жидкого теплоносителя, стекающего по стенкам, и в корпусе цилиндра, являющегося основным конструкгивным элементом термосифона. Отдельные решения: частных задач [15,161 выполнены в постановках, не* учитывающих сопряженность - взаимное влияние процессов теплопереноса в паровой и ЖИДКОЙ. фазах, а также в корпусе устройства.
Для обоснования возможности применения термосифонов для регулирования тепловых режимов отдельных агрегатов энергетического оборудования ТЭС необходимо построение замкнутой, опирающейся на минимальный объем эмпирической информации теории процессов тепломассоперсноса в термосифоне как в системе, состоящей из ряда сё взаимодействующих составляющих: источник подвода энергии, зоны испарения и конденсации, паровой канал, пленка стекающего под действием силы тяжести конденсата, корпус термосифона, теплопередающис торцевые элементы корпуса.
Проведение экспериментальных исследований на уровне, обеспечивающем достоверный прогноз работоспособности термосифонов в условиях, соответствующих режимам работы тепловых агрегатов ТЭС представляется весьма трудоемкими затратным процессом, не гарантирующем оптимального результата. Сложный- комплекс процессов тспломассоперекосов в термосифонах невозможно анализировать аналитически. Единственным реальным методом исследования рассматриваемой проблемы являетсячисленное моделирование.
В настоящей работе проведено численное моделирование тепловых режимов замкнутых термосифонов различной формы в сопряженной постановке, учитывающей весь комплекс гидродинамических и тепловых процессов.
Математическая модель, реализованная в работе, позволяет учесть, кроме процессов движения пара, нестационарный перенос энергии в стенках корпуса, движение пленки жидкости, влияние интенсивности испарения жидкости-теплоносителя, не рассматривавшиеся в известных исследованиях [15-17] теплопереносз в термосифонах.
Цель _ работы заключается в математическом моделировании гидродинамики и теплопереносз в замкнутом двухфазном термосифоне, являющимся одним из перспективных элементов систем охлаждения энергетического оборудования ТЭС: турбин, трансформаторов, магнитопроводов статоров генераторов, оборудования находящегося под напряжением (выводы, шины и т.п.), конденсаторов и оценка возможности использования термосифонов в качестве основного элемента систем обеспечения стабильности теплового режима энергетического оборудования тепловых электрических станций.
Научная .новизна работы. Впервые решена задача сопряженного- тєплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне с использованием математической модели» учитывающей процессы переноса массы, импульса и энергии в паровом канале и пленке конденсата, а также перенос тепла в корпусе термосифона. В результаты проведенных исследований'получены зависимости основных параметров течения парэв канале термосифона (скорость, температура, функция тока) от параметров рабочего тела, а также от интенсивности испарения, величины теплового потока в зоне испарения для режимов вынужденной, смешанной и естественной конвекции. Представлены обоснования возможности использования термосифонов для систем обеспечения устойчивого теплового режима энергетического оборудования тепловых электрических станции.
Практическая значимость.. Создан вычислительный комплекс для моделирования режимов конвективного тєплопереноса в двухфазных термосифонах. Усыновлена возможность использования термосифонов' для устойчивого охлаждения основных элементов энергетического оборудова::; 8 reI4ePaT0P0B, тепловых электрических станций (турбин, трансформаторов, быть конденсаторов). Полученные новые численные результаты систем использованы для совершенствования конструктивных элеме таюке охлаждения энергетического оборудования электрических станы сНфонах позволят прогнозировать оптимальные режимы теплопереноса в т " различного назначения. зональном
Результаты выполненных исследований используются в н дГОТовке исследовательском Томском политехническом университете при ведении магистров техники и технологии по направлению «Теплоэнергетика» * мизаиия занятий но дисциплинам «Математическое моделирование и алгоу сТСМ») задач тсплоэнергетикики», «Математические модели динамически^ «Тепловые и атомные энергетические станции». ^-ия науки
Тема диссертации соответствует приоритетному направлению раз» в Российской Федерации .«Энергетика и энергосбережение». ^цены в
Часть исследований, которые вошли в диссертацию были вы кадры рамках реализации ФЦП "Научные и научно-псдагогическИ<-инновационной России" на 2009-2013 годы (ГК № П2225, ПС № П357).
