Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическая модель процесса циркуляционного разогрева вязкой жидкости 16
1.1. Принцип работы установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива. Расчетные области установки 16
1.2. Разработка математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива 20
Глава 2. Методика реализации разработанной математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива 36
2.1. Общие сведения о методе дискретизации исходных дифференциальных уравнений 36
2.2. Получение дискретных аналогов дифференциальных уравнений 48
2.2.1. Получение дискретных аналогов уравнений движения по оси R 48
2.2.2. Получение дискретных аналогов уравнений движения по оси Z 53
2.2.3. Получение уравнений для поправки скоростей и давления 58
2.2.4. Получение дискретных аналогов уравнений энергии... 62
2.3. Методы решения полученных дискретных аналогов дифференциальных уравнений 67
2.4. Методика решения разработанной математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива 68
2.5. Тестирование разработанной программы 70
Глава 3. Численное исследование работы установок для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива 73
3.1. Исследование работы установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива классической конструкции 73
3.2. Оптимизация конструктивных элементов установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива с направляющим элементом на основе дисперсионного анализа . 99
Заключение 107
Список литературы 110
- Разработка математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива
- Методика решения разработанной математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива
- Исследование работы установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива классической конструкции
- Оптимизация конструктивных элементов установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива с направляющим элементом на основе дисперсионного анализа
Введение к работе
В настоящее время в топливно-энергетическом комплексе России сложилась такая ситуация, что природный газ, который является основным видом топлива для подавляющего большинства котельных и тепловых электростанций, становится, во-первых, дорогим топливом, а во-вторых, на его использование существуют лимиты. Газпром России настоятельно рекомендует шире использовать твёрдое, жидкое топливо, а также нетрадиционные источники энергии. В таких условиях остаточный продукт переработки нефти — мазут — становится важнейшим видом топлива по следующим причинам:
высокая теплота сгорания;
большинство котельных агрегатов, работающих на газе, не требуют реконструкции при переходе на сжигание мазута;
для большинства котельных и тепловых электростанций, сжигающих природный газ, мазут является резервным топливом, и устройства для слива, хранения и подачи мазута уже существуют.
В такой ситуации оборудование топливоподачи должно иметь высокую надежность, постоянно поддерживая мазут в рабочем состоянии. Рабочее состояние мазута определяется его температурой, при которой вязкость топлива позволяет транспортировать его по системе трубопроводов до газогорелочных устройств, распылять форсунками и сжигать. Эта температура
5 зависит от марки мазута. Например, минимальная температура разогрева при
хранении мазута марки Ml00, при которой возможен отбор этого топлива из резервуара, равна 60С, а рекомендуемый диапазон температур 60С-80С. Таким образом, одним из важнейших звеньев в системе топливоподачи мазутного хозяйства является разогрев жидкого топлива при хранении в резервуарах.
Традиционный способ разогрева мазута паром используется во всей теплоэнергетике и котельном хозяйстве. Для разогрева мазута в резервуарах-хранилищах устанавливают змеевики либо секционные подогреватели, через которые пропускают пар, нагревающий мазут. Способ нагрева тяжелого жидкого топлива с помощью встроенных в резервуар паровых теплообменников имеет ряд недостатков:
необходимую поверхность нагрева конструктивно сложно разместить в резервуаре;
возможно обводнение мазута и загрязнение конденсата топливом из-за коррозии труб и течи соединений;
проведение ремонта - сложная операция, т.к. требует отключения резервуара, слива мазута и сложной подготовки внутренней поверхности резервуара и оборудования размещенного в нем для проведения ремонтных работ;
перенос теплоты в резервуаре с топливом осуществляется только за счет теплопроводности и естественной конвекции. Из-за высокой вязкости топлива
и невысокого коэффициента его теплопроводности, который при повышении температуры топлива снижается, процесс разогрева топлива в резервуаре протекает очень медленно. СНиП «Котельные установки» [38] разрешает использование этого способа разогрева топлива при хранении мазута только до марки Ml00. Согласно [38] мазут марки Ml00 и выше разогревать с помощью встроенных в резервуар теплообменников нельзя;
на дне резервуара отстаивается вода и примеси.
