Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1... Характеристика источников вторичных энергоресурсов на ком прессорных станциях магистральных газопроводов 8
1.2. Располагаемые энергоресурсы выхлопных газов газотурбинных установок 31
1.2.1 Тепловой баланс ГТУ. 31
1.2.2 Влияние внешних условий на параметры выхлопных газов ГТУ 34
1.2.3 Располагаемые и утилизируемые ресурсы теплоты уходящих газов ГТУ. 40
1.3. Тепловые потребители вторичных энергоресурсов компрессор
ных станций 49
1.3.1 Классификация тепловых нагрузок компрессорных станций и внешних потребителей..., 49
1.3.2 Тепловые нагрузки- внутренних потребителей компрессорных станций. 53
1.3.3 Внешние потребители вторичных энергоресурсов ГТУ 57
1.4. Оборудование систем утилизации теплоты 61
1.4.1 Общая характеристика утилизационных устройств 61
1.4.2 Конструкции регенераторов ГТУ 66
1.4.3 Газоводяные утилизационные теплообменники ГТУ 68
1.5 Цель и задачи диссертационной работы. 77
2. Разработка схем использования вторичных Энергоресурсов на кс магистральных газопро Водов 79
2.1. Особенности системы утилизации теплоты вторичных энергоре- 80 сурсов на КС для теплофикационных нужд
2.2. Утилизация теплоты нагретых поверхностей ГТУ 83
2.3. Схемы утилизации теплоты удаляемого воздуха из машинных. залов для подогрева приточного воздуха для галереи нагнетателей и тамбуров-шлюзов 90
2.4. Схема утилизации теплоты для индивидуальных укрытий. 91
2.5. Выводы 94
3. Исследование комплексной системы утилиза ции теплоты 95
3.1 Особенности регулирования отпуска теплоты от утилизаторов КС 95
3.2 Разработка методики определения параметров утилизируемых воздушных потоков 100
3.2.1 Математическое моделирование тепловоздушных процессов в помещениях 116
3.3 Схема автоматизации водяной системы утилизации теплоты 121
3.4 Комбинированная схема регулирования системы утилизации на промплощадке КС 126
3.5 Выводы. 129
4. Экспериментальные исследования 130
4.1 Определение регулировочных характеристик клапанов управления утилизатором. 130
4.2 Оценка теплового потенциала удаляемого воздуха ... 133
4.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 133
4.2.2 Результаты натурных испытаний и анализ 134
4.3 Выводы по главе. 139
5. Технико-экономические показатели системы утилизации
5.1 Оптимизация систем утилизации теплоты 140
5.2: Расчет экономической эффективности..,,. 142
Выводы по диссертации 144
Библиографический список. 146
Приложение
- Располагаемые энергоресурсы выхлопных газов газотурбинных установок
- Утилизация теплоты нагретых поверхностей ГТУ
- Разработка методики определения параметров утилизируемых воздушных потоков
- Оценка теплового потенциала удаляемого воздуха
Введение к работе
Концепции и программа реконструкции российских газопроводов как одну из основных целей ставит энергосбережение в транспорте газа. Реконструкция в целях энергосбережения подчиняется общей стратегии энергосбережения в отрасли. Сложившаяся тенденция удорожания энергоресурсов; стимулирует проведение энергосберегающих мероприятий в транспорте газа по следующим направлениям: энергосберегающие технологические процессы транспорта газа, энергосберегающая газоперекачивающая техника, использование вторичных энергоресурсов.
Компрессорные станции (КС) используются для поддержания рабочего давления в магистральном газопроводе. В газотранспортной системе ООО Севергазпром компримирование газа осуществляется, главным образом, с использованием центробежных нагнетателей с газотурбинным приводом.
Одна из особенностей ГТУ заключается в больших потерях теплоты. К.п.д. современных газотурбинных установок по проектным данным составляет 23-28%. Порядка 70% теплоты теряется с отходящими газами.