Степень достоверности результатов провсдснных_исследований. 1Х в
Обоснованность научных положений и выводов, сформулиро^ работе, заключается в следующем: л-а«ных достоверность подтверждается результатами тестирования разра ^^еиИем метода и алгоритма на решении ряда менее сложных задач и сопостз-" нИЯМИ результатов с экспериментальными данными и численными исследо ^tionalдругих авторов, опубликованных в международных журналах: Inter js for Journal of Heat and Mass Transfer, International Journal of Numerical Metr^ Heat and Fluid Flow.
Автор запіищаег:
Математическую модель теплопереноса в двухфазных термосифонах систем охлаждения энергетического оборудования тепловых электрических станций в переменных "функция тока — завихренность - температура".
Алгоритм решения сопряженных задач конвективного теплопереноса в двухфазных термосифонах систем охлаждения энергетического оборудования тепловых электрических станций.
Результаты численного моделирования нестационарных режимов конвективного теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне.
Выводы о возможности использования термосифонов для охлаждения основных элементов энергетического оборудования тепловых электрических станций
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на the Is1 International Conference on Plant Equipment and Reliability (Малайзия, 2008), на XVI и XVII. Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2010, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010), на IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2011), на XVTU Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях" (Звенигород, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в трудах вышеперечисленных конференций, а также в журналах: "Известия Томского политехнического университета", "Вестник Томского государственного
10 университета. Математика и механика", "Journal of Energy and Power Engineering > "Journal of Engineering Thermophysics", "Journal of Engineering and Development". Содержание работы.
Первая глава отражает современные тенденции развития теоретических и экспериментальных исследований а области гидродинамики и теплопереноса в термосифонах.
Во второй главе приведены описания постановок, и методов решения сопряженных задач конвективного теплопереноса в замкнутом двухФ33110" термосифоне: В этой главе представлены физическая; геометрическая и-математическая постановки задач в декартовой и в цилиндрической системах координат в условиях естественной, смешанной, и вынужденной конвекции. Приведено описание используемого для решения сформулированных систем уравнений численного метода; Для верификации- разработанного численного алгоритма решены тестовые задачи, результаты решения которых показали достаточно хорошее согласование с результатами исследований других авторов.
В третьей главе представлены результаты численного анализа процессо теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне. Проведен ?нализ термогидродинамических особенностей исследуемого процесса. Выполнены численные исследования: сопряженной вынужденной; смешанной и естественной конвекции в двухфазном термосифоне и рассмотрены варианты использования термосифонов в сисгемах охлаждения, лопаток газовых турбин, трансформаторов, генераторов и конденсаторов тепловых электрических станций.
В заключении подведены основные итоги проведенных исследование. Автор выражает глубокую благодарность кандидату- ф**зИКО" математических наук, доценту Михаилу Александровичу Шеремету за болвшую помощь в освоении методов алгоритмов численного анализа, решения всех задач и анализе полученных результатов. і
Гидродинамика и теплоперенос в термосифоне прямоугольного поперечного сечения
Термосифон открытого контура, реализующий режимы естественной конвекции, являлся основой схемы Шмидта [23] для ротора [29] газовой турбины, использующей лопатки ротора для выработки пара,
Высокое внутреннее радиальное поле ускорения в охлаждаемой лопасти определяет циркуляцию в термосифоне, направляющую горячую воду к ротору, где наблюдается моментальное испарение. Необходимое давление в лопаточных каналах, позволяющее избежать образования пара, контролируется толщиной водного кольца. Образованный пар мог бы использоваться для охлаждения статора и сопел, таким образом, становясь перегретым, и, если это экономически выгодно для цикла, можно было вводить вспомогательную паровую турбину. Британские испытания этой системы охлаждения [24] были прекращены вследствие коррозии лопаток.