Второй способ разогрева тяжелого жидкого топлива, который называется
циркуляционным способом разогрева, лишён вышеперечисленных недостатков
способа разогрева с помощью подогревателей.
Рис. 1. Схема установки для циркуляционного подогрева тяжелого жидкого топлива
1 - подающий трубопровод, 2 - отводящий трубопровод, 3 - резервуар с топливом, 4 - насос, 5 - теплообменник.
7 Автором циркуляционного метода разогрева является З.И.Геллер, который
его разработал и предложил методику расчета. [ 24-26,90]
На рис.1 изображена схема установки для циркуляционного подогрева
тяжелого жидкого топлива. В паромазутном теплообменнике 5 осуществляется
подогрев топлива до температуры 70вС - 120С, в зависимости от его марки.
Горячее топливо подается в резервуар-хранилище 3 по подающему
мазутопроводу 1, ось которого совпадает с осью резервуара. Нагретый мазут
отводится с помощью системы отводящих трубопроводов 2, расположенных
равномерно по периметру резервуара вблизи дна. Циркуляция мазута в системе
осуществляется с помощью насоса 4. Метод циркуляционного подогрева
тяжелого жидкого топлива является наиболее эффективным по следующим
показателям:
из-за интенсивного перемешивания, отложений карбоидов и механических примесей не происходит. Не требуется специальных устройств для размыва донных осадков;
нет отстоя воды на дне резервуара;
метод позволяет разогревать топливо любых марок. Мазут марки Ml00 и
выше рекомендуется разогревать только методом циркуляции.
*
существенно сокращаются теплопотери в окружающую среду;
подогрев циркуляционным способом после длительного холодного
хранения мазута обеспечивает более равномерное распределение
температур во всём объёме резервуара (кроме придонного слоя);
время разогрева при равных условиях при циркуляционном способе
меньше в 1.7 -* 4.3 раза, чем при встроенных подогревателях [24-26, 90];
пуск установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива при изолированных топливопроводах возможен при вязкости топлива в резервуаре 200-300 ВУ [25, 38]. При обогреве всасывающих топливопроводов этот предел расширяется;
температурный уровень подогрева ограничен только температурой вспышки топлива.
Процесс разогрева жидкого топлива методом циркуляции имеет следующие особенности:
нестационарность;
существенная температурная зависимость теплофизических характеристик топлива, особенно вязкости;
влияние на процесс климатических условий на наружной поверхности резервуара;
основным видом переноса теплоты в резервуаре с тяжелым жидким топливом является конвекция.
Существующий метод расчета параметров установок для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива [24-26, 90] основан на уравнении теплового баланса установки и не способен учесть перечисленные особенности. С помощью этого метода определяется только мощность внешнего теплообменника и время разогрева от начальной до конечной
9 среднеобъемной температуры. Теплопотери в окружающую среду
определяются через коэффициент теплопередачи, усредненный по всем
поверхностям резервуара (в том числе и дна). Метод не чувствителен к
изменению конструкции установки. Однако, из-за повышенных требований к
эксплуатационным характеристикам установок для циркуляционного разогрева
топлива, необходимо выполнять расчеты с учетом конструкции установки и
всех факторов, влияющих на процесс. Для этого необходима разработка
математической модели, основанной на решении системы дифференциальных
уравнений Навье-Стокса, которая позволит проводить численные исследования
гидродинамики и теплообмена установок с целью повышения их
производительности и энергоэффективности.
Таким образом, в качестве объекта исследования выбраны гидродинамические и теплообменные процессы в установках для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива.