Часть теплоты отходящих газов поступает в помещение в виде теплоты от нагретых поверхностей ГТУ и газоходов..
В настоящее время практически на всех КС применяется водяная система теплоснабжения. Надежность транспорта газа может быть существенно повышена за счет перевода части объектов, обеспечивающих работу ГПА, на воздушное отопление. Для укрытий ГПА, компрессорных цехов, установки подготовки топливного и пускового газа, резервной электростанции и некоторых других в качестве теплоносителя может быть использован воздух.
Что касается использования воздуха в качестве теплоносителя, то в этом случае разработаны лишь основные принципы работы систем утилизации теплоты и выполнены опытные установки. Практически не рассмотрены вопросы эффективного воздухораспределения, регулирования по периодам года, возможности использования низкопотенциальной теплоты и т.д.
Эти обстоятельства определяют актуальность теоретического и экспериментального исследований вопросов энергосбережения на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Цель диссертационной работы заключается в разработке комплекса организационных и технических решений по повышению эффективности использования вторичных энергоресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
анализ тепловых потенциалов источников вторичных энергоресурсов;
оценка и обоснование теплопотребления системы отопления и вентиляции;
анализ работы систем утилизации теплоты выхлопных газов IT У;
оптимизация геометрических и расходных характеристик устройств для удаления нагретого воздуха;
изучение и определение распределения тепловоздушных потоков в объеме помещений с мощными крупногабаритными источниками теплоты;
разработка и исследование предложенных схем утилизации теплоты с использованием различных источников ВЭР.
Решение поставленных задач требует применения различных методов исследования и включает математическое моделирование тепловой среды помещений, натурный эксперимент.
Впервые с применением метода математического моделирования получены численно решения для циркуляционных течений, обусловленных конвективными струями. Предложена комплексная программа утилизации теплоты.
Разработаны схемы утилизации теплоты при используемых в практике вариантах размещения агрегатов разной мощности и принципиальные схемы автоматизации их работы.
*
Внедрение результатов диссертационной работы осуществлено в ООО Севергазпром в виде рабочего проекта утилизации теплоты двухмашинного зала цеха№ 3 компрессорной станции №3 (КС-10) Сосногорского ЛПУ МГ. Результаты исследований переданы проектному институту Ги-проспецгаз г.Санкт-Петербурга. Ожидаемый экономический эффект от внедрения системы утилизации теплоты составил 224 737 руб./год.
Основные результаты работы могут быть использованы в ВУЗах в дисциплине "Вентиляция".
Работа выполнена в соответствии с разработанной в конце 80-х годов Мингазпромом программой работ по созданию систем с применением в качестве теплоносителя воздуха в целях обеспечения надежной работы оборудования..
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на V и VI съездах АВОК в Москве в 1995г. и в Санкт-Петербурге в 1998г., на Международной Юбилейной Научно-технической конференции СПбГАСУ в, Санкт-Петербурге в 1997г., на Международной конференции «Воздух-98» в Санкт-Петербурге в 1998г., на Международной конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности " в Санкт-Петербурге-в 1999г., на республиканских конференциях в 2000г., научных семинарах УГТУ (г.Ухта 1996-2002г.г.), на научно-практической конференции по проблемам охраны труда и экологии человека в газовой промышленности в ОАО «Газпром» (г.Москва, 2002г.).
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ и получено свидетельство на полезную модель.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем диссертации 247 страниц, в том числе 170 страниц основного текста, 71 рисунок, 4 таблицы и 77 страниц приложений. Библиографический список включает 259 наименований на 25 страницах.
