Содержание к диссертации
Введение
1 Энергетика монголии и разработка тепловых установок малой мощности 15
1.1 Современное состояние и перспективы развития энергетики Монголии 15
1.2 Газогенераторные отопительные котлы малой энергетики 23
1.3 Оценка эффективности и выбор метода интенсификации теплообмена в переходном режиме течения теплоносителя 30
1.4 Выводы и задачи исследования 46
2 Методика исследования аэродинамики и теплообмена в газоводяном теплогенераторе 48
2.1 Описание экспериментальной установки и обработки результатов опытов 48
2.2 Выбор рабочих параметров интенсификаторов 62
3 Результаты экспериментальных исследований 88
3.1 Аэродинамический эксперимент в изотермической трубе с различными вставками 88
3.2 Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в неизотермической трубе с различными вставками 97
3.3 Сравнение полученных результатов с данными других авторов и обобщение результатов экспериментальных исследований 111
4 Разработка газоводяного теплогенератора с интенсификацией теплообмена 127
4.1 Теплотехническое обследование исходной установки 127
4.2 Выбор технических решений для модернизации водогрейной отопительной установки 132
Заключение 135
Список литературы 136
Приложение 154
- Оценка эффективности и выбор метода интенсификации теплообмена в переходном режиме течения теплоносителя
- Описание экспериментальной установки и обработки результатов опытов
- Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в неизотермической трубе с различными вставками
- Выбор технических решений для модернизации водогрейной отопительной установки
Введение к работе
Место энергетики в современном мире определяется, с одной стороны, огромными объемами перерабатываемых энергоресурсов, неизмеримым количеством агрегатов, установок, трубопроводов, линий электропередач (ЛЭП), машин и механизмов, сложностью, быстродействием и потенциальной опасностью технологических процессов, их глобальным воздействием на окружающую среду, а с другой - ни с чем не сравнимыми простотой, надежностью и качеством обеспечения конечными видами энергии -электричеством и теплотой - в любой момент времени и в необходимом количестве. Именно простота, комфортность и надежность поставили энергетику в ряд высших ценностей, привлекательность которых для человечества неизменно повышается. Невозможно представить сегодня цену, которую могло бы заплатить общество за отказ от использования электрической и тепловой энергии.
В настоящее время правительство и руководство компании энергетики Монголии активно занимаются созданием концепции коренного реформирования энергетической отрасли, приступают к разработке и внедрению проектов по созданию энергогенерирующих объектов нового поколения. Такие проекты должны отвечать целому ряду жестких требований, главными из которых являются [1]:
1. Экологическая безопасность, Воздействие на окружающую среду
должно соответствовать общемировым стандартам,
2. Высокая экономическая эффективность.
Создание такого проекта возможно только на основе комплексного подхода к энергообеспечению промышленного и частного секторов на основе современных способов производства тепловой и электрической энергии и передовых энергосберегающих технологии.
Современные энергетические программы предусматривают проведение активной энергосберегающей политики во всех отраслях за счет совершенствования, внедрения и исследования энергосберегающего
оборудования, повышения эффективности и надежности его работы, охраны окружающей среды.
Разработка любого теплообменного оборудования ТОА исходит из требования определенной энергонапряженности протекающих в нем процессов при соблюдении технологических, экологических и прочих норм и требований и сводится, в конечном итоге, к поиску своего для данной эпохи и отрасли компромисса между капитальными и эксплуатационными затратами. Так для установок транспортной энергетики оправдано применение разного уровня форсированных режимов при слабом развитии когенерации. В стационарной энергетике предпочтение чаще отдают различным нефорсированным режимам. кцд,%
l_a_JJJJUUJ
JL—J. 1,.1 I U,i|
JL_0JtLiJJ.
X_-_J_-J_J_JJLtJ
1000 N3,MBt
Рисунок 1- Сопоставление типичной эффективности современных теплоэнергоустановок: -*ПД: установки с паровыми двигателями;П СДУ: двигателями Стирлинга; ДДУ: двухтактные дизельные установки; ЧДУ: четырехтактные дизельные установки; ГТУ: газотурбинные установки
ТЭУ: установки
^3 ПГУ: парогазовые установки ; МТУ: микротурбинные установки; с топливным элементом; Д - Мини ГПУП : мини ТЭС-ДВС на генераторном газе
График сравнительной эффективности различных производителей электрической энергии по JSO - 86, дополненный новыми данными, в основном
по малой энергетике [2], наглядно демонстрирует современный уровень развития теплоэнергетики (рисунок 1).
