Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса о струйном течении 13
1.1 Описание систем подогрева мазута 13
1.2 Теоретические и экспериментальные результаты исследований струй
1.3 Экспериментальные и численные исследования процессов переноса при струйном течении вязкой жидкости в резервуарах 22
2 Апробация моделей турбулентности 38
2.1 Обзор моделей турбулентности 38
2.1.1 Способы представления уравнений Навье-Стокса 38
2.1.2 Стандартная к-е модель турбулентности 38
2.1.3 «Realizable» к-г модель турбулентности 39
2.1.4 «RNG» к-г модель турбулентности 40
2.1.5 &-со модель турбулентности 40
2.2 Сравнение моделей турбулентности. Верификация моделей
2.3 Экспериментальное определение коэффициента вязкости мазута марки М100
2.3.1 Описание проведения эксперимента 54
2.3.2 Обработка экспериментальных данных 58
3 Описание математической модели процесса теплопереноса в резервуаре 61
3.1 Цели и задачи численного моделирования 61
3.2 Состав мазутов 62
3.3 Теплофизические свойства мазута 65
3.4 Описание математической модели 69
3.5 Методика построение расчетной сетки 75
4 Результаты численного моделирования 78
4.1 Постановка задачи численного моделирования 78
4.2 Результаты численного моделирования в резервуарах при центральном расположении подающего коллектора 80
4.2.1 Численное исследование стационарной задачи разогрева вязкой жидкости в резервуаре
4.2.2 Численное исследование нестационарной задачи разогрева вязкой жидкости в резервуаре
5 Исследование процессов теплопереноса в резервуарах при различных теплогидравлических условиях и расположениях коллектора и насадок 97
5.1 Анализ влияющих факторов на процесс разогрева мазута в резервуаре
5.2 Численное исследование разогрева топлива в резервуаре при расположении подающего коллектора возле боковой стенки 102
5.3 Изучение влияния на процесс разогрева угла наклона подающих насадок 109
5.4 Исследование влияния скорости истечения 111
5.5 Анализ результатов численного исследования 114
5.6 Экономический анализ 128
Выводы 131
Список использованных источников 133
Приложение 141
- Теоретические и экспериментальные результаты исследований струй
- Сравнение моделей турбулентности. Верификация моделей
- Теплофизические свойства мазута
- Результаты численного моделирования в резервуарах при центральном расположении подающего коллектора
Введение к работе
Снижение энергозатрат при транспортировании мазута и его хранении в резервуарах котельных, ТЭС, хранилищах морских и речных портов является актуальной научной и практической задачей, требующей исследований тепло-переноса и гидродинамики процессов разогрева. Расход энергии на собственные нужды является одним из наиболее важных показателей функционирования котельных промышленных предприятий, электростанций. До 50% расхода энергии электростанции на собственные нужды приходится на мазутное хозяйство [1]. Такой большой процент расхода объясняется требованиями действующей нормативной документации (СНиП «Котельные установки», приказ №269 от 4 октября 2005 г. [2, 3]), согласно которым запас резервного топлива должен быть равен пятнадцатисуточному потреблению при работе на номинальной мощности.
Свыше 30% добываемой нефти в процессе ее переработки переходит в топочный мазут, основными потребителями которого являются электростанции и котельные. Прогноз Института систем энергетики СО РАН устанавливает вероятный уровень годового потребления мазута в количестве 30 млн. т.у.т. [4]. Экспорт мазута, согласно [5], за 11 месяцев 2007 г. составил 50,7 млн. т. (16,1 млрд. долл. США), занимая пятое место в строке доходов нашей страны.
В этой связи, а так же принимая во внимание необходимость резервирования энергообеспечения, роль мазутного хозяйства, как системы хранения и подготовки жидкого топлива, очень велика.