Располагаемые энергоресурсы выхлопных газов газотурбинных установок
Единица топлива, подаваемого в камеру сгорания ГТУ, вводит в агрегат количество теплоты, соответствующее низшей теплоте сгорания топлива. Из этого количества полезно может быть использована только часть теплоты в силу наличия необратимых потерь [11]. Практически большая часть теплоты топлива уносится с уходящими газами. Уходящие газы всех типов ГТУ обладают высоким тепловым потенциалом. Их температура 500-800 К при расходе 50-200 кг/с. - массовый расход уходящих газов. Предельное значение температуры выхлопных газов на выходе из теплоутилизатора выбирается на основании технико-экономического расчета по условию эффективного использования теплоты выхлопных газов и расхода металла поверхности, нагрева теплоутилизатора. Для защиты поверхности нагрева от низкотемпературной коррозии температура поверхности металла должна быть не ниже точки росы уходящих газов теплоутилизатора. Температура точки росы выхлопных газов зависит от температуры конденсации влаги при ее парциальном давлении в газах и приведенного содержания серы в рабочем топливе. При характерных для ГТУ величинах избытка воздуха a = 4...6 температура конденсации влаги ниже 303 К. Такую температуру принимают при необходимости проведения процесса утилизации водяного дистиллята из отходящих газов. При утилизации теплоты в рекуперативных теплообменных установках оптимальная температура уходящих газов за ними колеблется в пределах Ресурсы теплоты уходящих газов определяются энтальпией продуктов сгорания на выходе из агрегата: где t - температура продуктов сгорания на выходе из ГТУ Применительно к регенеративным ГТУ температура t равна температуре продуктов сгорания за регенератором ts, для безрегенеративных - температуре за газовой турбиной t4. Учитывая, что теплоемкость выхлопных газов в достаточно широком диапазоне изменения температуры практически постоянна, можно сделать вывод, что ресурсы теплоты зависят от параметров продуктов сгорания, которые в свою очередь определяются типом и режимом работы ГТУ. года изменяются в широких пределах. Мощность ГТУ даже при постоянной температуре окружающей среды оказывает влияние на все параметры установки. С уменьшением мощности расход и температура уходящих газов падает [3]. Более существенное влияние на параметры ГТУ оказывает температура наружного воздуха. С понижением температуры наружного воздуха температура выхлопных газов снижается, расход растет, а располагаемый тепловой потенциал уменьшается. Влияние внешних параметров приведено нарис. 1.13 и 1.14. Исследованию влияния внешних условий на параметры ГТУ посвящены многие работы, например [3, 11]. Параметры рабочего тела на выходе из ГТУ, как и по всей проточной части, могут быть определены различными методами. Наиболее точные результаты обеспечивает точный расчет ГТУ. Существенно упрощаются расчеты при использовании элементов гидродинамического подобия применительно к турбомашинам. Из теории подобия известно, что относительное изменение отдельных параметров одинаково для любой точки потока.
Для анализа влияния внешних условий на параметры продуктов сгорания ГТУ наиболее удобно использовать приведенные характеристики в относительной форме, т.е. в виде зависимостей параметров, отнесенных к их номинальным значениям. Индекс "0" относится к номинальным значениям, "1" — к параметрам на входе в осевой компрессор.
Относительные приведенные параметры определяются по следующим Справедливость приведенных выше параметров подобия нарушается при наличии в схеме ГТУ регенеративных подогревателей циклового воздуха, т.к. в регенеративных ГТУ температура воздуха перед камерой сгорания зависит от степени регенерации, которая является функцией теплообмена в регенераторе.
Располагаемая мощность ГТУ в конкретных условиях эксплуатации определяется внешними эксплуатационными условиями, уровнем технического состояния, параметрами эксплуатационных ограничений и другими факторами. Для расчета располагаемой мощности техническими условиями (ТУ); ЛРУ - увеличение гидравлического сопротивления выхлопного тракта ГТУ при установке утилизаторов теплоты; Рг - сопротивление выхлопного тракта ГТУ без установки утилизаторов. В литературе практически не учитывается влияние теплоты (низшей) сгорания топлива. Как показывают исследования, проведенные при участии автора на 2-м и 4-м цехах КС-10 Сосногорского ЖГУ, калорийность природного газа нестабильна в течение года и имеет тенденцию к снижению. На рис. 1.16 приведено изменение низшей теплоты сгорания природного газа в течение года за период с 1995г. по 1997г.