Относительно низкая тепловая эффективность работы энергетического оборудования, демонстрируемая графиком, связана с достигнутым уровнем предельных температур в цикле, что во многом зависит от теплообмена с элементами ограждающих конструкции и вынуждает разрабатывать способы его интенсификации. В одних случаях это производится с целью повышения коэффициента использования топлива в действующем оборудовании (организация глубокого охлаждения дымовых газов, утилизация тепловых выбросов за тепловыми двигателями, повышение эффективности работы теплообмепного оборудования в нерасчетных режимах), В других случаях планируется снижение материалоемкости и капиталоемкости изделий (разработка нового теплообмепного и котельного оборудования), В третьих — позволяет вывести процесс получения электрической энергии на качественно -новый уровень (разработка принципиально - новых систем охлаждения лопаток газовых турбин, ТВЭЛ-ов ядерных реакторов, решение проблемы теплообмена в матрице высокотемпературного топливного элемента, создание газовоздушного нагревателя для твердотопливной ПГУ с разомкнутым циклом). Объединяющим здесь является широкое использование новых для современной энергетики гидродинамических режимов, характеризуемых пониженными числами Рейнольдса (Re<10 ), неразвитой турбулентностью, перемежаемостью турбулентного и ламинарного режимов и низкими коэффициентами теплообмена.
Особое значение эти положения имеют для проектирования и реконструкции ТЭС, объектов промышленной энергетики, систем теплоснабжения в новых условиях, в связи с повсеместным изменением режимов работы энергетической отрасли (переход на маневренные и недогруженные режимы) и ее реструктуризацией (с созданием распределенных систем, бурным развитием сектора малой энергетики, переходом энергоустановок малой энергетики на ^генерационные режимы).
Для действующего оборудования это означает переход на нерасчетные режимы работы, пережог поверхностей теплообмена, снижение тепловой эффективности (КПД) ТОА. Для модернизации действующего оборудования, либо для создания новой техники необходима разработка способов интенсификации процессов переноса в ненапряженных (в целом) гидродинамических режимах.
Для теплоснабжающих предприятий с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии для покрытия сезонных и технологических колебаний тепловой нагрузки требуется высокое поддержание эффективности работы оборудования во всех режимах эксплуатации.
Для стационарных установок малой энергетики (новый в мировой практике динамично развивающийся вид промышленных и коммунально-бытовых энергогенерирующих объектов системы распределенной энергетики) [3,165] при параллельной работе с сетью предпочтение отдается оптимальным нефорсированным базовым режимам с предельно — развитой когенерацией и максимально- возможным КИУМ.
Для объектов базовой энергетики характерно стремление к достижению предельной эффективности выработки электрической энергии путем повышения термодинамической эффективности энергетического цикла (применение комбинированных и гибридных циклов, супер-сверхвысоких параметров).
Выбранный для исследования объект - газоводяной теплообменник с
короткими широкими гладкими трубами является типичным представителем
ТОА, нуждающихся в интенсификации теплообмена и оптимизации
конструкции при сохранении низконапорного режима работы. Область прямого
применения разработки — теплообменнос оборудование малой энергетики —
газоводяные теплогенераторы, котлы-утилизаторы энергоустановок
(газопоршневых, дизельэлектростанций, микро ГТУ), водогрейные котлы малой и средней мощности на местном топливе [4,5,154].
, ' .... Г J . г. ,nt . Пь<^І^ь^У? ^' tt&i
Работа выполнена на кафедре Тепловые электрические станции ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ -УПИ».
Актуальность темы. Исследования, проведенные автором, позволяет создавать надежные компактные газоводяные теплогенераторы, котлы-утилизаторы и водогрейные котлы малой и средней мощности на местном топливе при улучшенном теплообмене и сниженных массогабаритных характеристиках по сравнению с импортными и отечественными аналогами. Особенно актуальны вопросы повышения эффективности и надежности газоводяного теплогенератора при работе на естественной тяге. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является интенсификация теплообмена в дымогарных трубах при малых числах Рейнольдса (Re = 1450ч-5500). Работа направлена на разработку высокоэффективных теплоустановок и выполнена по приоритетному направлению развития энергетики правительства Монголии "Критические технологии в производстве электроэнергии и тепла на органическом топливе"
В настоящее время в энергетике Монголии наряду с 6 крупными ТЭЦ, обслуживающими основные промышленные центры страны (Улан-Батор, Дархан, Эрденет, Чойбалсан), существует более 300 мелких электростанций и котельных с тепловой нагрузкой 0.1*3.0 Гкал/ч и электрической нагрузкой 30-100 кВт, обеспечивающих тепловой и (частично) электрической энергией промышленные предприятия и жилую сферу в районных (аймачных) центрах, рабочих поселках, сомонах и пр. Теплоснабжение в них производится на базе паровых котлов КЕ-25, ДКВР-6.5-13, ДКВР-10-13 и низкоэффективных водогрейных котлов HP-18-27 и 54, БЗУИ единичной мощностью 0.14-Ю.7 Гкал/ч, работающих на угле или жидком топливе, электроснабжение - с помощью дизель—электростанций, работающих в некогенерационных режимах, что заставляет предприятия активно искать возможности для создания собственных генерирующих мощностей на местном топливе.