Система циркуляционного подогрева мазутного хозяйства представляет собой сложный комплекс трубопроводов, оборудования и сооружений, требующий крупных капиталовложений при строительстве и потребляющий значительную часть энергетических ресурсов собственных нужд предприятия в процессе эксплуатации. Циркуляционный подогрев мазута используется и при сливе из железнодорожных цистерн, морских танкеров. Данная технология также давно известна, описана [1] и принципиально совпадает с разогревом в резервуарах хранения топлива. Достоинством схемы является довольно быстрый разогрев содержимого цистерны, быстрый слив, при этом обводненность мазута не меняется.
Широкое применение циркуляционного движения жидкости совместно с затопленными струями нашло в химической промышленности. Это определено, в первую очередь, более высокими требованиями к гомогенизации продуктов, высокой эффективностью перемешивания, простотой и экономичностью. Гомогенизация в сосуде может быть достигнута путем создания циркуляции содержащейся в нем жидкости, сопровождающееся возникновением локальных зон турбулентного течения. Как и в циркуляционном подогреве топлива, в большинстве случаев нагретая жидкость, подаваемая в резервуар, разогревается в выносном подогревателе [1].
Циркуляция в сосуде при простом перекачивании не нашла широкого применения в химической промышленности и используется в самых простых аппаратах [6].
Кроме целей подогрева, затопленные струи используются для размыва донных отложений в резервуарах хранения. Расчетный срок резервирования мазута составляет порядка 8-12 месяцев, а фактическая длительность хранения резервного топлива составляет несколько лет [7].
Увеличение расхода мазута в топливно-энергетическом балансе страны предусматривает строительство новых емкостей для его хранения. При этом чрезвычайно важно строительство таких резервуаров, которые сочетали бы не только низкие капитальные затраты при возведении и высокую надежность в эксплуатации, но и отвечали требованиям современной концепции энергосбережения.
Существующие на данный момент инженерные методики, математические модели и методы расчета систем циркуляционного подогрева мазута в ре 8 зервуарных парках мазутных хозяйств не соответствуют современной концепции энергосбережения и не позволяют с достаточной точностью расчетным путем определять затраты энергии, времени разогрева больших объемов вязких жидкостей в резервуарах хранения, оценить влияние на процессы смешения геометрических и режимных факторов, таких как расположение подающих насадок, их ориентация, скорость истечения теплоносителя. Это делает актуальной задачу численного исследования теплопереноса и гидродинамики при распространении турбулентной струи вязкой жидкости в резервуаре.
Развитие современной теоретической и прикладной механики жидкости и газов тесно связано с успехами теории вычислительной гидрогазодинамики. За небольшой промежуток времени численные методы исследования тепломассо-переноса стали важной частью любого серьезного исследования в области гидрогазодинамики. В значительной мере это относится к одному из разделов теории свободного пограничного слоя - теории струйных течений вязкой жидкости.
Рост вычислительных мощностей персональных компьютеров и улучшение пользовательского интерфейса прикладных программ численной реализации процессов теплообмена в последнее время дали возможность рассматривать задачи, изучение которых в недавнее время являлось затруднительным. В настоящее время вычислительная гидродинамика используется для изучения не только простых течений, но и сложных пространственных, протекающих во многих промышленных аппаратах.
Сложность проведения экспериментального исследования процессов разогрева с использованием циркуляционного подогрева объясняют малую базу данных, имеющихся в настоящее время по данной тематике. Использование численного моделирования позволяет определить влияние практически всех факторов. На основании полученных результатов возможно исследование и анализ различных режимов работы системы циркуляционного подогрева и дальнейшая разработка направлений по повышению энергоэффективности и мероприятий по энергосбережению.
В работе проведено численное исследование процесса разогрева при распространении ограниченной затопленной струи высоковязкой нагретой жидкости в резервуарах большой емкости, изучено влияние таких параметров, как расположение коллектора, углы наклона подающих насадок, скорость истечения и массовый расход на тепловую и гидравлическую эффективность процесса циркуляционного подогрева.
Объект исследования:
Процессы теплопереноса в резервуарах хранения мазута при циркуляционном подогреве.
