Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Энерегосберегающие теплонасосные технологии, теплообменные аппараты для нагрева сетевой воды. состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Области применения ТН 9
1.2. Рабочие вещества ТН 11
1.3. Основной водонагревающий элемент ТНС02 23
1.4. Выводы 33
ГЛАВА 2. Расчетно-теоретическое исследование. разработка методики расчёта водонагревателей ТНС02 34
2.1. Определение рабочих параметров ГО ТНС02 34
2.2. Математическая модель теплообмена в ГО ТНС02 43
2.3. Алгоритм проектного расчёта 49
2.4. Алгоритм поверочного расчёта 51
2.5. Выводы 59
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование водонагревателей тнс02. обобщение результатов исследования 60
3.1. Объект исследования 60
3.2. Программа проведения исследования 62
3.3. Методика проведения исследования 63
3.4. Стендовое оборудование и средства измерения 63
3.5. Методика обработки результатов измерений 71
3.6. Погрешности определения основных величин при испытаниях и обработке результатов 73
3.7. Обобщение результатов исследования 76
3.8. Выводы 80
ГЛАВА 4. Численное исследование параметров водонагревателей ТНС02 81
4.1. Методика проведения численного исследования 81
4.2. Результаты численного исследования водонагревателей в составе ТН 85
4.3. Выводы 91
Основные результаты работы 93
Список литературы
- Рабочие вещества ТН
- Математическая модель теплообмена в ГО ТНС02
- Методика проведения исследования
- Результаты численного исследования водонагревателей в составе ТН
Введение к работе
Энергосбережение - одна из основных проблем, решаемых мировым сообществом в настоящее время. Преследуются две основные цели — сохранение невозобновляемых энергоресурсов и сокращение вредных выбросов в атмосферу продуктов сгорания, являющихся, в частности, основным фактором глобального потепления.
В связи с этим заметное развитие получает так называемая нетрадиционная энергетика, использующая солнечную, ветровую, геотермальную энергию, энергию биомассы и другие виды возобновляемых источников энергии.
В этом ряду особое место занимают тепловые насосы (ТН, термотрансформаторы), использующие для теплоснабжения низкопотенциальное тепло природных, промышленных и бытовых источников.
Основным рабочим веществом ТН, в настоящее время, являются фреоны. Однако, в соответствии с Международными соглашениями, происходит постепенный отказ от этих экологически не безопасных веществ и их замена на природные рабочие вещества. Одним из наиболее перспективных природных рабочих веществ ТН является диоксид углерода (R744, СО2), который не горюч, не токсичен, не разрушает озоновый слой и имеет минимальный потенциал глобального потепления. Его уникальные термодинамические и теплофизические свойства позволяют создавать высокоэффективные ТН весьма большой тепловой мощности.
В настоящее время в России в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» по теме №24: «Создание технологий и оборудования
для использования низкопотенциальных тепловых ресурсов для целей теплоснабжения», с участием МГУИЭ, создаются ТН, работающие на R744 (ТНС02). Это принципиально новые машины, практически все элементы которых разрабатываются впервые. Теплообменный аппарат — водонагреватель (газоохладитель, ГО ТНС02) относится к основным элементам ТНС02 и во многом определяет технико-экономические показатели теплового насоса.
В ТНС02 осуществляется газожидкостный
термодинамический цикл, в отличие от фреоновых ТН, в которых
реализуется парожидкостный цикл. При условиях работы ГО
ТНС02 параметры состояния рабочего вещества (R744) целиком
лежат в околокритической области при сверхкритическом
давлении (СКД). Околокритическая область характеризуется
существенной переменностью теплофизических свойств
однофазного R744 в зависимости от температуры при постоянном давлении.
Для создания ГО ТНС02 необходимы надёжные данные о закономерностях теплопередачи между рабочим веществом (R744) при СКД и теплоносителем (сетевая вода). Экспериментальные данные по теплоотдаче от охлаждаемого R744, в полной мере отвечающие условиям и режимам работы реальных ГО ТНС02, в настоящее время, отсутствуют.