Цель работы состоит в оптимизации режимов работы и разработке технологичных и надежных конструкций газоводяных теплообменников для котлов-утилизаторов и водогрейных котлов малой и средней мощности с улучшенным теплообменом благодаря использованию различного типа турбулизаторов в дымогарных трубах.
Задачи исследования
- Изучить аэродинамику и теплообмен в трубе с различными вставками в
зависимости от их конструктивных параметров и режимных характеристик
потока в области переходных режимов.
- Выявить характер влияния, основных геометрических параметров
завпхритслей на теплообмен и гидравлическое сопротивление методом
планированного эксперимента.
Получить в обобщенном виде зависимости для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена в гладкой трубе с завихрителями.
Определить эффективность рассматриваемых способов интенсификации теплообмена.
Сформулировать рекомендации по разработке газоводяного теплогенератора с интенсификацией теплообмена.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов обработки эксперимента и соответствующей точностью систем измерений контролируемых параметров, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных, полученных на испытательных стендах и промышленном оборудовании.
Научная новизна:
Выполнен детальный анализ способов интенсификации теплообмена газоподяного теплогенератора при большом диаметре дымогарных труб (50 мм), малых скоростях и сравнительно высокой температуре протекающих в них газов (до 300С).
Исследованы аэродинамика и теплообмен при закрутке газового потока разными завихрителями при малых числах Рейнольдса в зависимости от их
геометрических и конструктивных параметров в области переходных режимов течения.
3 Подобраны корреляции для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена в интенсифицированных трубах в области переходных режимов течения.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований выявлены основные факторы, влияющие на аэродинамику и теплообмен в трубе с различными вставка.ми. Получены расчетные зависимости для определения гидравлического сопротивления и теплообмена. Показана перспективность применения интенсификаторов теплообмена при малых числах Рейнольдса. Для ориентировочного выбора оптимальных геометрических параметров теплообменников составлены расчетные программы, разработанные на базе прикладного пакета программ "STATGRAPI-IICS plus for Windows".
Реализация. Полученные данные использованы в АОЕС Монголии а также в Свердловском филиале ОАО ТГК-9, Управлении «Энергогазремонт» ООО "Уралтрансгаз" при разработке газотрубных котлов-утилизаторов для кооперационных энергетических установок, газоводяных теплогенераторов и отопительных водогрейных котлов малой и средней мощности, модернизации трубчатых воздухоподогревателей паровых котлов ТЭС.
На защиту выносятся:
1 Результаты исследования по интенсификации теплообмена и
оптимальной конструкции газоводяного теплогенератора.
2 Научно-обоснованное решение по усовершенствованию конструкции
газоводяного теплогенератора.
Личный вклад автора состоит в формировании основных предпосылок исследования и разработке методик анализа, в непосредственном проведении комплекса исследований и обобщении их результатов, в проведении стендовых испытаний разрабатываемых газоводяных теплогенераторов.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на: Всероссийской научно-технической конференции (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2002); XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассооб.мена в энергетических установках" {г.Рыбинск, Россия, 2003); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ТЭФ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004); XXVII Сибирском тешюфизичсском семинаре, (Москва - Новосибирск, 2004); Второй всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика" (Москва, МГУЭИ, 2004); The Proceedings of the International Scientific Conference on POWER INDUSTRY AND MARKET ECONOMY (Ulaanbaatar, Mongolia, 2005); XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Калуга, 2005).
Практические результаты представлялись на первой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2002 - диплом); на конкурсе молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003 г. - диплом победителя).
Публпкпцшь По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 10 статей в реферируемых изданиях.
Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы нз 139 наименований и приложений. Общий объем диссертации 153 страницы, в том числе 84 рисунка, 24 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, доктору технических наук Рыжкову А.Ф., который великодушно потратил значительное время на чтение предварительных вариантов рукописи и сделал много ценных замечаний. Автору также приятно поблагодарить зам, заведующего кафедрой «ТЭС» ГОУ «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ-УПИ» доцента к.т.н. Богатову Т.Ф. и весь коллектив кафедры «ТЭС»,. за постоянное внимание и помощь в ходе выполнения всей работы. Очень помогали в работе сотрудники Силин В.Е., Костюнин В.В., коллектив кафедры «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ», за что автор выражает им свою глубокую признательность. Хочется поблагодарить весь коллектив ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА МОНГОЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕН-НОГО УНИВЕРСИТЕТА НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ за поддержку и помощь в работе.