Цель работы:
Разработка предложений по снижению затрат теплоты на разогрев мазута на основе моделирования и численного исследования процессов теплопереноса в резервуарах хранения систем циркуляционного подогрева.
Задачи работы:
- выбор области рациональной реализации энергосберегающих рекомендаций в системе хранения мазута и выявление существующих проблем в методах расчета времени разогрева и потерь теплоты;
- обоснование выбора модели турбулентности, описывающей процессы теплопереноса при разогреве мазута при хранении в резервуарах большой емкости;
- проведение численных исследований процессов теплообмена и гидродинамики при различных режимах эксплуатации;
- изучение влияния геометрических и гидравлических параметров на процессы теплопереноса в резервуарах;
- развитие представлений о процессах теплопереноса при распространении ограниченной струи вязкой жидкости; - разработка мероприятий по повышению энергоэффективности системы
циркуляционного подогрева.
Научная новизна:
- разработаны и исследованы пути повышения энергоэффективности системы циркуляционного подогрева;
- доказано, что к-г Realizable модель турбулентности позволяет получить наиболее точные данные при исследовании теплопереноса в резервуарах хранения вязкой жидкости;
- впервые для высоковязкой жидкости существенно зависящей от температуры определено влияние геометрических и режимных факторов, таких как расположение коллектора, углы наклона подающих насадок, скорость истечения и массовый расход на время разогрева и затраты теплоты при циркуляционном разогреве на основе численного моделирования в трехмерной постановке;
- в результате проведенной экспериментальной работы показано, что при температурах выше 25°С мазут марки Ml 00 можно рассматривать как ньютоновскую жидкость.
Практическая ценность: Выполненные исследования процессов теплопереноса в системе циркуляционного разогрева мазута позволяют:
- определять затраты энергии и времени на разогрев хранимых жидкостей в зависимости от расположения и ориентации подающих насадок, скорости истечения и массового расхода;
- разработать рекомендации по энергосбережению при модернизации существующих и проектировании новых систем циркуляционного подогрева.
Достоверность.
Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируются на проведенных численных и экспериментальных исследованиях, а также на сопоставлении результатов исследования с результатами других авторов. Апробация работы.
Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на:
- 12, 13, 14 -ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2006, 2007, 2008 гг.;
- Третьей всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов. М.: МЭИ, 21-29 сентября 2006 г.;
- ежегодных аспирантских семинарах кафедры ТМПУ (2007 - 2008 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих опубликованных работах:
1. Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Результаты численных расчетов процессов разогрева мазута в резервуарах большой емкости // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. - №2 - С. 72 - 73.
2. Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Использование методов вычислительной гидродинамики в области промышленной энергетики // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых. 17-21 декабря 2007 г. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2007. С.209 -211.
3. Назмеев Ю.Г., Такташев Р.Н. К вопросу об исследовании затопленных ламинарных струй мазута в резервуарах большой емкости // Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2006. Т.2.-С.433.
4. Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Исследование гидродинамики и тепло-переноса в установках циркуляционного подогрева резервуаров большой емкости // Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2007. Т.2. - с.460 - 461.
5. Ефимов А.Л., Овчинников Е.В., Такташев Р.Н. Результаты исследования циркуляционного (струйного) разогрева вязких топлив в резервуарах большой емкости // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2008. Т.2. - с.365 - 366.
6. Такташев Р.Н., Такташев Р.Н. К задаче верификации результатов численного моделирования сопряженных задач теплообмена в каналах // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. В 3-х т. -М.: МЭИ, 2008. Т.2. - с.364.
Результаты научной работы рекомендованы для использования в проектных организациях при разработке рабочих проектов мазутных хозяйств.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору, к.т.н. А.Л. Ефимову и научному консультанту, доценту, к.т.н. Е.В. Овчинникову за помощь в организации научной работой, благодарность первому научному руководителю члену-корреспонденту РАН, д.т.н. [Ю.Г. Наз
мееву, в значительной степени определившему тематику исследования, профессору, д.т.н. B.C. Агабабову, профессору, д.т.н. Э.Д. Сергиевскому за ценные замечания, к.т.н., доц. СВ. Захарову и всему коллективу кафедры ТМПУ МЭИ (ТУ) за помощь, оказанную при написании кандидатской диссертации.