Было отмечено [29], что очень высокие коэффициенты теплопередачи могут быть получены при приближении температуры к критическому значению. Система каналов и кольцо статора обеспечивали ограничение температуры, а вибрация - ограничение скорости. Значительные трудности были испытаны- при создании системы управления течением, что, по-видимому, отразилось на вибрации, которая, как считали ранее, была обусловлена кипением на поверхности лопаток ротора, вызывающем появление сил, нарушающих баланс.
Вибрация оставалась существенным ограничением для последующей четырехступенчатой турбины, построенной в Германии и испытанной в Великобритании. На этой турбине никогда не достигали теоретически-заложенного предела по входной температуре газа вследствие использования. некачественного материаіа при ее строительстве [24]. Последнее приводило к коррозии в охлаждаемых отверстиях вследствие использования некачественного материала. Также появлялись мысли о возможном наличии примеси в.хладагенте, легких осколков ржавчины, которые должны были оставаться в застойных зонах лопаток ротора и при несвоевременном вмешательстве могли привести к повреждению. Даже если такие зоны были обнаружены до аварии, их устранение было достаточно сложным и требовало значительных финансовых затрат.
В .дальнейшем была создана семиступенчатая газовая турбина, компании Siemens [27]. Ротор был спроектирован так, что выдерживал давление в 10 МПа, а лопатки должны были выдерживать до 30 МПа. Общее время.работы составило 1215 часов, из которых 830 часов проходило при входной температуре газа выше 900 С. Вновь сильные вибрации были отмечены в процессе эксплуатации и были диагностированы поверхностные волны в зоне внутреннего водного кольца. Резонанса можно было избежать, поддерживая толщину водного кольца выше рассчитанного минимума.
Использование замкнутых термосифонов в условиях- естественной конвекции имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренными выше. Например, такой подход исключает как непрерывную циркуляцию, обусловленную вынужденной конвекцией, так и высокое внутреннее давление. Замкнутая полость, заполненная первичным хладагентом в лопаточных каналах, исключает возможность аварий вследствие отсутствия слабых мест, указанных для открытых термосифонов. Также в случае применения замкнутых термосифонов нет сложностей с выбором хладагента, при этом становится вполне возможным использование жидких металлов. Вода, органические жидкости или воздух рассматриваются в качестве внешнего хладагента. Использование жидких металлов позволяет увеличивать рабочие температуры без существенного повышения давления в лопастях. Недостатком всех термосифонов является реализация отдельных мероприятий для охлаждения стационарных частей, таких как сопла. Эта сложность может быть преодолена за счет эффузийного охлаждения или с использованием неохлаждаемой керамики.
В последние десятилетия проведено большое количество исследований, посвященных анализу теплопереноса в термосифонах различной конфигурации[30-41]. Основы теплового анализа противоточных замкнутых термосифонов заложены в работах [31-35], а также в [36, 37]. Исследование тороидальных термосифонов проведено в [38, 39]. В [40, 41] проанализированы термогидродииамические режимы прямоугольных замкнутых термосифонов.
Так, например, экспериментальные и теоретические результаты исследования характеристик двухфазного термосифона в переходных режимах представлены в [33]. Для анализа переходного процесса двухфазного термосифона была сконструирована специальная экспериментальная установка. Стенка испарителя сделана из алюминия с внутренним диаметром 50 мм, толщиной 20 мм и длиной 300 мм. Адиабатическая секция и конденсатор выполнены из одной пирексовой трубы (термостойкого боросиликатного стекла), имеющей внутренний диаметр 50 мм и толщину 4 мм. Их длины были 150 мм и 500 мм, соответственно. Торцевые заглушки сделаны из алюминия. Рабочей жидкостью является п-пентан, выбранный из-за его низкой температуры кипения (36.1 С) при атмосферном давлении, что позволяет минимизировать тепловые потери. Электрическое сопротивление даёт регулируемую скорость нагрева в испарителе. Погрешность измерения подводимой мощности составляет менее 2%. Охлаждающая-жидкость во внешней трубе конденсатора — вода. Её входная температура и массовая скорость потока (удельный, массовый расход) контролируются с точностью ±0.ГС для температуры и ±2% для массовой скорости потока, установленной в 22 г/с[33]. Очень проегая математическая модель, описывающая теплоперенос в двухфазном термосифоне, представлена в [34]. Основой этой модели является пространственная дискретизация, аналогичная предложенной в [35] и [36]. Численный анализ [34] позволил получить достаточно хорошее описание эволюции- анализируемого процесса в экспериментальной установке. На основе эмпирических данных обосновано простое экспоненциальное поведение системы и построена тепловая модель. Цель разработки этой более простой модели -возможности, с одной стороны, использования аналитических выражений, описывающих изменения системы, а с другой стороны, получение соотношений для термодинамических параметров- переходного процесса замкнутого двухфазного термосифона как функций, различных параметров. Такой подход позволил сформулировать научно-обоснованные рекомендации по проектированию замкнутых двухфазных термосифонов.