Анализ этих данных показывает, что в среднем снижение составляет 1%. Если эта тенденция в дальнейшем сохранится, то это может привести к увеличению потребления газа на собственные нужды. Величина теплового потенциала практически остается неизменной (рис. 1.17)
При работе ГТУ на номинальном режиме ресурсы теплоты, сосредоточенные в уходящих газах, могут быть определены по формуле (1.13). При работе ГТУ в режимах, отличных от номинального, задача может быть решена с помощью обобщенных характеристик, с помощью метода малых отклонений и других. Первый метод связан с большим числом вычислительных операций. Более простым методом решение может быть получено, если прологарифмировать левую и правую части уравнения (1.3.) г После дифференцирования, учитывая, что d(lnx) dx/x, получено [3]: В результате преобразований получено выражение для определения ресурсов теплоты уходящих газов ГТУ при различных внешних условиях: где Зі - отклонение энтальпии уходящих газов вследствие изменения внешних условий. Величина отклонения определяется по формуле: ратуры. Для регенеративных ГТУ величина К2 зависит от степени регенерации. Утилизируемые ресурсы определяются параметрами продуктов сгорания ГТУ, а следовательно, внешними условиями работы. По аналогии с вышеизложенным получено выражение для отклонения величины тепловой энергии: где Kgt Kj, Ку - коэффициенты влияния мощности, температуры на входе и на выходе из теплообменника на величину утилизируемой теплоты. При работе ГТУ на режиме, отличном от номинального, утилизируемые ресурсы теплоты могут быть определены: где Q0 - утилизируемые ресурсы теплоты при работе ГТУ на номинальном режиме и заданной температуре. Численные данные располагаемой и утилизируемой теплоты в зависимости от типа агрегата приведены в приложении 4. Влияние внешних условий на утилизируемые ресурсы уходящих газов ГТУ типа ГТК-10 графически представлено на рис. 1.18. Максимальная величина утилизируемых ресурсов теплоты в эксплуатационных условиях ограничивается условиями прочности узлов и деталей (отношение максимальной мощности к номинальной NmaJNa=\.2 1.25) и предельной температурой перед газовой турбиной.
Утилизация теплоты нагретых поверхностей ГТУ
Как было отмечено в предыдущем разделе, другим важным направлением энергосбережения на КС является утилизация теплоты нагретых поверхностей газотурбинных установок в машинных залах. Анализ теоретических и экспериментальных исследований [7, 8] и автора показывает, что независимо от мощности и особенностей размещения ш используемых газотурбинных установок в машинных залах существуют общие проблемы: -существенная неравномерность распределения температуры по высоте помещения; -наличие мощных конвективных потоков, и как следствие, развитого циркуляционного течения выше площадки обслуживания ГТУ; -недостаточная эффективность местной вытяжной вентиляции. Для многомашинных залов эти проблемы практически не зависят от режима работы отдельных ГПА (рабочий или ремонтный). В ці индивидуальных укрытиях при ремонте ГТУ имеют место недостатки теплоты. Учитывая особенности формирования теплового и воздушного режима в машинных залах, предлагаются следующие общие принципы организации воздухообмена (рис. 2.2): -многоуровневая подача приточного воздуха (в рабочую зону площадки обслуживания и в верхнюю зону); -подача рециркуляционного воздуха в нижнюю зону; -удаление воздуха из верхней зоны. Подача приточного воздуха (контур І) в рабочую зону площадки обслуживания используется для обеспечения нормируемых параметров микроклимата. Это может быть достигнуто либо подачей непосредственно в рабочую зону с малыми скоростями (рис. 2.2 а), либо наклонной подачей в направлении рабочей зоны (рис. 2.2 б).
