Разработка элементов теории и анализ процессов расширения парогазовой смеси в турбодетандере Галдин, Владимир Дмитриевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ, Одшщ га основных элементов ряда холодильных и криогенных установок н систем конднциоїшровшпія является турбодетандер (ТД). Детандер іпрает роль основного генератора холода, поэтому надежность и эффективность его работы во многом определяют технико-экономические показатели установок.

Особым направлением в развипі1і"турбодетандеростроеіпія в последнее время стало создание детандеров, работающих с изменением агрегатного СОСТОЯІПМ рабочего вещества в проточной части. Наличие в потоке жидкости я кристаллов способно привести к повышенным газодинамическим потерям, неустойчивой работе машины и эрозионному износу проточной части.

До недавнего времени считалось недопустимой работа ТД в двухфазной облаете. Однако в поелсдотз годы созданы различные наппшы, работшощпо с конденсацией рабочего вещества в проточной части, что дает возможность повысить технико-экономические показатели ряда установок, з частности установок ожіжешга воздуха, азота, водорода, гелия, этана и природного газа, установок низкотемпературной сепарации природного газа и хондіщпоїшрозаііия воздуха.

Одним из перспективных способов получеіпія твердого диоксида углеродз (COj) является его вымораживание - десублимация - из потока продуктов сгоршшя топлива (ПСТ), расширяющихся в ТД. Получсішо тасрдого С0₂ нз ПСТ оказывает существенный экологический эффект и имеет важное ішроднс-хозяйстветтое значите в связи с полезным использованием СОї а ряде отраслей промышленности.

Обзор исследования процессов расширения парогазовой смеси (ПГС) в ТД и методов их расчета позволил установить, что до настоящего времени проблема получения твердой или жилкой компоненты из газовой смеси с помощыо ТД до конца не решена. Отсутствует математическая модель процесса расширения ПГС в осевом детандере с учетом элсме;гтов кинсптаї фазового перехода. В методах расчета процессов расширения ПСТ и влажного воздуха не учтен ряд особенностей, связанных с образовашем кристаллов СОї и капелек жидкости и их влиянием на надежность и эффективность работы детандера.

Все это в совокупности определяет необходимость и целесообразность разработки элементов теории и анализа процессов расширения ПГС з ТД, которые выполнялись на основании ряда государственных решений н программ:

целевой комплексной научно-технической программы ПСНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.1980 г. JU474/250/132 0.Ц.0О2. Создание новых видов оборудования для производства электрической и тепловой энергии П.Н2;

комплексной программы Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы». Координационный план проблемного Совета «Экологическая технология» на 1981-1985 г.;

пйстанов.и~ния Совета Министров РСФСР№606 от 09.11.81 г.;

- государственной научно-технической программы «Экологически чистая электростанция» в соответствии с постановлениями ПШТ от 23.07.90 г. № 710 и 15.10.91 г. Ла 1267.

Предложенная разработка элементов теории и анализ процессов расширения ЯГС в ТД могут быть квалифицированы как научный труд, в котором на основании выполненных исследований осуществлено решение важной народнохозяйственное проблемы получения твердой или жидкой компоненты из газовой смеси с помощью турбодетандеров.

ЦЕЛИ II ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основной целью являлось

разработка элементов теории н анализ процессов расширения парогазовой смеси в турбодетшідсре, получений практических рекомендаций для проектных организаций по выбору параметров, расчету и конструкции ТД.

Для достижения основной цели работы были поставлены следующие задачи ^исследований.

В теории: і

разработать математическую модель процесса. расширения ПГС в турбодстандере с учетом элементов кинетики фазового перехода, реальных свойств рабочего вещества, изменения массы твердой (жидкой) фазы вдоль проточной части машины, работы и теплоты сил трения;

выявить особенности -процесса получения твердого СО? из ПСТ, расширяющихся в турбодстандере;

исследовать влияние начальных параметров ПСТ и геометрии проточной части на газодинамику потока, место расположения скачка кристаллизации и размер частиц С0₂;

разработать методику термодинамического расчета и на ее основе выполнить анаши эпергетнчесгагх показазелей процессов расширения ПСТ;

разработать рекомендации по определению места. кристаллизации COj в проточной част» турбодетавдера;

выполнить анализ течения переохлажденного потока влажного воздуха в проточной части турбодетандера;

разработать методику термодинамического расчета равновесного и неравновесных процессов расширения влажного воздуха и на ее основе определить энергетические показатели процессов.

В эксперименте:

разработать и создать опытно-промышленную установку для совместного производства теплоты, холода и твердого СОз (экспериментальный стенд У,

выполнить исследование процессов расширения в турбодетандере "сухого" и влажного воздуха; "сухих" н влажных ПСТ, а также процесса расширения ПСТ в режиме получеігяя твердого COj.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использован комплексный подход к решению рассматриваемой проблемы, включающий обобщение и анализ литературных материалов и дальнейшее развитие элементов теории процессов ^расширения парогазовой смеси в турбодстандере. Теоретические исследования проводились с применением фундаментальных законов физики, термодинамики и газодинамики, современных методов численного решения задач на ЭВМ. Для

проверки достоверности математических моделей выполнены экспериментальные исследования процессов расширения "сухого" и влажного воздуха, "сухих" и влажных ПСТ и ПСТ в режиме вымораживания С0₂ на опытно-промышленной установке, оборудованной новейшими приборами. НАУЧНАЯ НОПНЗНЛ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель процесса расширения парогазовой смеси в турбодетандерс с учетом элементов кинетики фазового перехода, реальных свойств рабочего вещества, изменеїшя массы твердой (жидкой) фазы вдоль проточной части машины, работы и теплоты сил трения.