Математическое моделирование свободноконвективн режимов теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне цилиндрической формы
Предложены [71]новые соотношения эффективной площади, основанные на экспериментальных результатах работ [67-70]. Проведены натурные исследования двух различных геометрических конфигураций ЗДТ с азотом в качестве рабочей среды, которые показали достаточно хорошее согласование с результатами расчетов. Основной вывод [71] связан с определением диапазона изменения коэффициента наполнения, в котором ЗДТ может оставаться устойчивым и эффективным. Проанализировано влияние подводимой теплоты, рабочего давления и геометрической конфигурации термосифона на этот диапазон.
Исследование характеристик умеренных режимов работы ЗД Г на основе одномерной модели течения пара с использованием корреляционных соотношений, определяющих эффекты кольцевого режима двухфазного потока проведено в [35]. Коэффициент теплоотдачи на поверхности пленки жидкости определялся как в ламинарном, так и в турбулентном приближениях. Математическая модель включает п себя дифференциальные законы сохранения массы, количества движения и энергии в паровом канале и в пленке жидкости. Одним из основных недостатков модели [72] является отсутствие влияния окружающей среды вследствие пренебрежения теплопроводностью ограждающих стенок, что может приводить к отличным от реального физического процесса результатам [72]. Необходимо отметить, что высокая интенсивность теплопереноса при наличии механизмов фазового перехода в термосифоне приводит к существенному повышению роли теплопроводности твердой оболочки даже в случае тонких стенок, выполненных из материалов с высокой проводимостью.
Математическое моделирование переходных режимов функционирования термосифона на основе плоских уравнений ламинарного потока сжимаемого идеального газа проведено в [73]. В начальный момент времени не учитывалось наличие некоторою объема жидкости в. зоне испарителя, что может значительно изменить характеристики переходных процессов в термосифоне. Вместо1 этого в модели расем аїри вал ся критический объём наполнения, обусловленный наличием достаточного количества рабочей жидкости для увлажнения стенок термосифона. Необходимо отметить, что наличие критического наполнения предполагает, зависимость массы рабочей жидкости от тепловой нагрузки, что несколько не согласуется с реальными условиями работы термосифонов:
В [74] представлены численные результаты анализа переходных режимов теплопереноса в ЗДТ. Оригинальным в работе был учёт изменения во времени эффективной длины паровой колонки, вследствие расширения и сокращения несжимаемых газов в паровом пространстве. Эта модель описывает формирование квазиустановившегося одномерного режима течения пленки; жидкости, а также в жидкой зоне испарителя. Также учитывалась нестационарная теплопроводность в стенке термосифона. Сформулированные уравнения [74] решены методом конечных разностей с применением явной разностной схемы. Проведено исследование устойчивости и установлено, что численная модель имеет точность до 4%.. Тестирование разработанного компьютерного- кода проведено путем сопоставления с данными эксперимента. В эксперименте использовались три различных переходных тепловых нагрузки для моделирования постепенного, умеренного и резкого возрастания температуры. В дальнейшем модель [74] использовалась для установления полезных инженерных соотношений.