Подача воздуха в верхнюю зону (контур II) предназначена для смещения циркуляционного течения в верхнюю зону и, соответственно, снижения его влияния на параметры микроклимата в рабочей зоне. зоны циркуляционного течения способствует повышению температуры воздуха в этой зоне. Увеличение теплового потенциала верхней зоны определяет целесообразность его утилизации, например, для обогрева нижней зоны (контур III). Подача рециркуляционного воздуха в нижнюю зону решает задачу создания подпора для уменьшения теплопотерь на нагрев инфильтрационного воздуха.
Как известно, при наличии источников теплоты удаление воздуха целесообразно осуществлять из верхней зоны (контур IV). При этом, предпочтительнее расположение вытяжных отверстий непосредственно над источником теплоты с выгораживанием зоны конвективной струи в верхней части с помощью щитов (4) для уменьшения вероятности разворота конвективной струи после "удара" о перекрытие цеха.
Традиционным решением для машинных залов является использование местных отсосов в виде кожухов-укрытий (контуры V, VI).
Несмотря на то, что эффективность этих устройств, как показывает опыт эксплуатации, достаточно низка — не превышает 0,7, предлагается их использование в несколько измененном виде.
Поскольку кожух-укрытие выполняет в первую очередь функцию снижения; уровня звукового давления в машинном зале, отказаться от его использования не представляется возможным. Необходимо иметь в виду, что основным источником шума является осевой компрессор, температура на поверхности которого? порядка 30 С. В настоящее время оказываются "укрытыми" другие существенно менее шумные, но более нагретые элементы ГТУ (ТНД, ТВД, камера сгорания). В результате температура воздуха под кожухом-укрытием оказывается выше, чем собственная температура на поверхности осевого компрессора (например, для местного отсоса ГТК-10 порядка 70 С по данным работы [8]). Работа в таком; теплонапряженном состоянии снижает надежность работы компрессора. Повышенная температура является также причиной преждевременного "старения" звукопоглощающего материала.
Другие элементы ГТУ существенно в меньшей степени генерируют шум, но являются мощными источниками тепловыделений.
При существующей конструкции кожуха-укрытия, например, для ГТК-10 расход воздуха, удаляемого местным отсосом, составляет 22300 м3/ч. Дополнительная общеобменная вытяжка на каждую ГТУ составляет 20000 м3/ч. Иначе говоря, воздухообмен машинного зала с 5-ю агрегатами ГТК-10 составляет более 200 тыс.м /ч (кратность порядка 8 ч" ). Однако, параметры микроклимата при этом существенно отличаются от нормируемых.
Аналогичная ситуация наблюдается и в цехах с агрегатами типа ГТН-16М и ГТН-25/76. Для решения вопросов обеспечения нормируемых параметров микроклимата и допустимого уровня шума в многомашинных залах для сменного и ремонтного персонала могут быть предложены следующие варианты локализации вредных факторов: -установка раздельных кожухов-укрытий (звукоизоляционного над компрессорной частью и теплозвукоизоляционного над остальными элементами); -установка отдельного звукоизоляционного кожуха над компрессором и щитовых ограждений для тепло- и звукоизоляции других элементов; -установка щитовых ограждений для локализации ГТУ без использования кожухов-укрытий. Наиболее целесообразным является второй вариант. В работе [191] с учетом решений предложенных в [8], разработана при участии автора система вентиляции модуля машинного зала с ГТК-10 (рис. 2.3). Отличительной особенностью предложенной системы І является использование в рециркуляционной системе воздуха из верхней зоны и бесканальной приточной установки с двухструнным воздухораспределителем. Последнее решение было внедрено по предложению автора на КС-10. Система вентиляции работает следующим образом. В теплый период года рециркуляционная установка с помощью вентилятора 5 подает воздух через полу кольце вые сопла 4 вдоль газоходов 2 для локализации тепловыделений с удалением через отверстия 13 в наружной стене. Забор воздуха рециркуляционной установкой в холодный период производится из верхней рабочей зоны через воздухоприемное отверстие 