Теоретические и экспериментальные результаты исследований струй
Обзор струйных течений на сегодняшний день включает множество источников и работ, как экспериментальных, так и теоретических. Большая часть исследований посвящена затопленным струям, и как частному случаю — свободным затопленным струям.
Интерес к теоретическому описанию струйных течений возник в XIX веке после работ Г. Гельмгольца и Г. Кирхгофа, в которых была предложена первая модель обтекания тел идеальной жидкости с отрывом струй. Именно эти работы породили целое направление в развитии теории струй идеальной жидкости, продолжающее развиваться по настоящее время.
Уравнения пограничного слоя позволили развить данную область гидродинамики, и уже в начале XX века появились классические решения струйных течений, и возникло два направления исследования: теория ламинарных и турбулентных струй.
Теория ламинарных затопленных струй берет начало с работ Г. Шлих-тинга [8]и Л.Д. Ландау [9], в которых получены автомодельные решения уравнений пограничного слоя для точечного источника импульса, расположенного в неограниченном пространстве, затопленном несжимаемой вязкой жидкостью, с нулевым расходом жидкости. Хотя ламинарные затопленные струи и имеют малое практическое применение, их изучение имело большое значение для исследования турбулентных струйных течений. К теории турбулентных струй относятся работы В. Толмина и Г.Н. Абрамовича [10]. В свою очередь, работы [8, 9] подразделяются на два направления в развитии решения ламинарных затопленных струй. Первое направление основывается на анализе полных уравнений Навье-Стокса и было вызвано необходимостью выявить физическую сущность течения затопленных струй от направленного источника жидкости. В данной области работал Ю.Б. Румер [11].
Вторым направлением в исследовании затопленных струй стала разработка асимптотической теории неавтомодельных струй в рамках теории пограничного слоя. Л.Г. Лойцянский [12] впервые рассмотрел слабо закрученную струю, характеризующуюся конечным потоком момента движения, вызывающего вращение.
Задача о плоской струе, вытекающей в пространство из длинной узкой щели, была решена Г. Шлихтингом [8]. В работе рассмотрены как ламинарная; так и турбулентная плоские струи. На рисунке 1.4 приведена картина линий тока течения при истечении плоской струи: вследствие трения струя захватывает с боков некоторую часть покоящейся жидкости и увлекает её за собой.
На некотором расстоянии от конца начального участка струйное течение приобретает такой же вид, как течение жидкости из источника бесконечно малой толщины (в осесимметричном случае источником служит точка, в плоскопараллельном случае - прямая линия, перпендикулярная к плоскости растекания струи); соответствующий участок струи называется основным. Между основным и начальным участками струи располагается переходный участок. Начальный участок
Как показывают многочисленные опыты, одним из основных свойств такой струи является постоянство статического давления во всей области течения, вследствие чего скорость в потенциальном ядре струи остается постоянной. Размывание струи за пределами начального участка выражается не только в ее утолщении, но также и в изменении скорости вдоль ее оси.
В литературе известна упрощенная схема струи, где полагается длина переходного участка равной нулю; в этом случае сечение, в котором сопрягаются основной и начальной участки, называют переходным сечением струи.
Из экспериментальных работ можно отметить опыты Т. Трюпеля [10], исследовавшего экспериментально истечение осесимметричной воздушной струи в воздух. Эти опыты доказывают тезис о непрерывной деформации профиля скоростей струи.
Наиболее четко и наглядно это видно при приведении к безразмерным величинам. Если отложить на оси струи u/umax, а вместо расстояния от оси струи - его отношение к расстоянию от оси до точки, в которой скорость равна половине осевой у/утах, то можно сделать вывод, что в сходственных точках любых сечений основного участка струи безразмерные скорости одинаковы.