Наиболее полное теоретическое и экспериментальное исследование работы установок для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива провел З.И. Геллер в монографии «Мазут как топливо» [25]. На основе уравнения теплового баланса и с помощью теории свободных затопленных струй получены зависимости для определения времени разогрева при заданной производительности насоса, тепловой мощности подогревателя, а также расход циркулирующего топлива, обеспечивающий компенсацию тепловых потерь резервуаром. Коэффициент теплопередачи от топлива к окружающей среде
10 принимается постоянным для всех охлаждаемых поверхностей, в том числе для
дна резервуара. Автор предлагает использовать эти соотношения для любой
схемы циркуляции и конструкции установки. Недостатками метода расчета
является то, что в реальных установках струи не являются свободными, т.к. они
взаимодействуют со стенками и дном резервуара. Метод не учитывает
температурные зависимости теплофизических характеристик топлива, в том
числе и вязкости, существенно снижающейся в процессе разогрева. В
монографии приводится экспериментальное исследование условий работы
установки для циркуляционного подогрева состоящей из топливного
резервуара емкостью 628 м3, заполненного крекинг-остатком, парового насоса и
секционного подогревателя типа «труба в трубе» с поверхностью нагрева 59,7
м . По результатам эксперимента построены графики изменения температуры
топлива в резервуаре в процессе разогрева, температуры на входе в
подогреватель и на выходе из него, потери теплоты резервуаром в
окружающую среду. Проведен анализ полученных результатов и
сравнительный анализ методов разогрева, выявлены достоинства
циркуляционного разогрева жидкого топлива по сравнению с разогревом с
помощью встроенных в резервуар теплообменников.
В работах Б.С. Белосельского [11-13], посвященных свойствам тяжелого
жидкого топлива и подготовке его к сжиганию приводится описание установки
для циркуляционного разогрева жидкого топлива, принцип работы и краткие
замечания по ее расчету. Б.С. Белосельский делает ссылки на З.И. Геллера, кратко излагая его результаты.
В пособии по проектированию нефтебаз и нефтепроводов [90] приводится методика расчета установок для циркуляционного разогрева топлива с использованием соотношений, полученных З.И. Геллером, однако коэффициенты теплопередачи через охлаждаемые поверхности резервуаров с топливом предлагается рассчитывать методом последовательных приближений. Расчет выполняется для каждой охлаждаемой поверхности отдельно (в том числе и для днища резервуара). Температура на охлаждаемой поверхности резервуара предварительно задается, а затем итерационно уточняется. Для определения коэффициентов теплоотдачи на внутренних и наружных поверхностях используются эмпирические соотношения. Метод не учитывает переменное температурное поле в резервуаре с топливом и не чувствителен к изменению конструкции установки (например, к изменению мест расположения подводящих и отводящих топливо патрубков), но в настоящее время этот метод расчета установок для разогрева тяжелого жидкого топлива является наиболее совершенным.
Все остальные авторы, которые занимались проблемами разогрева и транспортировки мазута и других вязких жидкостей, цитируют З.И. Геллера.
Таким образом, в настоящее время существует единственная методика решения задач расчета и проектирования установок для разогрева тяжелого жидкого топлива методом циркуляции, предложенная З.И. Геллером на основе
12 уравнения теплового баланса установки и усовершенствованная в настоящее
время более точным расчетом коэффициентов теплопередачи через
охлаждаемые поверхности, является единственной. Такая методика расчета
установок не учитывает особенности развития процессов гидродинамики и
теплообмена в резервуаре с топливом, температурные зависимости
теплофизических характеристик топлива, конструктивные особенности
установки (например, соотношение высоты и диаметра резервуара, размещение
патрубков для отвода нагретого и подвода горячего мазута, не позволяет
проектировать энергоэффективные установки, реализующие оптимальный
режим разогрева топлива.
Учитывая существующее состояние проблемы расчета и проектирования
установок для разогрева тяжелого жидкого топлива методом циркуляции,
целью работы является научное обоснование методом численного
моделирования гидродинамических и теплообменных процессов в установках
циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива для выбора их
конструктивных параметров и технологических режимов эксплуатации.
Задачи исследования;
разработка математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива, учитывающую ее конструкцию и особенности процесса разогрева;
разработка метода численной реализации математической модели, учитывающего влияние режима работы насосной установки на процессы
13 в резервуаре с топливом и влияние изменения температуры топлива на
входе в насос на его производительность;
проведение численных расчетов с целью изучения гидродинамических и теплообменных процессов в установках;
исследование путей повышения производительности и энергоэффективности установок.