2. Выявлены особенности процесса получения твердого COj из ПСТ, расширяющихся в турбодетандере.

3. Исследовано влияние начальных параметров ПСТ и геометрии проточной части на газодинамику потока, место расположения скачка кристаллизации и размеры частиц С0₂.

4. Разработаны новые методики термодинамического расчета равновесного н неравновесных процессов расширения ПСТ н влажзгого воздуха, на основе которых изучены энергетические характеристики процессоа.

5. Получены основные уравнения течетія влажного воздуха в проточной части ТД с учетом элементов кинетики фазового перехода, на основе которых впервые выполнен анализ течения переохлажденного потока влажного воздуха.

6. Разработана и создана опытно-промышлешия установка для комплексного производства теплоты, холода и твердого ССЬ-

7. Получены новые результаты экспериментального исследования процессов расширения в турбодетандере "сухого" и влажного воздуха, "сухих" и влажных ПСТ, а также ПСТ в режиме получения твердого COj.

8. Математическую модель процесса расширения ПГС в турбодетандере с учетом элементов кинетики фазового перехода, реальности рабочего вещества, изменения массы твердой (жидкой) фазы вдоль проточной части машины, работы н теплоты сил трения.

9. Результаты теоретического исследования процесса расширения в проточной части турбодетандера ПСТ с кристаллизацией парой С0₂ и пляжного воздуха с фазовым переходом водяных паров.

10. Результаты теоретического исследования энергетических показателей процессов расширения ПСТ и влажного воздуха в турбодетандере.

11. Рекомендации по определению места кристаллизации СС₂ п проточной части турбодетаї гдера.

12. Результаты экспериментального исследования турбодегандера на «сухих» и влажных ПСТ и ПСТ в режиме вымораживания СО;.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РА КОТЫ СОСТОИТ: - в создании опытно-промышленной установки для совместного производства теплоты, холода и твердого СО? и результатах экспериментального исследования турбодетандера на «сухом» и влажном воздухе, «сухих» и влажных ПСТ и в режиме вымораживания СО^

в разработке на основе теоретических исследований принципов управления процессом расширения ПСТс вымораживанием СОз в турбодетандере;

в разработке для инженерной практики условной диаграммы TS для IICT в области кристаллизации паров С0₂;

в создании методик определения начала возможного эрозионного износа элементов проточной части ТД от наличия твердого С0₃ в потоке ПСТ;

в разработке методик термодинамического расчета процессов расширения ПСТ с кристаллизацией паров ССЬ и влажного воздуха с фазовым переходом водяных паров.

РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Результаты исследований использованы при создании и освоении опытно-промышленной установки в НПО «Сибкриотсхника», Омском моторостроительном конструкторском бюро при разработке термобаромстрических установок, СЗО ВНИ1 Шэнергопрома при разработке энергоустановок с глубоким охлаждением уходящих газов и получением COj в нефтедобывающей промышленности, Сибирском отделении ВНИПИэнергопрома и НПО ЦКТИ при проектировании крупномасштабного стенда для комплексного производства теплоты и твердого СОь а также при разработке концепции создания экологически чистой электростанции с осуществлеішем на последнем этапе значительного сокращения выбросов С0₂ в окружающую среду.

Материалы диссертации используются в учебцом процессе при изучении курсов "Холодильные машины" и "Холодильные установки", читаемых на кафедре холодильных машин и установок (ХМУ) ОмІТУ. Автором диссертации опубликовано учебное пособие "Получение твердого диоксида углерода из расширяющегося газового потока".

АПРОБАЦИЯ PAROTM. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены н одобрены на международных, всесоюзных и республиканских конференциях: ВНПК «Мнкрокриогснная техника - 84» (Омск, ІШО «Микрокриогенмаш», 1984), НТК «Интенсификация работы холодильных установок» (Владивосток, Дальрыбвтуз, 1985), ВНПК «Интенсификация производства и применения искусственного холода» (Ленинград, ЛТИХП, 1986), ВНТК «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» (Иваново, ИЭИ, 1989), ВНТК «Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности» (Владивосток, Дальрыбвтуз, 1989), ВНТК «Холод - народному хозяйству» (Ленинград, ЛТИХП, 1991), XXX научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов «Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высшего образования» (Омск, ОмПИ, 1994), X МНТК по компрессорной технике (Казань, НИИтурбокомпроссор, 1995Х МНТК «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск; ОмГТУ; 1995), МНТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, ТюмГНГУ, 1996Х МНТК «Холод И пищевые производства» (Санкт-Петербург, СПбТАХПТ, 1996), Международной конференции «Математические модели и численные методы механики сплошных сред» (Новосибирск, СО РАН, 1996), The International Scientific Conference «Rational Use of Secondary Products in Agriculture»

(Krasnodar, KSTU, 1997), MHTK «Динамика систем, механизмов и маниш» (Омск, ОмГТУ, 1997).

ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные материалы диссертации изложены в 44 публикациях, среди которых 6 авторских свидетельств СССР и одно учебное пособие.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений, в которых приведены акты о реализации результатов работы. Общий объем диссертации 4IQ стр., в том число 231 основного текста, 119 рисунков, 5 таблиц. Список использованной литературы содержит 226 наименований.