Г.Н. Абрамович [10] экспериментально исследовал начальный участок осесимметричной струи, вытекающей из насадка диаметром 100 мм с различными скоростями. Полученные результаты полностью подтвердили афинность скоростей. Аналогичные результаты на основе экспериментов получены М. Альбертсоном и др. [10].
Бай Ши-и в своей монографии [13] рассматрел ламинарные и турбулентные течения в газовых струях. В работе описано течение невязких несжимаемых жидкостей, распространяющихся с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью, описанных методом малых возмущений. При смешении газов принимаются во внимание два вида переноса, а именно, молекулярный и турбулентный. Помимо анализа уравнений движения, в книге кратко излагаются законы подобия, устойчивость струйных течений.
Характер распределения температур в затопленной струе аналогичен характеру распределения скорости. В ядре постоянной скорости начального участка температура постоянна и равна температуре жидкости в начальном сечении струи. В основном участке, по мере удаления, от сопла температурные границы расширяются, а избыточная температура потока снижается.
Современные экспериментальные работы [15-18] дают аналогичные результаты о режиме течения струй и профилях скоростей и температур. Из современных работ о распространении затопленных струй необходимо отметить монографию [19], посвященную теории затопленных струй и следов в несжимаемой вязкой жидкости. В работе рассмотрено решение задачи о конвективном теплопереносе в автомодельной струе вязкой теплопроводной жидкости, бьющей из точечного источника в пространство, затопленное той же жидкостью. Приводится теоретическое исследование струйных течений вязкой жидкости на основе анализа разложения решения системы уравнений Навье-Стокса и конвективной теплопроводности в бесконечно удаленной точке.
Сравнение моделей турбулентности. Верификация моделей
Для выбора модели турбулентности, наиболее адекватно описывающую поставленную задачу, необходимо предварительно оценить точность данных, полученных при моделировании, сравнив их как между собой, так и с экспериментальными результатами. На основании проведенного анализа определяется модель, используемая в дальнейших расчетах. В настоящее время существует довольно значительное число как экспериментальных работ, посвященных струйному истечению вязкой жидкости [10, 17, 19, 68], так и численных [40 - 42, 69 - 72], что позволяет провести сравнение используемых моделей.
Учитывая сложность процессов при распространении ограниченной струи в резервуаре, для верификации численной модели задача рассмотрена как совокупность простых течений: свободная затопленная струя, соударяющаяся с перпендикулярной и наклонной поверхностью, обтекание пластины. Для этих течений известно значительное количество как экспериментальных, так и численных результатов исследований. Для более тщательной проверки на достоверность были проведены численные исследования течения жидкости в прямоугольном канале при различных режимах.
Рассмотрим задачу, в которой струя диаметра d соударяется с плоской пластиной постоянной температуры, находящейся на расстоянии Н. На входе в расчетную область задано полное развитое турбулентное течение в круглой трубе, поверхность столкновения сохраняет постоянную температуру.
При моделировании распределения числа Нуссельта Nu по пластине при малых значениях r/d лучшее совпадение у k-(o SST модели, при больших - у RNG.
Аналогичные результаты можно найти в работах по численному моделированию импактньгх струй [73 - 77].
Рассмотрим обтекание пластины. На рисунке 2.4 представлена расчетная область. Режим течения ламинарный (число Рейнольдса Rex = 6,5 104). Температура набегающего потока принималась Т« = 50 С, температура стенки Tw = 20 С, плотность жидкости р = 1,225 кг/м , теплопроводность X = 0,0242 Вт/(м К), вязкость \х = 1,789 10" м /с. Скорость набегающего потока /«, = 1 м/с.
По оси ординат отложены значения безразмерной скорости струи u/Umax, а по оси абсцисс - его отношение к расстоянию от оси до точки, в которой скорость равна половине осевой у/уо,5- Как видно из рисунка, численно полученные с использованием стандартной к-в модели результаты показывают очень хорошее совпадение с экспериментальными данными.