Оценка эффективности и выбор метода интенсификации теплообмена в переходном режиме течения теплоносителя
Актуальность темы. Исследования, проведенные автором, позволяет создавать надежные компактные газоводяные теплогенераторы, котлы-утилизаторы и водогрейные котлы малой и средней мощности на местном топливе при улучшенном теплообмене и сниженных массогабаритных характеристиках по сравнению с импортными и отечественными аналогами. Особенно актуальны вопросы повышения эффективности и надежности газоводяного теплогенератора при работе на естественной тяге. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является интенсификация теплообмена в дымогарных трубах при малых числах Рейнольдса (Re = 1450ч-5500). Работа направлена на разработку высокоэффективных теплоустановок и выполнена по приоритетному направлению развития энергетики правительства Монголии "Критические технологии в производстве электроэнергии и тепла на органическом топливе"
В настоящее время в энергетике Монголии наряду с 6 крупными ТЭЦ, обслуживающими основные промышленные центры страны (Улан-Батор, Дархан, Эрденет, Чойбалсан), существует более 300 мелких электростанций и котельных с тепловой нагрузкой 0.1 3.0 Гкал/ч и электрической нагрузкой 30-100 кВт, обеспечивающих тепловой и (частично) электрической энергией промышленные предприятия и жилую сферу в районных (аймачных) центрах, рабочих поселках, сомонах и пр. Теплоснабжение в них производится на базе паровых котлов КЕ-25, ДКВР-6.5-13, ДКВР-10-13 и низкоэффективных водогрейных котлов HP-18-27 и 54, БЗУИ единичной мощностью 0.14-Ю.7 Гкал/ч, работающих на угле или жидком топливе, электроснабжение - с помощью дизель—электростанций, работающих в некогенерационных режимах, что заставляет предприятия активно искать возможности для создания собственных генерирующих мощностей на местном топливе. Цель работы состоит в оптимизации режимов работы и разработке технологичных и надежных конструкций газоводяных теплообменников для котлов-утилизаторов и водогрейных котлов малой и средней мощности с улучшенным теплообменом благодаря использованию различного типа турбулизаторов в дымогарных трубах.
Задачи исследования - Изучить аэродинамику и теплообмен в трубе с различными вставками в зависимости от их конструктивных параметров и режимных характеристик потока в области переходных режимов. - Выявить характер влияния, основных геометрических параметров завпхритслей на теплообмен и гидравлическое сопротивление методом планированного эксперимента. - Получить в обобщенном виде зависимости для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена в гладкой трубе с завихрителями. - Определить эффективность рассматриваемых способов интенсификации теплообмена. Сформулировать рекомендации по разработке газоводяного теплогенератора с интенсификацией теплообмена. Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов обработки эксперимента и соответствующей точностью систем измерений контролируемых параметров, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных, полученных на испытательных стендах и промышленном оборудовании. Научная новизна: 1 Выполнен детальный анализ способов интенсификации теплообмена газоподяного теплогенератора при большом диаметре дымогарных труб (50 мм), малых скоростях и сравнительно высокой температуре протекающих в них газов (до 300С). 2 Исследованы аэродинамика и теплообмен при закрутке газового потока разными завихрителями при малых числах Рейнольдса в зависимости от их геометрических и конструктивных параметров в области переходных режимов течения. 3 Подобраны корреляции для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена в интенсифицированных трубах в области переходных режимов течения. Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований выявлены основные факторы, влияющие на аэродинамику и теплообмен в трубе с различными вставка.ми. Получены расчетные зависимости для определения гидравлического сопротивления и теплообмена. Показана перспективность применения интенсификаторов теплообмена при малых числах Рейнольдса. Для ориентировочного выбора оптимальных геометрических параметров теплообменников составлены расчетные программы, разработанные на базе прикладного пакета программ "STATGRAPI-IICS plus for Windows". Реализация. Полученные данные использованы в АОЕС Монголии а также в Свердловском филиале ОАО ТГК-9, Управлении «Энергогазремонт» ООО "Уралтрансгаз" при разработке газотрубных котлов-утилизаторов для кооперационных энергетических установок, газоводяных теплогенераторов и отопительных водогрейных котлов малой и средней мощности, модернизации трубчатых воздухоподогревателей паровых котлов ТЭС. На защиту выносятся: 1 Результаты исследования по интенсификации теплообмена и оптимальной конструкции газоводяного теплогенератора. 2 Научно-обоснованное решение по усовершенствованию конструкции газоводяного теплогенератора. Личный вклад автора состоит в формировании основных предпосылок исследования и разработке методик анализа, в непосредственном проведении комплекса исследований и обобщении их результатов, в проведении стендовых испытаний разрабатываемых газоводяных теплогенераторов.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на: Всероссийской научно-технической конференции (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2002); XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассооб.мена в энергетических установках" {г.Рыбинск, Россия, 2003); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ТЭФ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004); XXVII Сибирском тешюфизичсском семинаре, (Москва - Новосибирск, 2004); Второй всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика" (Москва, МГУЭИ, 2004); The Proceedings of the International Scientific Conference on POWER INDUSTRY AND MARKET ECONOMY (Ulaanbaatar, Mongolia, 2005); XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Калуга, 2005).