Должны быть разработаны рациональные конструкции ГО ТНС02.
Исходя из вышеизложенного, в настоящем исследовании,
поставлена цель — создание высокоэффективных
водонагревателей тепловых насосов ТНС02, работающих на диоксиде углерода (R744) в качестве рабочего вещества.
Научная новизна
Определены актуальные рабочие условия и требования к ГО ТНС02; предложены конструкции ГО ТНС02 малой и большой тепловой мощности.
В условиях резкой переменности теплофизических свойств в процессе охлаждения R744 при СКД получены новые экспериментальные данные по теплообмену в водонагревателях, в режимах актуальных для ТНС02, при массовой скорости рабочего вещества более 500 кг/м с.
В результате проведённого исследования установлено определяющее влияние массовой скорости R744 на коэффициент теплоотдачи. Определены максимальные значения массовой скорости рабочего вещества и теплоносителя при допустимых перепадах давлений в каналах, при которых коэффициент теплоотдачи со стороны R744 превышает достижимые значения для фреонов более чем в четыре раза.
Разработана методика расчёта реальных ГО ТНС02.
Выявлено, что реализация высоких массовых скоростей в ГО ТНС02 позволяет сократить удельную массу аппарата, по сравнению с фреоновыми аналогами, более чем в полтора раза.
В результате численного исследования разработаны рекомендации по проектированию реальных ГО ТНС02: по значениям массовой скорости рабочего вещества; по скорости сетевой воды; по размерам теплообменных трубок; по схемам трубных пучков.
Іїрактическая ценность и реализация результатов
Разработана методика расчёта водонагревателей ТНС02.
Обоснован выбор конструкций водонагревателей малых (до 100 кВт) и крупных (до 20 МВт) ТНС02.
Даны рекомендации по выбору параметров и расчёту реальных водонагревателей ТНС02.
Результаты работы использованы НПФ «ЭКИП» при создании пилотного образца ТНС02 тепловой мощностью 20 кВт по заказу Минпромнауки РФ.
Апробация работы
Основные научные результаты работы были доложены и
обсуждены на Международной конференции и V Международном
симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов
«Инженерная защита окружающей среды» (г. Москва, 2001),
Научной конференции студентов и аспирантов «Техника низких
температур и экология» (г. Москва, 2002), на XIV Школе-семинаре
молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН
А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в
энергетических установках» (г. Рыбинск, 2003), а также на VII
Международной научно-практической конференции
«Энергопроизводство, энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения» (г. Пермь, 2004).
Рабочие вещества ТН
В связи с тем, что количество тепловых насосов в мире насчитывает миллионы единиц и продолжает увеличиваться, особое внимание уделяется к применяемым в ТН рабочим веществам [14].
Список рабочих веществ, используемых в ТНУ, достаточно велик. Однако Монреальским протоколом (1987) по использованию рабочих веществ, разрушающих озоновый слой, запрещено применение хлорфторуглеродов (CFC) в промышленно развитых странах. Временно допускается использование гидрофторуглеродов (HCFC). В промышленно развитых странах оно ограничено до 2020 года, а в некоторых государствах внутренними нормативами предписывают более раннее прекращение использования HCFC (например в Германии для R22 - конец 1999 года) [96,97].
Следует принимать во внимание также другое воздействие хладагентов на окружающую среду - создание парникового эффекта. Как указано в Протоколе Киото (1997), значительный парниковый эффект также создают недавно появившиеся озонобезопасные вещества класса HFC, заменившие CFC и HCFC [66,68,96,97].
Подобная ситуация ведет к увеличению использования природных хладагентов. Этими веществами, в частности, являются аммиак и углеводороды. Они не воздействуют на озоновый слой и не создают парникового эффекта, однако воспламеняемы и/или токсичны [66].