Предмет исследования — математическая модель гидродинамических и теплообменных процессов, описываемая системой нестационарных дифференциальных уравнений Навье-Стокса.
Первая глава работы посвящена физической и математической постановке задачи. Разработаны математические модели элементов установки для циркуляционного разогрева тяжелых жидких топлив, которые сшиваются с помощью граничных условий.
Вторая глава посвящена численному моделированию гидродинамики и теплообмена в резервуаре, переноса теплоты в ограждающих конструкциях и грунте. На основе метода контрольного объема в изложении Патанкара получены дискретные аналоги дифференциальных уравнений. Дискретные аналоги дифференциальных уравнений сохранения импульса и энергии решались методом Гаусса-Зейделя с нижней релаксацией. Дискретный аналог уравнения для поправки давления решался методом сопряженных градиентов. Представлены результаты решения тестовых задач.
14 Третья глава посвящена численному исследованию работы установок для
циркуляционного разогрева тяжелых жидких топлив. Рассматривался процесс
разогрева топлива до достижения стационарного режима в установках
классической конструкции. Изучено влияние способа установки резервуара на
грунт на теплопотери в окружающую среду. В результате численных расчетов
получены значения теплопотерь в окружающую среду при различном
термическом сопротивлении теплоизоляции дна. Предложены конструкции
направляющих элементов, которые изменяют направление течения топлива в
резервуаре и позволяют экстенсификацировать область разогрева.
В заключении приведена общая характеристика работы и основные
выводы по результатам работы.
На защиту выносятся
- математическая модель гидродинамических и теплообменных
процессов в установках для циркуляционного разогрева тяжелого
жидкого топлива на основе уравнений Навье-Стокса, которая в
комплексе описывает гидродинамику и тепломассообмен в резервуаре
с топливом, теплообмен с окружающей средой, в том числе
теплопотери в грунт, работу насосной установки на сеть;
- методика реализации математической модели, учитывающая
совместную работу теплообменника, насоса, сети трубопроводов и
резервуара с топливом, основанная на методе контрольного объема;
— результаты численных расчетов полей температур и скоростей в
резервуаре, характерных для метода циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива;
- конструкции управляющих элементов в установках для
циркуляционного разогрева тяжелых жидких топлив, позволяющих
расширить область разогрева без дополнительных энергозатрат.
Результаты научной работы были успешно использованы при разработке рабочего проекта «Оренбургская нефтебаза ОАО «Оренбургнефтепродукт», который был выполнен с целью реконструкции котельной и системы теплоснабжения бытовых потребителей и парка резервуаров нефтебазы.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. В.Н. Диденко и научному консультанту профессору, д.ф-м.н. В.Н. Тененеву за руководство научной работой. А также і, набиравшей
компьютерный текст, Варфоломеевой Т. И. їа оказанную помощь в подготовке автореферата кандидатской диссертации. Автор благодарит коллектив Теплотехнического факультета ИжГТУ за помощь в работе.