Исследование влияния формы поперечного сечения термосифона, коэффициента наполнения, а также геометрических размеров на тепловые режимы при различных скоростях испарения проведено в [75]. Использовались две формы термосифона (круглая и прямоугольная). Каждая конфигурация поперечного сечения была заправлена дистиллированной водой в качестве рабочей жидкости с различными коэффициентами наполнения, соотношением геометрических параметров и подводимого тепла. Результаты показали; что у прямоугольногоЗДТ была большая средняя температура стенки в испарительной секции, чем у круглого ЗДГ. Максимальное подводимое тепло имело значительное влияние иа тепловые потоки для каждого коэффициента наполнения и длины испарителя. Тепловые потоки увеличивались с ростом соотношения геометрических размеров и подводимого тепла и незначительно уменьшались при максимальных соотношениях геометрических размеров.
В [76] для исследования КПД ЗДТ была сформулирована трехмерная модель, основанная па рабочих характеристиках теплообменника и на соответствующих законах сохранения. Результаты численного анализа показали, что: 1) построенная модель может корректно описывает- теплопередачу в составной системе «воздух-ЗДТ—почва»; 2) совокупность ЗДТ является эффективной технической системой для защиты от мерзлоты и для обеспечения устойчивости дорожного полотна в районах вечной мерзлоты; 3) ЗДТ, если его совместить с другими инженерными решениями (использование теплоизоляционных покрытий и т.д.), создаст более эффективной инженерной комплекс для- обеспечения устойчивости при строительстве дорог в районах вечной мерзлоты.
Влияние теплопроводности стенки на работу термосифона было экспериментально исследовано в [77]. Были рассмотрены две группы идентичных термосифонов с наполнителем RI34a. Единственным отличием между этими группами было наличие тепловой изоляции внутри адиабатической секции в одной из групп, которая препятствовала осевой проводимости между испарительной и конденсаторной секциями. Эти термосифоны нагревались от термостата и охлаждались водой через концентрический теплообменник. Эксперименты проводились для различных температур термостата и коэффициентов наполнения. Было установлено, что осевая проводимость через стенку трубы вызывает увеличение общего коэффициента теплопередачи, а также коэффициентов теплообмена в зонах испарения и конденсации. Однако, доля-теплопередачи, связанная с осевой проводимостью уменьшается при увеличении теплового потока. Для малоі-о теплового потока увеличение коэффициентов теплопередачи испарения и конденсации за счет осевой проводимости достигает 100% и 25%, соответственно. Для большого теплового потока, это увеличение было незначительным (менее 1%).
Экспериментальное исследование системы ЗДТ для охлаждения электроники проведено в [78]. Разработана схема тепловых сопротивлений для исследования влияния мощности теплообменника, коэффициента наполнения, а также структуры поверхности испарителя на тепловые характеристики системы. Результаты показали уменьшение общего теплового сопротивления-системы при-увеличении мощности или понижении коэффициента наполнения, при этом структура поверхности также заметно влияет на функцию испарителя. Установлено- удовлетворительное соответствие с эмпирическими данными [79]. Оптимальные значения основных характеристик были получены при мощности 140 Вт и коэффициенте наполнения 20% с керамической поверхностью.
Вынужденная конвекция в термосифоне прямоугольного поперечного сечения системы охлаждения лопаток газовых турбин
Для охлаждения нагреваемых до высоких температур элементов, узлов и блоков основної ) энергетического оборудования тепловых электрических станций в настоящее время в основном используются системы обеспечения теплового режима [5-7] на базе различных нагнетателей. При работе последних расходуется значительная часть вырабатываемой станцией электрической энергии. Собственные затраты на некоторых станциях с большими сроками эксплуатации достигают (16-20) % при нормативных показателях (4-5) %. Переход на автономные, не требующие затрат электроэнергии, системы охлаждения оборудования, работающего в условиях непрерывного системного нагрева, может привести к большой экономии ресурсов.
Термосифоны могут использоваться во многих системах обеспечения теплового режима тепловых электрических станций. Простота и экономичность этих устройств делают их привлекательными для решения задач охлаждения многих элементов энергетического оборудования ТЭС, работающих в условиях высоких температур, В качестве возможных вариантов применения термосифонов в данной работе рассмотрены лопатки газовых турбин, генераторы и трансформаторы, конденсаторы паровых турбин. Следует отметить, что все перечисленные выше элементы, узлы и блоки энергетического оборудования ТЭС работают в настоящее время с определенными системами прямого или косвенного охлаждения их наиболее теплонапряженных частей. Но эффективность традиционных для российской теплоэнергетики технических решений не всегда высока. Также целесообразно рассмотрение новых решений по системам охлаждения вышеперечисленного оборудования. По этим причинам они были выбраны в качестве потенциальных приложений - объектов9 работоспособность которых могут обеспечивать системы регулирования теплового режима на основе термосифонов.