Поэтому в 1990 году профессором Густавом Лоренценом в качестве альтернативного хладагента был предложен диоксид углерода С02 (R744), использовавшийся ранее, в начале XX века, в холодильной промышленности и холодильном транспорте [83,84].
Фреоны, вода и R744 имеют нулевой ODP (потенциал разрушения озонового слоя) и незначительный GWP (потенциал глобального потепления) в отличие от веществ класса CFC и HCFC. Что касается веществ класса HFC (таблица 1.1), их ODP равен нулю, a GWP составляет от нескольких сотен для R142b и более тысячи для R134a [29].
По критериям пожаробезопасности среди природных хладагентов R744 выделяется, как средство пожаротушения.
При использовании R744 в качестве хладагента его влияние на глобальное потепление ничтожно мало по сравнению с HFC. Таким образом, использование R744 в качестве хладагента может быть перспективным ввиду его малого воздействия на окружающую среду [22].
При работе холодильной системы ее влияние на глобальное потепление выражается критерием TEWI [66] (значение полного эквивалента глобального потепления). Это влияние определяют две составляющие: 1. Эмиссия хладагента (прямой вклад). 2. Эмиссия СОг (парникового газа) при выработке электроэнергии для работы холодильной установки (косвенный вклад).
Поэтому при оценке влияния хладагентов на глобальное потепление, необходимо учитывать, что преимущества R744 очевидны лишь в том случае, когда величины энергетической эффективности сопоставляемых циклов близки [15,26,54,56,66].
В отчете UNEP [94] от 1991 года указывалось, что в области холодильной техники наибольшей эмиссией хладагента характеризуются автомобильные кондиционеры. Они вносят наибольший вклад в TEWI. Поэтому Лоренцен прежде всего обратил внимание на применение надкритического цикла с R744 в автомобильных кондиционерах. Транспорт может стать преобладающей областью применения R744 [66].
Торговое холодильное оборудование, включая системы, используемые в супермаркетах, вносит большой вклад в TEWI вследствие значительного объёма холодильных систем. Каскадные системы с R744 в качестве хладагента нижнего каскада или хладоносителя позволяют снизить прямой вклад в TEWI без увеличения потребления энергии. Напротив, использование R744 в верхней ступени холодильной установки супермаркета приводит к увеличению потребляемой энергии [82].
Третье место по прямому вкладу в TEWI занимают кондиционеры и тепловые насосы [66], которые в настоящее время находят всё более широкое применение в области теплоснабжения. Малые ТН осуществляют теплоснабжение индивидуальных домов (коттеджи), крупные -микрорайонов (нагрев сетевой воды).
С учетом увеличения потребности в ТН и необходимости создания ТН большой тепловой мощности применение R744, в качестве рабочего вещества ТН, имеет широкие перспективы [23,56,86].
R-744 обладает уникальными теплофизическими свойствами [6,22,44,62] и занимает особое место среди альтернативных рабочих веществ для тепловых насосов (ТН) (см. табл. 1.1).
Математическая модель теплообмена в ГО ТНС02
В результате анализа технологических требований к ТН и расчёта параметров оптимальных термодинамических циклов ТНС02 определено поле рабочих температур и давлений ГО ТНС02: давление нагнетания - Р2 = 9,0... 13,0 МПа; температура R744 на входе в ГО ТНС02 -12 = 85... 110С; температура R744 на выходе из ГО ТНС02 -13 = 30.. .55С; температура теплоносителя на входе в ГО ТНС02 - twi = 25...50С; температура теплоносителя на выходе из ГО ТНС02 - tw2 = 60...80С.
Выявлено, что параметры состояния R744 в ГО ТНС02 полностью находятся в околокритической области, где при постоянном давлении теплофизические свойства, прежде всего плотность и теплоёмкость, значительно изменяются при незначительном изменении температуры.