Рассмотрен случай струи вязкой жидкости, приведенный на рисунке 2.8, соударяющейся под углом 45 с горизонтальной поверхностью. Результаты численных исследований сравниваются с экспериментальными данными, приведенными в [10]. Данное течение в резервуаре наблюдается при натекании струи на днище или боковые стенки. Скорость истечения из насадки 10 м/с; рабочая жидкость - воздух.
Работа Вискотестера VT550, представленного на рисунке 2.10, основана на принципе Серле, когда задается скорость вращения ротора, а измеряется сопротивление образца деформации, измеряется крутящий момент, пропорциональный вязкости на валу ротора. Информация о крутящем моменте, скорости вращения ротора, геометрических характеристик измерительных систем позволяет рассчитывать величины вязкости, скорости сдвига и напряжения сдвига. При этом скорость изменяется от 0,5 до 800 об/мин. Крутящий момент на валу ротора определяется по деформации жесткой пружины при помощи бесконтактного индукционного датчика перемещения. Рабочая температура определяется при помощи платинового датчика сопротивления PtlOO, который погружается непосредственно в образец или устанавливается в термостатируемый объем измерительной системы.
Теплофизические свойства мазута
Топочные мазуты характеризуются в основном теми же показателями свойств, что и нефти, из которых они получены, поэтому свойства могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от месторождения.
Основным свойством мазутов, влияющим на процесс циркуляционного подогрева, является вязкость. Вязкость оказывает влияние на гидравлическое сопротивление коммуникаций при перекачке по трубопроводам, при распространении струи в резервуаре, так как основным методом передачи тепла является конвекция.
Значение вязкости сильно влияет на работу насосов, перекачивающих мазут. На большинстве мазутонасосных станций установлены центробежные насосы, что не позволяет снижать температуру мазута ниже определенных значений.
Для распространения модели турбулентности и выражения (3.2) на весь объем резервуара необходимо, чтобы мазут сохранял свойства ньютоновской жидкости. Для доказательства тезиса о пропорциональности коэффициента вязкости скорости сдвига проведен эксперимент, описанный выше (см. Гл. 2). В проведенной экспериментальной работе показано, что мазут марки Ml00 можно рассматривать как ньютоновскую жидкость при температурах выше 25С, т.е. во всем практически реализуемом диапазоне температур мазута в системах его хранения.
Влияние температуры на вязкость мазута заключается в следующем. Мазуты представляют собой смесь углеводородов с различными молекулярными массами. При высокой температуре все углеводороды находятся в жидкости в низковязком состоянии. С понижением температуры начинают затвердевать высокомолекулярные соединения. При этом мазут переходит в высокомолекулярное состояние. При дальнейшем понижении температуры затвердевают все более низкомолекулярные составляющие, вязкость мазута начинает резко возрастать вплоть до застывшего состояния.
На вязкость оказывает влияние и давление - с его ростом вязкость мазута повышается, однако это действие значимо при высоких давлениях, которые в исследуемом диапазоне параметров не рассматриваются.
Плотность большинства марок мазутов колеблется в пределах 0,95 - 1,06 относительно плотности воды при 4С. Подобные колебания относительной плотности оказывают существенное влияние как на характер отстоя мазута от влаги, так и на работу форсунок. При относительной плотности, близкой к единице, усложняется процесс отстоя, а при ее значениях 0,98 —1,01 становится практически невозможным за сравнительно короткое время (100 - 200 ч) [23]. При еще большей плотности (около 1,05) мазут располагается в резервуарах ниже слоя воды, что полностью исключает возможность отстаивания.