При постановке основных задач, решение которых приведено ниже, рассматривалась возможность реализации всех трех режимов конвекции (вынужденной, смешанной и естественной). Рабочему режиму термосифона соответствует вынужденная конвекция; обусловленная давлением- паров, образующихся на нагреваемой торцовой поверхности этой тепловой трубы. Но при перегреве этой части термосифона.возможно частичное или полное осушение зоны регламентного испарения и смещение поверхности испарения вверх по паровому каналу. В этом случае теплообмен будет протекать в режиме смешанной конвекции, который соответствует аварийным по существу условиям работы термосифона. Но этим причинам целесообразно численное исследование процессов смешанной и естественной конвекции, реализация которых сохраняет работоспособной какую-то часть теплообмен ного потенциала рассматриваемого устройства.
При работе энергетического оборудования ТЭС достаточно часто по объективным причинам меняются во времени условия работы определенных систем и агрегатов. Поэтому рациональным является решение не только стационарных задач теплопереноса в рассматриваемых тепловых трубах, но и нестационарных. Ниже приведены решения нестационарных задач.
Следует отметить, что основные постановки задач, результаты решения которых приведены ниже, предполагали тепловую- изоляцию внешней поверхности корпуса термосифона. Это ограничение не является принципиальным - могут быть. рассмотрены условия-третьего или- четвертого рода. Но для этого необходимо дополнительно рассматривать решение гидродинамической и тепловой задач для окружающей среды термосифона. В таком случае постановка становится слишком громоздкой, вычисления весьма длительными, а эффект рассмотрения этого фактора, скорее всего, будет незначительным. Поэтому и было введено условие отсутствия теплообмена по внешнему контуру термосифона.
В диссертации рассмотрены режимы вынужденной, смешанной и естественной конвекции в замкнутых цилиндрической и прямоугольной областях с теплопроводными стенками конечной толщины (рис. 2 1, 2.13) при наличии локальных участков испарения и конденсации, соответствующих зонам фазовых переходов. Режимы свободной конвекции могут реализовываться за счет формирования градиента температуры, в осушенной- части парового канала термосифона. При- высокой- интенсивности парообразования- теплоперенос осуществляется за счет смешанной или вынужденной конвекции. Роль последних наиболее существенна. В настоящей работе учитывается конвективный теплообмен с окружающей средой на границе г = _(рис: 2113), отражающий реальные условия передачи энергии при работе теплообменника. Учет теплообмена с окружающей- средой на верхней границе области решения позволяет оценить эффективность и производительность термосифона в реальных условиях работы. При математическом моделировании предполагалось, что внешние поверхности вертикальных стенок являются- адиабатическими, а на нижней границе z-Q поддерживается постоянная температура или тепловой поток [109]. Реальные условия работы термосифонов позволяют, как правило, исключить влияние азимутальной координаты и проанализировать процесс переноса массы, импульса и энергии в осесимметричной постановке. При проведении вычислительных экспериментов предполагалось, что теплофизические свойства материала стенок, пара и жидкости не зависят от температуры, а режим течения является ламинарным. Пар считался-теплопроводной, ньютоновской жидкостью, удовлетворяющей приближению Буссинеска. Для исследования гидродинамических режимов в пленке жидкости использовался аналитический подход, изложенный в [88]. Сделанные допущения не накладывают больших офаничений па общность основных полученных результатов. Так, например, диапазон изменения рабочих температур термосифона составляет десятки градусов, что не приводит к сколько-нибудь значительным изменениям теплофнзического характеристик пара, конденсата и материала корпуса грубы. Скорости движения пара от поверхности испарения в зону конденсации не превышают 15 м/с.