Практические результаты представлялись на первой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2002 - диплом); на конкурсе молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003 г. - диплом победителя).
Описание экспериментальной установки и обработки результатов опытов
Одним из основных направлений ресурсосберегающей политики Монголии является замещение кондиционных топлив (прежде всего мазута) в малой энергетике регионов местными топливными и биотопливными ресурсами (торф, бурый уголь, сланец, биомасса, промышленные и бытовые отходы).
При наличии соответствующего оборудования использование сравнительно дорогого и низкокачественного местного топлива в отдаленных от линий тепло- электро- и газоснабжения районных становится эффективнее, чем создание сложной инфраструктуры для доставки более дешевого кондиционного топлива либо энергоносителей.
Обобщение зарубежного опыта, научный и практический задел, выполненный специалистами - энергетиками, позволяет определить общие подходы к созданию технической компоненты для вовлечения местных топлив в малую энергетику с целью экономии жидкого топлива и природного газа.
Сущность подхода заключается в реализации общей идеи газификации (тем или иным способом) локальных скоплений горючих органических масс с расчленением процесса сжигания твердого топлива на два проводимых раздельно управляемых подпроцесса (газификация органической массы и дожигание получаемого горючего газа), каждый из которых совершается в отдельном аппарате - газогенераторе и газопотрсбитсле (котле, ГТУ, ДВС) соответственно. Экологические преимущества способа: значительное снижение эмиссии SO2, NOx, сажи и продуктов сгорания в целом по сравнению с прямым сжиганием. Наилучший эффект подавления SOi (связывание оксидом кальция до гипса), достигается при t=800-850C, поддерживаемой в зоне газификации газогенератора, где н реализуется этот этап очистки газов. Оксиды азота NO на первой стадии не образуются вследствие низких температур и восстановительного характера атмосферы, в которую выделяется азот топлива на второй стадии - ввиду малого времени пребывания горячего газа в зоне высоких температур при дожигании. Сажистые фракции в отходящих газах отсутствуют, так как в процессе пиролиза топлива из него отгоняются летучие соединения, несущие «сажистый» углерод, которые в дальнейшем полностью сгорают при хорошем контакте их с окислителем на второй стадии. Эмиссия продуктов сгорания для органических топлив (торф, бурые угли и др.) определяется коэффициентом избытка воздуха на горение, который в случае двустадииного процесса описывается формулой: Здесь а,а},а2- коэффициенты расхода воздуха в целом на процесс, первичного (в газогенераторе) и вторичного (в газопотребителе) воздуха соответственно. Если в качестве газопотребителя служит газогорелочное устройство, оптимальный коэффициент расхода воздуха в котором для воздушного генераторного газа а2 составляет 1.10- 1.15, то общий коэффициент расхода воздуха на процесс [а = 1.03-5-1.04) соответствует газотопливным энергетическим котлам, что существенно меньше, чем для котлов со слоевой топкой [11,140-146]. С другой стороны, можно легко поддерживать в газопотребителе относительно высокий коэффициент расхода воздуха а2, что например бывает необходимо при работе двигателя внутреннего сгорания на бедных смесях либо при количественном регулировании нагрузки агрегата. Историческая справка. Впервые горючий газ из угля был получен в конце XVIII в Англии ученым Мёрдоком для освещения. В России производство светильного водяного газа началось в 1835г. Применение генераторного газа шло по двум направлениям, первое -получение энергетического силового газа для привода газомоторов и второе, промышленно — отопительное - для отопления печей. Первая промышленная печь, отапливаемая генераторным газом, была пущена братьями Сименс в 1861 году. С 1860 года начали применяться поршневые газовые двигатели внутреннего сгорания - газомоторы, причем само их появление стало возможным лишь благодаря развитию технологий производства синтетического силового газа [12,13]. К настоящему времени освоены в промышленности методы Лурги, Копперса- Тотцека, Винклера (относящиеся к процессам газификации первого поколения). С 1960 г. разрабатываются новые более экономичные и эффективные процессы многоступенчатой газификации в кипящем слое под давлением (процессы второго поколения), а также схемы с использованием катализатора или технологического тепла высокотемпературных атомных реакторов (процессы третьего поколения) [12-15]. Опыт газификации топливных ресурсов, накапливаемый с начала прошлого века, получает сейчас новое воплощение (таблица 1.2,1). Это связано с изменениями, происходящими в мировой топливной политике, а также с глобальным ухудшением экологической обстановки. Анализ российского рынка малых теплогенераторов с шахтными газифицирующими предтопками показывает, что производство двухзвенных установок, начиная с мощностей порядка 70-100 кВт, по экономичности сравнимо с классическими однозвенными при значительно более высоких экологических показателях (рисунок 1.2.1).