14. Для удаления воздуха из верхней зоны применяются дефлекторы 12, установленные на вытяжном колпаке 11. Приточная установка подает воздух двухструнным распределителем 10 в направлении рабочей зоны для обеспечения нормируемых параметров и в верхнюю зону для компенсации воздуха, удаляемого через вытяжной колпак 11. Клапан 7 закрыт, а клапан 7" открыт. В холодный период года рециркуляционная установка подает воздух через воздуховоды равномерной раздачи 3 для обдува газоходов вертикальными струями с целью отопления нижней рабочей зоны. Приток воздуха и удаление из верхней зоны осуществляются также как и в теплый период года. Клапан 7 открыт и 7" закрыт. Для снижения расхода воздуха в конвективной струе от газотурбинной установки (ГТУ) 1, а, следовательно, и через вытяжной колпак 11, вокруг ГТУ предусмотрено устройство щитовых ограждений 15, осложняющих подтекание окружающего воздуха к источнику тепловыделений 2.3. Схемы утилизации теплоты удаляемого воздуха из машинных залов для подогрева приточного воздуха для галереи нагнетателей и тамбуров-шлюзов
Как было отмечено выше, компрессорные станции с многомашинной установкой газоперекачивающих агрегатов характеризуются значительными выделениями теплоты в машинном зале при наличии газотурбинных установок и недостатками теплоты в галерее нагнетателей газа.
Дня повышения эффективности утилизации теплоты предлагается использовать теплоту воздуха, удаляемого от кожуха-укрытия газотурбинной: установки, для подогрева приточного воздуха, подаваемого в галерею нагнетателей [99].
Разработка методики определения параметров утилизируемых воздушных потоков
Состояние микроклимата в рабочей зоне производственных помещений формируется под действием приточных и тепловых струй, течений вблизи всасывающих отверстий, воздушных потоков, поступающих через периодически открывающиеся ворота, лучистой теплоты, инфильтрации, эксфильт-рации и т.д. По современной классификации [115, 116] вентилируемые помещения подразделяются на три класса: первый класс - помещения, циркуляция воздушных потоков в которых определяется приточными струями; второй класс - помещения, циркуляция воздушных потоков в которых определяется конвективными струями; третий класс - помещения, в которых нельзя выделить основного фактора, определяющего циркуляцию. При решении вентиляционных задач необходимо знать особенности развития циркуляционного течения и его влияния на параметры воздуха в рабочей зоне. Циркуляционное течение формируется в помещении не только под действием доминирующего фактора, но также и под действием других, менее ярко выраженных струйных течений, особенностей объемно-планировочных решений и размещения технологического оборудования.
При исследованиях теплового и воздушного режимов в компрессорных цехах наибольший интерес, как уже было указано выше, вызывает вопрос формирования циркуляционного течения в машинных залах.
Изучению циркуляционных течений в горячих цехах, к которым можно отнести верхнюю часть машинного зала КС, посвящен ряд работ [12, 13, 117 130]. Изучены поля распределения температуры и скорости движения воздуха в характерных сечениях реальных объектов и физических моделей производственных помещений при различном расположении источников теплоты [131-167]. Восходящая часть циркуляционного течения представляет собой конвективную струю над тепловыделяющей поверхностью. Из-за ограниченных размеров помещения струя натекает на перекрытие, происходит разворот и настилание струи вдоль перекрытия. Затем в результате теплообмена струя охлаждается и в виде ниспадающего потока возвращается к своим истокам. При наличии в верхней части помещения вытяжных устройств (например, дефлекторов) часть воздуха удаляется в атмосферу.
Важнейшей задачей в области организации воздухообмена является определение количества приточного воздуха, требуемого для обеспечения заданных параметров в рабочей зоне. Однако, поскольку основной "вредностью" в рассматриваемых помещениях является избыточная теплота, необходимо прежде проанализировать методы расчета теплообмена и влияние конвективных потоков на тепловоздушный режим помещений.