По условиям работы ГО ТНС02 температура газообразного R744 вдоль канала изменяется существенно и нелинейно, что должно быть учтено методикой расчёта аппарата. Кроме того, и в одном сечении канала -необходимо учитывать влияние градиента температуры в пристеночном слое трубки.
Для расчёта теплоотдачи при постоянных (слабопеременных) свойствах теплоносителя использована зависимость на основе корреляции Петухова-Кириллова [49]: Nu = ( 78)Re-Pr 1 + 900/Re +12.7( %)172 (Рг2/3 -1) (2.1) Коэффициент гидравлического сопротивления теплоносителя при постоянных свойствах рассчитывается по формуле Филоненко [52]: =(l.821gRe-1.64)"2 (2.2) Расчёт чисел Нуссельта в (2.1) для рабочего вещества ведётся по среднемассовой температуре в сечении.
Для учёта градиента температуры в пристеночном слое используется поправка Краснощёкова-Протопопова к числу Нуссельта [35]: Nu = Nu \ РО J р. \Рп (2.3) где 77" I, — „ / 1 С л_ Р т у (2.4) Поправка для коэффициентов гидравлического сопротивления в (2.2) (Петров-Попов) [47]
Для решения поставленной задачи, в настоящее время используется дискретный метод (разбиение на участки) [2,7,8], который имеет следующие недостатки: не учитывает конвективный теплоперенос от одного сечения к другому, т.е. подразумевается стационарный теплоперенос; задаётся условие локальной однородности температур; деление на участки является интуитивным.
Это приводит, в рассматриваемом нами случае, к существенным отклонениям в интегральных характеристиках аппарата. В данной работе предложен модифицированный дифференциальный (непрерывный) метод расчёта, основанный на решении системы уравнений вида [10, 59]: для теплоносителя в витом аппарате величина %w в (2.20) находится по формуле Жукаускаса (2.12) [11].
В уравнении (2.15) значение гидросопротивления R744 является среднеинтегральным и рассчитывается с учётом (2.5). Значение плотности R744 в уравнении (2.15), также является среднеинтегральным и рассчитывается с учётом градиента в пристенном слое.
В уравнении (2.16), (2.17) и (2.18) значения гидросопротивления и плотности принимаются средними, т.к. свойства теплоносителя являются слабопеременными.
Система уравнений (2.6) описывает изменение температур рабочего вещества и теплоносителя в каждом сечении канала и позволяет находить распределение температур рабочего вещества и теплоносителя по длине канала, в режиме противотока в условиях охлаждения R744, а также среднеинтегральные характеристики ГО ТНС02.
Модифицированный дифференциальный (непрерывный) метод расчёта, имеет следующие преимущества [10,45]: учитывается конвективный теплоперенос от одного сечения к другому; при решении системы уравнений деление на микроучастки происходит автоматически с заданной точностью [67]; уравнения для данной системы получены из уравнений движения для цилиндрического канала [13];
Уравнения движения тепла (баланс импульса) — это строгие трёхмерные уравнения конвективного теплопереноса Навье-Стокса, записанные для турбулентного течения Буссинеска, с использованием гипотезы Прандтля. Это означает, что турбулентный поток импульса и тепла выражается через коэффициенты турбулентной вязкости и теплопроводности [13]. При осреднении этих уравнений по сечению труб, получают систему одномерных уравнений (2.6.) [10,59].
В полученных одномерных уравнениях потоки импульса и тепла на стенке выражаются через эмпирические формулы Филоненко (2.2) и Петухова-Кириллова (2.1), в которых коэффициент гидросопротивления и число Нуссельта находится с учётом поправок Петрова-Попова (2.5) и Краснощёкова-Протопопова (2.3) соответственно.