Для определения значения плотности мазута марки Ml00 ВТИ [1] рекомендует использовать формулу: /?(0 = 985 - 0,528 ( -20), (3.5) Другие свойства мазутов (поверхностное натяжение, кислотность, теплота сгорания, температура вспышки и т.д.) в данной работе не рассматриваются, так как не имеют непосредственного влияния на процессы гидродинамики и теплообмена. В настоящей работе используется трехмерная математическая модель, которая базируется на осредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье-Стокса с неоднородными теплофизическими характеристиками, энергии, неразрывности, производства и диссипации кинетической энергии.
Результаты численного моделирования в резервуарах при центральном расположении подающего коллектора
Для исследуемого класса задач в качестве определяющих параметров работы установки циркуляционного подогрева традиционно используются значения среднеобъемных скоростей и температур, удельных потерь теплоты через ограждающие поверхности, значения температуры в различных точках резервуара. На рисунках 4.2 - 4.3 приведено векторное поле скоростей в вертикальном сечении и по высоте резервуара при скорости истечения 3 м/с. Как видно из рисунка 4.2, поле скоростей неравномерное: струи жидкости, поступающие в нижнюю часть резервуара, увеличивают среднюю скорость в придонной области, где происходит интенсивное перемешивание. Далее подогретый мазут, вследствие разности плотностей, поднимается в верхнюю часть, образуя крупные вихри. Жидкость, циркулируя в них, частично смешивается с жидкостью придонного слоя, что ведет к повышению температуры мазута в верхних слоях. Некоторая несимметричность картины течения объясняется шахматным расположением подающих насадок.
При всей сложности конструкции течение в придонной части резервуара является довольно предсказуемым: основную картину формируют струи горячего мазута при истечении из насадок. Здесь очевидны зоны рециркуляции, которые образуются между струями. В средней части (рисунок 4.3, б) хаотичность увеличивается, что уменьшает возможность образования застойных зон. В данном случае элементарные объемы жидкости при столкновении, имея еще значительную кинетическую энергию, меняют направление движения, и процесс смешения замедляется. Сложный характер течения, возникающий в резервуаре, показан на рисунке 4.4.
Полученное распределение температуры по высоте резервуара, представленное на рисунке 4.7, повторяет характер результатов исследований [23]. В придонной области температура ниже, чем в верхних слоях. Причем, температурное поле в объеме резервуара равномерно.
Температура жидкости возле боковых поверхностей сильно отличается от среднеобъемной. Температурный напор между мазутом и окружающей средой достигает 30С, а толщина теплового пограничного слоя - порядка 30 см. Принимая во внимание теплопроводность мазута, которая составляет 0,125 Вт/(м -К), можно сделать вывод, что разрушение этого слоя неблагоприятно окажется на тепловых потерях. Необходимо обратить внимание на следующий момент: разница температур в верхних слоях больше, чем в нижних.
При решении нестационарной задачи (неустановившемся тепловом режиме) массовый расход через подающие насадки принимался равным 22,55 кг/с (скорость истечения 7 м/с), 9,66 кг/с (3 м/с) и 3,22 кг/с (1 м/с), начальная температура мазута в резервуаре - 308К и 323 К. Целью исследования на данном этапе является: - определение времени разогрева и сравнение численно полученных результатов с результатами расчетов по формуле (1.4); - получение значений потерь теплоты через ограждающие поверхности резервуара; - изучение распределения температуры мазута по объему резервуара, изменения среднеобъемной скорости и температуры в процессе разогрева. На рисунках 4.9 - 4.10 представлено изменение среднеобъемной температуры и скорости в резервуаре в процессе разогрева при различных скоростях истечения горячего мазута из насадок.
Для удобства представления и дальнейшего анализа полученных результатов выделим в объеме резервуара две точки с координатами: точка 1 - (2,0; 2,0; 0,2), м; точка 2 - (2,0; 2,0; 2,0), м. Точка отсчета - центр дна резервуара. Изменение температуры во времени представлено на рисунках 4.12-4.14. Рост температуры в рассматриваемом случае в основном зависит от массового расхода горячего теплоносителя. Ниже представлено распределение температуры в тех же точках при расходе 9,66 кг/с (3 м/с).