LINK1 Разработка математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива LINK1
Поиск путей решения поставленных задач привел к тому, что было предложено устанавливать в резервуаре направляющие элементы различных конструкций, обеспечивающих экстенсификацию области разогрева мазута в резервуарах до температуры не ниже требуемой без дополнительных энергозатрат. Поставленная цель достигается тем, что направляющие элементы изменяют направление потока топлива в резервуаре, обеспечивая вынужденное движение топлива в заданном направлении. Направляющий элемент устанавливается в резервуаре соосно и с радиальным зазором между дном резервуара, и со свободной поверхностью мазута. Он может иметь форму цилиндрической, конической или иной по профилю образующей осесимметричной трубы или совокупности труб, в том числе телескопических. Стенки и дно направляющего элемента могут иметь отверстия или щели для перепуска мазута. Направляющий элемент может состоять из нескольких не соединенных между собой деталей. Крепиться направляющий элемент или его детали могут к стенкам резервуара, или к подающему трубопроводу, или к поплавку, или устанавливаться на дно резервуара. Все варианты предлагаемых конструкций направляющих элементов отражены в заявке на изобретение. Некоторые из них показаны на рис.13. Устройство работает следующим образом. Благодаря своей конструкции направляющий элемент направляет топливо или его часть в верхнюю область резервуара по кольцевым каналам, образованным подающим трубопроводом и стенками направляющего элемента, тем самым, вовлекая в процесс теплообмена ту часть топлива, которая в случае классической схемы в теплообмене практически не участвует. От конструкции направляющего элемента зависит распределение потоков разогретого топлива в резервуаре. Направляющий элемент в виде открытой с двух сторон трубы (рис Л За) позволяет разделить разогретое топливо, поступающее в резервуар из теплообменника, на два потока. Часть топлива направляется в верхнюю зону резервуара для вовлечения в теплообмен верхних слоев топлива, остальное топливо направляется в придонную область для быстрого разогрева топлива в районе отводящих патрубков. Конструкции направляющих элементов концентрической формы (рис.13б,в) подобны конструкции направляющего элемента с рис. 13а. Они отличаются соотношением расходов топлива, направляемого в верхнюю зону и к дну. На рис.ІЗг изображен направляющий элемент в форме цилиндрической трубы с донным отражателем глухого типа, который позволяет направить все горячее топливо через верхнюю зону резервуара. Такая конструкция удобна, когда отводящие патрубки обогреваются выносными подогревателями, либо имеют трубопроводы-спутники с теплоносителем. На рис.ІЗд показан вариант конструкции направляющего элемента, состоящего из двух частей. Верхняя часть направляющего элемента является трубой, открытой с двух концов, и работает так же, как конструкция на рис. 13а. Нижняя часть направляющего элемента подобна конструкции на рис.ІЗг, однако она имеет в нижней части по периметру отверстия. На рис. 14 приведено поле скоростей в резервуаре с направляющим элементом в форме цилиндрической трубы с донным отражателем глухого типа, на рис.15 - поле температур, а на рис. 16 динамика изменения во времени доли мазута, разогретого до требуемой температуры. На рис.16 видно, что в отличие от установки классической конструкции, рост объема топлива, разогретого до требуемой температуры в установке с направляющим элементом, происходит непрерывно до выхода на стационарный режим. Доля мазута, разогретого до требуемой температуры, достигает при этом не менее 45%. Т.о. с помощью направляющих элементов возможно существенно (в 3 и более раз) увеличить долю мазута, находящегося в рабочем состоянии и производительность установки. Практически весь объем топлива участвует в конвективном теплообмене. Теплопотери в окружающую среду не только не возрастают, но и снижаются за счет того, что донный отражатель направляющего элемента изолирует дно от прямого контакта с высокотемпературным топливом, что приводит к снижению теплопотерь через дно резервуара. Из сравнения динамики разогрева мазута в установках различной конструкции видно, что изменение доли мазута, разогретого до требуемой температуры в установке классической конструкции (рис.12) происходит ступенчато, а в установке с направляющим элементом в форме цилиндрической трубы с донным отражателем глухого типа (рис.16) - плавно. В установке с направляющим элементом в форме цилиндрической трубы с донным отражателем глухого типа поток разогретого топлива направляется к свободной поверхности, обеспечивая непрерывный теплообмен в резервуаре
Методика решения разработанной математической модели установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива
Установка для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива состоит из нескольких элементов (резервуар с топливом, насос, теплообменник, сеть трубопроводов), режимы работы которых жестко взаимосвязаны, то необходимо это учитывать при выполнении процедуры расчета. Производительность и напор насоса, гидравлические потери давления зависят от вязкости перемещаемой жидкости, значения которой в процессе разогрева изменяются примерно в 100 раз. Т.о. работа насоса и сети трубопроводов зависят от процессов в резервуаре с топливом. С другой стороны, развитие гидродинамических и теплообменных процессов в резервуаре зависит от условий на входной границе (П.1., рис.3), которые изменяются при изменении характеристик насоса и гидравлического сопротивления трубопроводов. Методика решения разработанной математической модели заключается в выполнении расчетов в следующей последовательности: 1. задание размеров резервуара и конструкции сети трубопроводов; 2. задание расчетных областей; 3. задание условий на наружной поверхности; 4. задание начальных и граничных условий; 5. задание первого приближения расхода циркулирующей вязкой жидкости исходя из конкретных условий работы установки. Подбор насоса по номинальным характеристикам; 6. определение на каждом шаге по времени скорости на входной границе расчетной области резервуара методом итераций. Т.е. по номинальной характеристике насоса определяется скорость жидкости на входе в резервуар с топливом, рассчитываются скоростные и температурные поля в резервуаре, в т.ч. параметры жидкости на выходе из резервуара, которые используются для корректировки производительности насоса и гидравлических потерь в трубопроводах. По скорректированной производительности насоса корректируются входные условия. Расчет повторяется, пока невязка производительности насоса больше 1%; 7. расчет системы «резервуар - теплообменник - сеть трубопроводов» в нестационарном режиме по разработанной математической модели до выхода на стационарный режим; 8. оценка энергоэффективности установки по заданным критериям. Описанная методика расчета установки реализована на языке FORTRAN в виде пакета программ. Обоснованность полученных в работе результатов обеспечена использованием математической модели, построенной на фундаментальных законах сохранения массы, импульса, энергии, записанных в виде двухмерных дифференциальных уравнений Навье-Стокса в дивергентном виде в цилиндрической системе координат.
Достоверность полученных результатов обеспечена выполнением следующих условий: Устойчивость решения дискретных аналогов исходных уравнений обеспечивалась выполнением при их решении условий устойчивости по методу Неймана для многомерных задач
Классическая конструкция установки для подогрева топлива, методом циркуляции приведена на рис.1. Эффективность работы установки с точки зрения производительности и энергозатрат на разогрев характеризуется объемом топлива в резервуаре, разогретым до требуемой температуры, теплопотерями резервуара в окружающую среду и потребляемой мощностью на привод насосной установки.
Величина объема топлива, разогретого до требуемой температуры, позволяет оценить производительность установки. Т.к. процесс разогрева тяжелого топлива является инерционным, то при низких значениях объема топлива, разогретого до требуемой температуры, установка будет не способна обеспечить требуемый расход топлива длительное время. Та часть топлива в резервуаре, которая имеет температуру ниже требуемой, обладает высокой вязкостью, резко затрудняющей его отбор из резервуара и транспортировку по сети трубопроводов. Теплопотери резервуара в окружающую среду являются основным источником энергозатрат установки, поэтому важно организовать процесс разогрева топлива и эксплуатировать установку таким образом, чтобы потери теплоты были минимальными. Следующий по величине вклад в энергозатраты установки вносит мощность, потребляемая насосной установкой. Снижение этой доли энергозатрат также повышает энергоэффективность работы установки. С помощью разработанной программы рассматривался процесс разогрева топлива в установке до достижения стационарного режима. Момент выхода на стационарный режим определялся по времени, когда объема топлива, разогретого до требуемой температуры, переставал изменяться. Время выхода на стационарный режим разогрева зависит от объема резервуара, расхода циркулирующего в установке топлива, от начальной температуры топлива и температуры окружающей среды. Расчеты выполнялись при следующих исходных данных: резервуар заполнен мазутом марки М100; резервуар с топливом имеет внутренний радиус 1,8 м. и высоту 4,0 м.; установка включает в себя систему трубопроводов постоянной длины и диаметра; начальная температура топлива принята равной температуре топлива в промежуточном резервуаре. Для мазута Ml00 она принята равной 60С; температура окружающей среды принята равной температуре наиболее холодной пятидневки для климатических условий г. Ижевска (-34С) [83]; требуемая температура разогрева топлива в резервуаре для мазута марки Ml00 принята равной 80С; температура, до которой нагревается топливо в теплообменнике, равна 120С. На рис.10 приводится поле скоростей, на рис.11 приводится поле температур, а на рис.12 - динамика изменения доли мазута, разогретого до требуемой температуры в резервуаре с топливом. Из результатов, представленных на этих рисунках, видно, что в рассматриваемом случае, объем топлива, разогретого до требуемой температуры, не превышает 6%. В результате серии расчетов установлено, что при увеличении расхода циркулирующего в системе топлива, это значение не превышает 15%. Т.о. не более 15% топлива в резервуаре классической конструкции может находиться в рабочем состоянии
Исследование работы установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива классической конструкции
Сравнение температурных полей в резервуаре при различных условиях теплоотвода в грунт показывает, что объем мазута, разогретого до заданной температуры (60С-80С) существенно уменьшается при уменьшении термического сопротивления теплопроводности теплоизоляции дна. Так при идеальной теплоизоляции дна (рис.17) через 80 часов после начала разогрева разогрет до требуемых температур практически весь объем мазута, а при Rx=2.13 м2 К/ Вт (рис. 186) только 40%.