В производственных помещениях с источниками теплоты имеют место сложный теплообмен и связанные с ним конвективные течения. При этом в реальных условиях сосуществуют естественная, вынужденная и смешанная конвекция. Подробно вопросы естественной конвекции над горизонтальными поверхностями рассмотрены в работе [168]. В рассмотренных случаях пренебрегали рядом эффектов - вязкой диссипацией, работой сил давления, наличием источников энергии в потоке, стратификацией окружающей среды., Для поддержания требуемых параметров воздушной среды в рабочей зоне горячих цехов, как правило, устраивается общеобменная вентиляция. Согласно СНиП [23] величина расхода приточного воздуха по избыткам явной теплоты определяется по формуле: Наиболее старым является метод температурного градиента по высоте помещения [171], предлагавший линейную связь между ty и tp Недостатки, отмеченные в [118, 138], ограничили применение этого метода. Наиболее широкое распространение получили методы с использованием безразмерного симплекса тд{. и коэффициента кэ, названного Н.С. Сорокиным [139] коэффициентом эффективности воздухообмена: Коэффициент кэ в настоящее время называется коэффициентом воздухообмена KL. Значения тл, кэ KL найдены, как правило, экспериментальным путем. В работах А.А. Рымкевича [184-187] предложен комплексный подход к решению задач оптимизации систем вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе этого метода A.M. Гримитлиным [177] для сосредоточенной подачи воздуха установлено, что расходы теплоты и холода в отопительно-вентиляционных системах зависят от пространственного распределения параметров воздуха в помещении, а коэффициент воздухообмена KL экономически целесообразно изменять в течение года. Машинные залы, как было отмечено выше, относятся к помещениям, в которых циркуляционное течение формируется под действием конвективных струй, образующихся над объемными источниками.
Изучению конвективных струй посвящены работы [117-121, 166, 168, 170, 189-192] и др. Стесненные конвективные струи рассмотрены в работах [128, 132,153,159,192 и др.]. Экспериментальные исследования показывают, что способ установки источника теплоты оказывает существенное влияние на распределение скорости и:температуры. Для основного участка конвективной струи задача решена интегральным методом как для частного случая струи а положительной плавучестью [192]. Для описания профилей скоростей и избыточных температур в основном участке по аналогии с затопленной струей используются профили Шлихтинга [193].
Закономерности, полученные для основного участка конвективной струи, не могут быть использованы в расчетах вентиляции цехов с крупногабаритным тепловыделяющим оборудованием, когда высота помещения соизмерима с размерами источника, и в поле течения формируется лишь разгонный участок. В работах [132, 153, 159] выполнено обобщение экспериментальных данных для разгонного и основного участков [120-122, 132] в критериальном виде:
Для учета влияния стеснения на параметры конвективной струи в критериальные уравнения введены поправочные коэффициенты. Полученные зависимости учтены при расчете аэрации цехов электролиза алюминия.
Из приведенного обзора следует, что полученные закономерности относятся, главным образом, к основному участку свободных и стесненных конвективных струй. Однако, для расчета воздухообмена в производственных помещениях при наличии крупногабаритных источников теплоты необходимо знать закономерности разгонного участка конвективных струй с различными начальными граничными условиями.
В работе [12] впервые была сделана попытка использовать метод интегральных соотношений для расчета разгонного участка свободных и полуограниченных конвективных струй над источниками, установленными заподлицо, и объемными источниками. При этом были использованы результаты экспериментальных исследований автора в машинных залах КС и работы [120]. В производственных помещениях, в основном, имеют место сво бодные и полуограниченные конвективные струи над объемными источниками различной формы.
При разработке рациональной схемы организации воздухообмена в машинных залах в работах [13, 14] было предложено использовать щитовые ограждения вокруг источника теплоты.