Система одномерных уравнений (2.6) описывает изменение температур рабочего вещества и теплоносителя в каждом сечении канала, в режиме противотока и позволяет учесть резкую переменность теплофизических свойств R744 при СКД в условиях охлаждения. Решение уравнений (2.1) - (2.6) позволяет находить распределение температур рабочего вещества и теплоносителя по длине канала, а также среднеинтегральные характеристики ГО ТНС02.
Методика проведения исследования
Систематические ошибки при испытаниях исключались тарированием измерительных приборов.
Случайные ошибки исключались из результатов путём сравнения с большинством аналогичных точек при построении рассматриваемых характеритсик водонагревателей ТНС02 и повторным измерением параметров при аналогичных режимах.
Систематическая погрешность возникала в двух случаях: при определении экспериментальных значений интегрального коэффициента теплопередачи и при определении экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи со стороны рабочего вещества (R744).
В первом случае основная погрешность состояла из членов формулы [60]: Qm =Gw Cpw tw (3.14) Следовательно, предельная относительная погрешность данного уравнения равна: &Qro = 0АГ„ + GW (3.15)
Во втором случае, вследствие косвенных измерений расхода рабочего вещества R744, рассчитываемого по формуле: С G -At х-т pw W W с -м (3-16 pa а
Следовательно, предельная относительная погрешность данного уравнения равна: 00.= .+ +!.+ . (3.17) Погрешность определения температур теплоносителя A/w определялась точностью восьмиканального измерителя температуры УКТ38-Щ4, в котором предусмотрена функция индивидуальной поверки термопар погрешность которого составляет 0,5 % и хромель-копелевых термопар, поверенных лабораторным термометром ТЛ4 с классом точности 0,1 и погрешностью 0,2 %. Следовательно, опираясь на работу [60], получаем: 0Л, = л/0.52 + 0.22 = 0.54% A;W= U-J "t"u-z =4-34-/0 (3.18) Погрешность определения давления рабочего вещества /Л wpa определялась точностью образцовых манометров МО 160-0,4 класса точности 0,4 модели 11203 с пределом измерения 16,0 МПа. Абсолютная погрешность измерения давления составила ±0,064 МПа. Следовательно: 0,.=0.1% (3.19)
Погрешность измерения расхода теплоносителя Gw определялась точностью водяных счётчиков горячей СКВГ 90-2/10 (ГО) и холодной СКВ-2/10 (И), прошедших госповерку. Пределы допускаемой погрешности составляют ±3% и ±2% соответственно. Следовательно: 0,. =л/з2+22 =3.6% (3.20) Относительная погрешность определения значений энтальпий рабочего вещества А/а находилась из погрешностей измерителей температуры (аналогичных теплоносителю) и точности расчёта свойств по уравнению состояния Пенга-Робинсона [10,65]. Следовательно: 0л; =л/0.522+0.12 =0.53% Aia --yjv.jz, ти.і -V. J/O (321)
Следовательно суммарная средняя квадратичная погрешность для первого случая (3.16) равна: Єп =V0.542+3.02 =3.1% Qro" " и - -А/» (3.22) Для второго случая (3.17), она составляет: 0r =V0.542+0.12+3.62+0.532 =3.7% (3.23) При проведении исследования расход рабочего вещества, помимо косвенного измерения из уравнения теплового баланса ГО и И, измерялся расходомером - ИППД-Эт (измерительный преобразователь давления с мембранной коробкой). Данный прибор измеряет перепад давления в диапазоне 0,02...0,1 МПа, при рабочем давлении до 16,0 МПа с пределом допускаемой основной погрешности 1,5%.