Численные исследования сопряженной естественной конвекции в замкнутом двухфазном термосифоне цилиндрической формы
Зависимость среднего числа І Іуссел ьта от Q Подводя итог проведенным в диссертации теоретическим исследованиям следует подчеркнуть, что основным результатом выполненного численного анализа является обоснование возможности использования термосифонов в качестве основных элементов систем охлаждения энергетического оборудования тепловых электрических станций. При этом гермосифоны могут использоваться как в основной системе обеспечения или регулирования теплового режима, так и как средство аварийной защиты от перегрева агрегатов энергетического оборудования ТЭС. Энергоэффективность применяемых в каждом конкретном случае тепловых труб будет определяться их размерами, свойствами используемого хладагента (теплоносителя), режимами работы и, это возможно один из наиболее значимых факторов, конструктивными решениями при разработке конкретной конструкции. Так, например, использование воды в качестве теплоносителя является скорее модельным, чем практическим примером. Но даже при использовании этого хладагента возможно достижение определенной эффективности процесса охлаждения блоков, узлов и агреі-атов, нагреваемых в аварийном режиме до температур, существенно превышающих допустимые. В частности при отводе теплоты от поверхностей с температурой 200-300 С и более возможно использование теплоаккумулирующих металлических вспомогательных переходных слоев для того, чтобы тепловые нагрузки на нижней крышке термосифона не приводили к полному осушению зоны испарения термосифона и переходу уже этой тепловой трубы в аварийный режим работы.
Следует также отметить и то, что высокий интерес к использованию термосифонов для охлаждения лопаток турбин более 50 лет назад не привел [20] к практической реализации многих интересных идей только из-за проблемы коррозии или, точнее, проблемы отсутствия металлов (или сплавов), способных противостоять коррозии при длительной эксплуатации турбин. К настоящему времени прогресс в материаловедении настолько очевиден, что возвращение к идеям авторов [8, 22] вполне реально. Но предлагаемый и анализируемый в данной работе вариант системы охлаждения лопаток турбин без перфорации их поверхности гораздо более работоспособен по сравнению с рассматривавшимися в [8,22] вариантами. Более того этот вариант при его реализации может дать существенный экономический эффект за счет сохранения высоких температур рабочих продуктов сгорания газов на всех участках турбинного тракта. Важным также является то, что для лопаток больших размеров возможно использование системы нескольких термосифонов в одной лопатке с целью повышения надежности их работы. По сложности конструктивного исполнения рассматриваемая система не сложнее традиционных с охлаждением, возможность создание вторичного контура охлаждения уже непосредственно термосифона за счет движения жидкого хладагента с замкнутым каналом в роторе турбины, также является не более сложной задачей, чем изготовление таких каналов для движения воздуха, охлаждающего лопатки газовых турбин. В этом вторичном контуре также могут использоваться жидкие металлы или их композиции.
В целом подводя итог выполненным в диссертации исследованиям можно сделать вывод, что разработанный математический аппарат и метод его реализации позволяют решать задачи выбора конструкции термосифона, материалы для его изготовления и хладагента, для условий работы любого теплоиа гружен ного элемента, узла или блока основного оборудования тепловых электрических станций для широкого диапазона изменения тепловых нагрузок и условий работы
Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем. 1. Численно решена нестационарная задача ламинарной вынужденной конвекции в замкнутом двухфазном термосифоне с теплопроводными стенками при наличии пленки жидкости постоянной толщины в условиях соответствующих условиям работы теплоэнергетического оборудования. 2. Проведен параметрический численный анализ режимов ламинарной смешанной конвекции в замкнутом двухфазном термосифоне и нестационарных режимов сопряженной термогравитационной конвекции в цилиндрическом термосифоне. 3. Решена сопряженная задача теплоперсноса в замкнутом двухфазном термосифоне прямоугольной формы с теплопроводными стенками конечной толщины применительно к условиям работы лопаток газовых турбин, трансформаторов и конденсаторов тепловых электрических станций. 4. Установлены условия использования термосифонов в , системах охлаждения лопаток газовых турбин, конденсаторов, генераторов и трансформаторов тепловых электрических станций.