Будучи наиболее безопасными и наименее материалоемкими, такие установки получают широкое распространение в странах Юго-Восточной Азии, Восточной Европе и в России. Такие установки работают подобно классическим двускатным шахтным топкам с термической подготовкой топлива (таблица 1.2.2) [16-18,156-159].
Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в неизотермической трубе с различными вставками
Впервые влияние взаимного расположения турбулизаторов прямоугольной формы на структуру отрывных зон при Re = 104 -=- 5-10s исследовалось по видимому Липом, Клайном и Джонстоном и проводилось на воде в безградиентном пограничном слое. Результаты этого исследования, описанные в [29,51], приведены на рисунке 1.3.3. При tlh 2 (см. рисунка 1.3.3,а) наблюдается один большой вихрь В и два маленьких А и р в углах. Периодически эта картина нарушается трехмерными выбросами жидкости в ядро потока. При увеличении шага t=4h на рисунке 1.3.3,6 вихрь В растягивается, вихрь А увеличивается и появляется новый небольшой вихрь в углу А". При / 8h оторвавшийся поток присоединяется к стенке (рисунок 1.3.3,в).
От точки присоединения часть потока поступает в зону отрыва длиной z со стационарным вихрем А и нестационарным А", а основная масса поступает вниз по течению, где перед турбулизаторам снова образуется отрывная зона длиной z с двумерными вихрями р1 н р". Длина отрывных зон нестабильна и колеблется в пределах ±0.5Л. Большой вихрь В имеет ячеистую трехмерную структуру, которая является следствием периодических во времени трехмерных выбросов жидкости из вихря одновременно в сечениях, отстоящих друг от друга на примерно одинаковых расстояниях вдоль турбулизатора. Сравнительная оценка тепловой эффективности сплошной и дискретной шероховатости приводила [25,39] заключению, что интенсификация теплоотдачи отдельными выступами (дискретными турбулизаторами пристенного слоя потока) до уровня, практически соответствующего сплошной шероховатости, достигается при существенно меньших потерях давления на гидросопротивление. Отсюда авторы делают вывод, что дискретная шероховатость в качестве способа интенсификации теплообмена наиболее предпочтительна.
Вихревая зона потребляет энергию осредненного движения основного потока и частично возвращает ее в поток, главным образом, в области, прилежащей к диафрагме части границы вихря АВ, в виде кинетической энергии пульсационного движения, которая в форме крупных пульсаций скорости сносится основным потоком вдоль линий тока и диффундирует в стороны от них. Перемещаясь вниз по потоку, энергия крупных пульсаций скорости передается более мелким пульсациям, которые постепенно затухают, а их кинетическая энергия переходит в теплоту. Распространение пульсаций поперек потока происходит сравнительно медленно. При достаточно малой высоте диафрагмы h за ней формируется небольшая отрывная зона течения теплоносителя (вихрь), граница которой с потоком (линия ЛВ) расположена близко стенке. Такой «топкий» вихрь обеспечит пульсационное разрушение пристенной области, увеличение в ней турбулентной теплопроводности, Интенсификация теплоотдачи произойдет при незначительном увеличении потерь давления. Диафрагмы целесообразно располагать на таком расстоянии друг от друга, чтобы кинетическая энергия пульсаций от вихря предыдущей диафрагмы успевала диссиппровать на пути до следующей диафрагмы. В этом случае диффузия пульсаций в ядро будет незначительна. Большая высота колец h энергетически невыгодна, она приводит к значительной и бесполезной с точки зрения интенсификации теплообмена турбулизации ядра потока и большим гидравлическим потерям.