Такой способ размещения источника тепловыделений (рис.3.1) был использован в опытах В.И. Куницы [133]. Использование ограждений оптимальной высоты я, как было получено в исследованиях при участии автора [107], позволяет снизить расход воздуха в конвективной струе на 40% по сравнению со струей над пластиной, установленной заподлицо
Оценка теплового потенциала удаляемого воздуха
Методика проведения экспериментальных исследований Испытания опытной установки включали в себя следующие основные этапы: - исследования параметров воздушного потока (температуры и скорости движения воздуха) на входе в вытяжной колпак; - аэродинамические испытания систем утилизации на проектные расходы; -испытания на санитарно-гигиенический эффект; -натурные измерения распределения температуры воздуха в рабочей зоне помещения. Испытания опытной установки утилизации осуществлялись в соответствии со СНиП [249] с учетом требований [250] по методике, представленной в [251, 252]. При выполнении аэродинамических испытаний систем утилизации и вентиляции использованы следующие приборы: -встроенный дифференциальный микроманометр с трубкой Прандтля-Пито; -термоанемометр ТАМ-1; -измерительный комплект TESTO-425. Дня измерений параметров воздушного потока (температуры и скорости движения воздуха) на входе в вытяжной колпак и параметров микроклимата в рабочей зоне помещений использованы: -измерительный комплект TESTO-425; -измерительный комплект TESTO-615. Исследования выполнены холодный период года в двухмашинном зале цеха № 3 Сосногорского ЛПУ МГ. Результаты представлены в приложении 14. Сопоставление данных экспериментальных измерений с результатами расчета по программе (глава 3) и результатами теоретических исследований других авторов [13, 14] показывает достаточно хорошую сходимость. В процессе испытаний выполнялись измерения температур и скоростей на отметке 14.000 м, как при отсутствии колпаков, так и при наличии последних, что дало возможность оценить эффективность устройства колпаков, как элементов локализации конвективных струй.
Результаты измерений параметров тепловых потоков на натуре сравнивались со значениями этих же параметров, полученных на математической модели Полный объем результатов измерений приведен в приложении 14. По результатам данной работы предложены технические решения системы сбора и передачи теплоты удаляемого воздуха для обогрева галереи нагнетателей газа (рис. 4.5). После обработки результатов измерений параметров тепловоздушных потоков в двухмашинном КЦ были определены расходы воздуха в системе удаления из верхней зоны, которые составили: - 17280 м3/ч в части колпака над ПН; - 10800 м3/ч в части колпака над газоходом. Итого суммарный расход удаляемого воздуха при использовании кол-паков на один ГТН-16 составил 28080 м /ч, что значительно меньше расчетного расхода, заложенного в проектных решениях. Общее количество теплоты, удаляемого из двухмашинного цеха составило 1234000 кВт, (617000 на один ГТН-16), что подтверждает указанное в работе [14] ее значение. Для изучения температурного режима помещений, оснащенных разработанной системой утилизации, выполнены натурные измерения температуры и скорости движения воздуха в рабочей зоне машинного зала и галереи нагнетателей в теплый и холодный периоды года. Результаты исследований представлены на рис. 4.6 - 4.8. Опытные данные показывают (рис. 4.6), что в холодный период года в рабочей зоне нижней части помещения наблюдается температура воздуха 14-21 С в пределах зоны обслуживания машиниста. Минимальная температура имеет место вблизи наружной стены у ворот помещения. В галерее нагнетателей температура воздуха порядка 14-16 С. По результатам экспериментальных исследований в натурных условиях можно сделать следующие выводы: —получены характеристики регулирования теплопроизводительности утилизаторов, позволяющие поддерживать постоянный расход выхлопных газов в целом по системе утилизации; —наиболее приемлемой с точки зрения качества регулирования считается система утилизации с трех рядными теплообменниками; —оценка температурных и скоростных полей в пределах приемного колпака позволила определить тепловой потенциал удаляемого вентиляционного воздуха, который для ГТН-16 составил по расходу воздуха 28080 м /ч и средней температуре в потоке 58,4 С, что имеет достаточную сходимость с результатами математической модели; -температурные и скоростные поля в рабочих зонах при использовании предполагаемого решения вентиляции обеспечивают допустимые параметры микроклимата в машинных залах КЦ