В рассмотренном примере доля теплопотерь через дно резервуара с R . 15 (м2К)/Вт составляет 86%-99% от суммарных теплопотерь, поэтому теплоизоляция дна в области R 15 (м К)/Вт приводит к их эффективному снижению. В области Rp-15 (м2К)/Вт эффективность уменьшения суммарных теплопотерь за счет улучшения теплоизоляции дна заметно снижается.
Анализ результатов показал, что, заметно меняя картину разогрева, изменение термического сопротивления теплоизоляции дна резервуара, слабо повлияло на величину теплопотерь через боковые стенки и крышу. Так при изменении R . от О (отсутствие теплоизоляции) до оо (идеальная теплоизоляция), теплопотери через боковые стенки и крышу увеличились с 3.97 МДж до 6.74 МДж, в то время как суммарные теплопотери изменились от 1086.35 МДж до 6.74 МДж. Этот факт авторы объясняют тем, что в рассмотренном примере во всех случаях на стенках резервуара сохранялся существенный по толщине малоподвижный слой непрогретого мазута, в котором доминирующим механизмом передачи теплоты является не конвекция, а теплопроводность.
Таким образом, в результате расчета теплопотерь резервуаром в окружающую среду, сделаны следующие заключения: - способ установки резервуара на грунт может существенно повлиять на величину доли объема мазута, разогретого до заданных температур; - существует область Rx для материалов теплоизоляции дна, в которой снижение теплопотерь в грунт будет наиболее эффективным; - существуют режимы циркуляции, при которых способ установки резервуара на грунт не влияет на величину теплопотерь через стенки и крышу. При таких режимах снижение теплопотерь через дно должно приводить к снижению суммарных потерь теплоты из резервуара. Рассматривалось влияние направляющих элементов на теплопотери от топлива в окружающую среду. В результате расчетов было установлено, что: - теплопотери в грунт снижаются при использовании направляющих элементов, особенно элементов с донными отражателями. Такие конструкции препятствуют прямому контакту высокотемпературного топлива с дном резервуара, как это происходит в случае классической конструкции; - теплопотери через стенки и крышу установки не возрастают, при использовании в ней направляющих элементов; - при организации процессов циркуляционного разогрева топлива необходимо сохранять на стенках слой не разогретого и, поэтому, практически неподвижного топлива, перенос теплоты в котором осуществляется в основном за счет теплопроводности, а не конвекции. Т.к. коэффициент теплопроводности мазута невысокий (для Ml00 при t=60C Х=0.12 Вт/м К) и уменьшается при понижении температуры, то такой слой увеличивает термическое сопротивление теплопередачи и соответственно уменьшает теплопотери. Дополнительные затраты энергии (по сравнению с разогревом мазута с помощью встроенных в резервуар теплообменников) при организации циркуляционного разогрева связаны с работой на привод циркуляционного насоса. Изменение вязкости мазута в процессе его разогрева приводит к изменению как рабочей характеристики насоса, так и характеристики сети. Поэтому рабочая точка насоса будет меняться, а вместе с ней будет меняться энергопотребление насоса. В установке для циркуляционного разогрева топлива с направляющим элементом в начальный период времени производительность насосной установки ниже, чем в случае классической конструкций. Особенности зависимости потребляемой насосом мощности от времени, заключающиеся в наличии точек максимумов на рис.20, объясняются дрейфом рабочей точки насоса, вызванным температурным изменением коэффициента кинематической вязкости, что иллюстрируется схемой на рис
Оптимизация конструктивных элементов установки для циркуляционного разогрева тяжелого жидкого топлива с направляющим элементом на основе дисперсионного анализа
В процессе численных исследований режимов работы циркуляционной установки, предложено использовать в установках новые технические решения (направляющие элементы), позволяющие повысить производительность и энергоэффективность установки. Конструкции направляющих элементов приводятся на рис. 13.