Результаты численного исследования водонагревателей в составе ТН
При поверочном расчёте (рис. 2.9) задают входные температуры, давление и расходы рабочего вещества и теплоносителя, тепловая нагрузка и теплообменная поверхность. Искомой величиной являются выходные температуры. Численное решение системы уравнений (2.6) осложняется тем, что входные температуры рабочего вещества и теплоносителя заданы на противоположных концах участка интегрирования. В этом случае предложен метод, приводящий исходную систему уравнений к задаче Коши [45], когда граничные условия для температур теплоносителей задаются на одном конце участка интегрирования. Это происходит следующим образом: задаётся предполагаемая выходная температура W2 теплоносителя на J выше входной температуры; в результате решения системы уравнений (2.6) получаем распределение температур теплоносителя и рабочего вещества по длине х, промежуточные значения температур рабочего вещества на выходе Та12 и теплоносителя на входе Tw\ ; если полученное значение Tw\ не совпадает с исходным на величину dyJi ] то происходит обращение к итерационной процедуре и решение системы (2.6) повторяется; если значение J-w\ совпадает с исходным, с заданной точностью, расчет прекращается, а значение температуры выхода рабочего вещества Та 2 является окончателі
Входные параметры v Расчёт свойств по уравнению состояния Пенга-Робинсона У 1 wl 1w\ T J — Система уравнений (2.6) і r j (i) j1 {І) j {І)1 a2 w2 wl , ЦА т( ) — T l г "- м wl 1wl 77 _ T1 (0 a2 — аг НЕТ
Численное решение системы уравнений (2.6) осложняется тем, что входные температуры рабочего вещества и теплоносителя заданы на противоположных концах участка интегрирования (рис. 2.9). В этом случае предложен метод, приводящий исходную систему уравнений к задаче Коши, когда граничные условия для температур теплоносителей задаются на одном конце участка интегрирования. При численном решении системы уравнений (2.6) одно из уравнений интегрируется по ходу течения теплоносителя, в то время как другое уравнение - против течения. Решение этого уравнения относится к классу некорректных задач [67]. В этой ситуации нахождение устойчивого решения основано на минимизации определенного класса функционалов [37]. Данный метод аналогичен методу "пристрелки" при решении обыкновенных дифференциальных уравнений [45].
При существенной переменности свойств рабочего вещества система уравнений (2.6), замыкающих соотношений (2.1) - (2.5) и начальных условий (2.16) и (2.17) может быть проинтегрирована численным методом. Для получения задачи Коши задаем неизвестное граничное условие для теплоносителя: Tw(0) = 3 (2.18) Считаем распределения температур, зависящими от параметра 3: -54 Ta=Ta(Xj) (2.19) Tw=Tw(x j) (2.20) Значение температуры теплоносителя, при X = 0 , находим с учётом (2.17) из условия минимального значения следующего функционала: »(/)=(Г-2( .У)-Г, )2=0 (2.21) Уравнение (2.21) является нелинейным уравнением относительно параметра J . Решение этого уравнения находится итерационным методом Ньютона. Вычисление следующего приближения осуществляется по результатам предыдущего в соответствии с алгоритмом
Таким образом, при заданном значении параметра J на 77-ой итерации решается система обыкновенных дифференциальных уравнений (2.6) при граничных условиях (2.16), (2.17), (2.27), (2.28), заданных при х = 0 (задача Коши). Уточненное значение параметра jn + l находится из (2.24). Итерации прекращаются при достижении минимального значения величины (2.21) с заданной точностью. Данный алгоритм реализован на современном компьютере на основе стандартных процедур в среде MathCAD [65,87].
Расчёт теплофизических свойств рабочего вещества и теплоносителя в обоих случаях проводится по уравнениям состояния Пенга-Робинсона [10], при помощи процедуры «кубический сплайн» в среде MathCAD [87]. Данная процедура в начале расчёта ГО ТНС02 рассчитывает массив теплофизических свойств рабочего вещества и теплоносителя в диапазоне заданных рабочих параметров и при дальнейшем расчёте происходит обращение к данному массиву. Это позволяет существенно ускорить расчёт и сократить время работы на ЭВМ. На рисунках 2.11(а,б,в,г) продемонстрированы графики изменения теплофизических свойств некоторых веществ и R744 при СКД, посчитанных по методу описанному выше.