Для труб со спирально накатанными выступами на внутренней поверхности выполнен определенный теоретический анализ процессов течения и теплообмена в трубе, проведены довольно обширные опытные исследования, осуществлены промышленные испытания [31,67-70].
В трубах со спиральными низкими выступами или с ребрами интенсификация теплообмена обусловлена совместным проявлением двух факторов: турбулизацией и разрушением пристенного слоя течения выступами и закруткой пристенного потока под действием выступов (или ребер). Визуализация течения и измерения профиля скоростей в потоках воды и воздуха показали [31,71-74], что поток воды закручивается существеннее, чем воздух. Профили скоростей для воды и воздуха отличаются между собой. Влияния высоты спирального выступа на теплообмен и трение аналогично воздействию поперечного кольцевого вьісіупа.
Интенсификация теплообмена в каналах посредством системы поперечных кольцевых выступов на стенке - (дискретно шероховатых каналов) обеспечивает при переходном, и особенно при ламинарном, режиме течения увеличение коэффициента теплоотдачи в несколько раз по сравнению с гладкостенным каналом [23,25,26,31,75,76]. В ламинарной области течения нарастание уровня теплоотдачи значительно опережает увеличение сопротивления. Соответственно повышается экономическая эффективность интенсифицированного теплообменного оборудования.
На базе анализа экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена в каналах с обратными уступами, поперечными канавками, внезапным расширением, выступами на стенке предлагается модель обтекания выступов в дискретно шероховатом канале ламинарным и переходным потоками (рисунок 1.3.5) [31]. Сущность модели следующая. При локальном значении числа Рейнольдса обтекания выступа Re = ojiiv 120 гарантировано отрывное течение около выступа (со -скорость внешнего течения или на оси канала; h высота выступа; остальные обозначения здесь и далее традиционные). После выступа образуется рециркуляционная зона (РЗ) 1. От кромки выступа (точка А; х = 0) по поверхности РЗ (линия Ахк) до точки присоединения хк образуется вязкий слой, который далее присоединяется к стенке и трансформируется во внутренний ламинарный пограничный слой (ВЛПС), развивающийся вдоль стенки до следующего выступа.
Оба слоя (вязкий и пристенный) можно рассматривать в качестве единого, непрерывного, последовательно формирующегося (от точки А) пограничного слоя -ВЛПС 2. Вязкий слой на участке Ахк обладает свойствами слоя смешения. На границе Ахк распределение касательных напряжений трения т и профили скорости в вязком слое аналогичны распределению соответствующих параметров на пластине. Отличие т в вязком слое от т пластины составляет 11% (это, вероятно, связано с тем, что тонкий слой жидкости («жидкая стенка»), прилегающий к границе Ахк со стороны РЗ, движется с малой скоростью вслед за слоем 2). В пределах ВЛПС 2 после точки присоединения хк толщина слоя, профили скоростей и температур приближенно соответствуют обычному «стандартному» течению на пластине (по Блазиусу).
Выбор технических решений для модернизации водогрейной отопительной установки
Методика эксперимента и определения интегральных характеристик (чисел Nu и Re, коэффициента гидравлического сопротивления) построена на принципе косвенного измерения искомых величин и однократных наблюдений показаний средств измерений. При этом абсолютная погрешность прямого измерения температур стенки и воздуха, координат теплофизических свойств среды, перепада давления, расхода и других величин поддается точной оценке.
Для проверки обеспечения воспроизводимости функции преобразования применяемых хромель- алюмелевых терм о преобразователей проводилась их градуировка в диапазоне температур 18-ь250С при температуре холодного спая, равной 0С. Результаты градуировки подтвердили практически полную идентичность показаний использованных термопреобразователей.