Проведена серия численных расчетов с целью поиска наиболее эффективных конструктивных характеристик направляющих элементов. Обработка результатов выполнена с помощью методики планирования многофакторного эксперимента, а конкретно с помощью дисперсионного анализа. В качестве экспериментальных данных рассматривался объем 100 разогретого до требуемой температуры мазута. В качестве факторов рассматривались конструктивные параметры направляющего элемента в форме цилиндрической трубы с донным отражателем глухого типа (рис.22): - относительный диаметр направляющего элемента сі н До / А»»" - относительная высота направляющего элемента / отн = Янэ/#Р; Для обработки результатов эксперимента факторы нормализовались. Верхний уровень нормализованного фактора равен «+1», нижний «-1», а основной (соответствующий середине шкалы) уровень равен «0». Нормализация выполнялась с помощью преобразования
Рис. 22. Конструктивные параметры направляющего элемента в форме цилиндрической трубы с донным отражателем глухого типа, для которых проводилась оптимизация. 1- резервуар с топливом, 2- направляющего элемента.
Число численных опытов полного факторного эксперимента составляет N=2k, где N - число опытов; к - число факторов. Описание областей поверхности отклика (совокупность значений искомой функции в определенной области) было получено в виде полиномиальных моделей второго порядка: Рис.23. Центральный композиционный план для оценивания коэффициентов вида fy независимая переменная в плане должна принимать в плане, по крайней мере, три различных значения. На рис.23 приведен композиционный план Бокса, который построен путем добавления «звездных точек» с координатами [(±б, 0), (0, ±б)] к «ядру». Для рассматриваемой задачи в табл.3 приведена ортогональная матрица планирования, в которой все коэффициенты полинома оцениваются независимо друг от друга. Обработка матрицы осуществлена по программе обработки результатов многофакторных экспериментов, написанной на языке Turbo Pascal. По найденным коэффициентам полинома составлено уравнение, которое описывает зависимость объема мазута, разогретого до требуемой температуры V в момент выхода на стационарный режим, от относительного диаметра циркуляционной трубы и ее относительной высоты: =53,250 + 1,667- 4,тн + 3,167- - h0TH 1,250 d0TH hom - 7,000(d0TH2-a)+ +3,500 -(h -a);
Полученная функция V=f(dQrHt котц) была оптимизирована для поиска ее максимума в заданной области параметров. Для нахождения экстремумов функций использована программа, реализующая на языке «Turbo Pascal» метод наискорейшего спуска
Рис. 24. Зависимость объема топлива в резервуаре, разогретого до требуемой температуры при выходе на стационарный режим разогрева, от относительной высоты и относительного диаметра направляющего элемента.
Результаты оптимизации показаны на рис.24. Из графика видно, что максимальное значение объема топлива в резервуаре, разогретого до требуемой температуры при выходе на стационарный режим разогрева, равно 57,15%. Это значение достигается при относительном диаметре направляющего элемента отн= 0,61 и относительной высоте направляющего элемента й0 = 0,62.
В результате проведенной работы было выяснено, что существуют оптимальные конструктивные решения направляющих элементов. В каждом индивидуальном случае должна проводится оптимизация их конструкции