Проверка работоспособности испытательного стенда производилась на гладкой трубе путем сравнения в области Re =3000-г 5000 экспериментальных значений а с формулами (2.1.22-2.1,24) для турбулентного и ламинарного режимов. Сравнение экспериментальных значений в области Rcu =2000 + 12000 производилось с расчетными по эмпирической формуле Блазиуса (2.1.17), применяемой при Re 3000. Испытания показали (рисунок 2.1.7), что для рабочего участка без завихрителя в переходном режиме течения экспериментальные коэффициенты а наиболее близки (с отклонением ±10%) к расчету по формуле Михеева (2.1.23), а значения коэффициентов гидравлического сопротивления при Rc 2500 расходятся на величину до 25%
Для определения области рабочих параметров интенсификатора целесообразно использовать известную методику планированного эксперимента. Методика планированного полтора рабочих параметром иптспенфикатора Планирование эксперимента - это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения постановленной задачи с требуемой точностью [112]. При этом существенно следующее: 1. Стремление к минимизации общего числа опытов; 2. Одновременное варьирование всеми переменными, определяющими процесс по специальным правилам - алгоритмам; 3. Использование математического аппарата, формализующего многие действия экспериментатора; 4. Выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованное решение после каждой серии экспериментов. Планирование эксперимента предполагает поиск рациональной последовательности получения данных о свойствах изучаемых объектов или явлений. Рациональная схема («план») эксперимента позволяет получить максимум информации при минимальной затрате времени и средств, создавая условия для экспрессного достижения цели исследования, сокращения затрат времени как на эксперимент, так и на статистическую обработку результатов [113]. План проведений эксперимента включает три этапа. 1. Подготовительный. 2. Оценочный. 3. Оптимизационный. Первый этан - подготовительный, выполняется в рамках поисковых исследований аэродинамики и теплообмена при малых числах РеГшольдса, излагаемых разделах 2.Ї; 3.1; 3.2; 3.3. В нем были выбраны два турбулизатора, дающих наиболее заметный прирост а при наименьшем увеличении APf и — скрученные ленты и проволочные вставки, выявлены параметры их конструкции, воздействующие на процесс тепломассообмена. Эти параметры именуются здесь "факторами", а количественная характеристика результата - "функцией отклика" [112, 114]. Для турбулизатора, имеющего форму скрученной ленты (рисунок 2.1.4а), в разделе 2.L были названы следующие четыре фактора, значимые в формировании перепада давления ДР, гидравлического сопротивления и среднего коэффициента теплоотдачи а рабочего участка. Это - средняя скорость воздуха в трубе (отнесенная к полному сечению трубы) со, толщина скрученной ленты 5, шаг скрученной ленты s, ширина ленты а. В случае изготовления турбулизатора из скрученной проволоки (рисунок 2.1.3) в качестве факторов выступят скорость воздуха в трубе со, диаметр проволоки -/„, шаг проволочной вставки s. Локальная область проведения эксперимента выбирается в два этапа: определение основного уровня и интервалов варьирования. Основной (нулевой) уровень - многомерная точка в факторном пространстве, задаваемая комбинацией уровней факторов. При выборе интервалов варьирования факторов для каждого фактора определяются два значения (уровня), на которых он варьируется в эксперименте. Уровни факторов изображаются двумя точками на координатной оси, симметричными относительно основного нулевого уровня х„. Уровень, соответствующий большему значению фактора, именуется верхним (х ), другой - нижним (jfmill). Для упрощения записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных масштабы по осям задают так, чтобы верхний уровень соответствовал +1, нижний -1, основной нулю. На выбор интервала варьирования (Av) накладываются ограничения снизу (он не может быть меньше ошибки фиксирования уровня фактора) и сверху (верхний или нижний уровни не должны выходить за область определения).
Коэффициенты, вычисленные по результатам эксперимента, указывают на силу влияния факторов. «Эффект» фактора численно равен удвоенному коэффициенту. Если эффект одного фактора зависит от уровня, на котором находится другой фактор, это говорит о наличии эффекта взаимодействия двух факторов. Для количественной оценки эффекта взаимодействия получают столбец произведений этих факторов и обращаются с ним как с вектор столбцом любого фактора. Эксперимент, в котором реализуются вес возможные сочетания уровней факторов, называется «полным факторным экспериментом» (ПФЭ) [116].
Число опытов JV, необходимых для проведения полного факторного эксперимента, с числом уровней каждого фактора равным двум, составляет: N = 2к. В эксперименте со скрученной лентой А: = 4; с проволочной вставкой А: = 3. Условия эксперимента представляют в виде таблицы- матрицы планирования, где строки соответствуют различным опытам, а столбцы -значениям факторов. Геометрическая интерпретация полных факторных планов: план 2 задается координатами вершин квадрата, план 2 -координатами вершин куба, при к 3 - координатами вершин гиперкуба.
Приступая к изучению влияния факторов на трубе со скрученной лентой и проволочной вставкой, на первом этапе определим вид уравнения, коэффициенты которого найдем, реализовав опыт. Для этого выбираем условный нулевой уровень, единицы варьирования факторов (таблица 2.2.1).
При составлении матрицы планирования исходят из того, что в данном эксперименте должны быть исчерпаны все возможные комбинации значений факторов, варьируемых на верхнем и нижнем уровнях.
Похожие диссертации на Разработка и исследование высокоэффективных теплоэнергетических установок для ТЭС Монголии
