-20

На правах рукописи

Тумаков Алексей Григорьевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы

(в машиностроении)

А ВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2008 -2- -19

Работа выполнена в компании «Энергомаш (Ю.К.) Лимитед»

доктор технических наук, профессор

Научный руководитель Чернов Александр Викторович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Лукьянов Виктор Сергеевич, доктор технических наук, профессор Шпицер Владимир Яковлевич.

профессор Сысоев Юрий Семенович Тумаков Алексей Григорьевич Казанский государственный технический

Ведущая организация

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ОАО "Волгодонский университет им. А.Н. Туполева (КАИ).

ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

Защита состоится "5" февраля 2009г. в 12.00 на заседании дис- диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук сертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан "24 " декабря 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета О.А. Авдеюк -18- -3ния теплогидравлических характеристик теплообменного оборудования [текст] / А.Г. Тумаков, А.В. Кравцов, А.В. Чернов // «Известия высших учебных заведе-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ний. Северо-Кавказский регион. Технические науки», №6, 2008.

2. Тумаков А.Г. Комплексное исследование научных и практических Актуальность проблемы. Современные тенденции развития газотранспроблем в трубчатых теплообменных аппаратах [текст] / Г.А Дрейцер, Н.В. Па- портной системы России, связанные с увеличением дальности транспортировки рамонов, А.С. Неверов и др. // Инженерно-физический журнал. Т. 65, №1. июль. газа и мощности газовых потоков, вынуждают эксплуатирующие организации 1993. С. 25-31. повышать требования к надежности и экономичности оборудования на газопроТумаков А.Г. Алгоритм диагностирования протечек запорной армату- водах. Основу компрессорного парка (77,6%) газовой промышленности Российры [текст] / В.Н. Никифоров, К.А. Адаменков, А.Г. Тумаков // «Новые материа- ской Федерации составляют газотурбинные установки (ГТУ). Технический уролы, приборы и технологии. Волгодонский институт; Новочеркасский государст- вень ГТУ оказывает существенное влияние на технико-экономические показатевенный технический университет»: Сб. научн. трудов – Новочеркасск: Набла. ли транспорта природного газа, так как на работу газотурбинной установки заС. 28 - 35. трачивается 5-10% транспортируемого газа. Кроме того, широкое распространеТумаков А.Г. Определение протечек запорной энергетической армату- ние получили также ГТУ, предназначенные для выработки тепловой и электриры [текст] / А.Г. Тумаков, К.А. Адаменков, А.В. Чернов, С.Э. Гоок // Проблемы ческой энергии. По планам масштабного проекта компании «Энергомаш» до развития атомной энергетики на Дону. Материалы научно-практической конфе- 2015 г должно быть построено и введено в эксплуатацию порядка 1000 газотурренции. Т. 2. Под ред. д.ф-м.н. Давыдова. Г. Ростов-на-Дону. 2000. С. 309-313. бинных ТЭЦ единичной мощностью 9 МВт.

5. Тумаков А.Г. Автоматизированная система диагностики теплообмен- Одним из путей энергосбережения, как при транспортировке газа, так и ного оборудования ПГВ-1000 [текст] / В.Н. Никифоров, О.Ю. Пугачева и др. / при выработке тепловой и электрической энергии, является снижение эксплуатаVII научн. техн. конф. Ядерного Общества России. «Использование ядерной ционных затрат. Снизить расход топливного газа позволяет повышение к.п.д.

энергии: состояние, последствия, перспективы»: Сборник рефератов. – Екате- ГТУ за счет применения регенеративного цикла. Утилизация тепла уходящих ринбург: УПИ, -1997. – С. 91-102. газов происходит в теплообменных аппаратах, а именно, в регенеративных возТумаков А.Г. Использование виброакустического метода диагностики духоподогревателях. Достигнутый в настоящее время уровень к.п.д. ГТУ такого в целях повышения эксплуатационной надежности теплообменного оборудова- типа составляет 29% при предельном его значении до 42%. Поэтому при проекния АЭС [текст] / С.Э. Гоок, А.И. Левин, А.В. Чернов, А.Г. Тумаков // Проблемы тировании воздухоподогревателей газотурбинных установок возникает проблема развития атомной энергетики на Дону. Материалы научно-практической конфе- оценки эффективности теплообменной поверхности.

ренции. Т. 2. Под ред. д.ф-м.н. Давыдова. Г. Ростов-на-Дону. 2000. С. 303-308. Использование существующих методик и экспериментальных данных 7. Тумаков А.Г. Устройство для мокрой очистки воздуха [текст] / В.М. при проектировании не обеспечивает достижения желаемой эффективности поКунаков, А.Г. Тумаков // Патент на изобретение РФ №2257943 от 20.09.2004. верхности теплообмена с произвольными геометрическими параметрами. Для 8. Тумаков А.Г. Теплообменник [текст] / А.Г. Тумаков // Патент на изо- решения поставленной задачи целесообразно объединить методы эксперименбретение РФ №2328632 от 01.12.2006. тального исследования и методы численного моделирования в единый процесс.

9. Тумаков А.Г. Ограничитель перетечек теплоносителя между трубным В этом случае существенно увеличивается информативность расчетнопучком и кожухом теплообменника [текст] / А.Г. Тумаков, Е.А. Тумаков, экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики поверхностей А.В. Кравцов, С.В. Рязанов // Патент на изобретение РФ №2294505 от 30.05.2005. теплообмена и появляется возможность получать более достоверные данные об 10. Тумаков А.Г. Теплообменник на тепловых трубах [текст] / А.Г. Тума- этих процессах. Погрешность получаемых таким образом основных параметров ков, Е.А. Тумаков, А.В. Кравцов // Патент на изобретение РФ №2310804 от теплообменной поверхности в первую очередь будет определяться возможностями соответствующей информационно-измерительной системы. Используя реТумаков А.Г. Теплообменник на тепловых трубах [текст] / А.Г. Тума- зультаты измерений параметров трубных пучков в качестве опорных, можно ков, А.В. Кравцов, А.Б. Тараканов // Патент на изобретение РФ №2255284 от осуществлять корректирование плана эксперимента, детализацию процессов теплообмена и гидродинамики для конкретных поверхностей теплообмена, то есть фактически переходить от интегральных характеристик к локальным распределениям полей скоростей и температур.

Настоящее состояние проблемы определяет актуальность получения точных и достоверных данных о процессах теплообмена и гидродинамики поверхностей теплообмена с целью достижения более высоких технических (массогабаритных) и экономических показателей проектируемых и модернизируемых -4- -17воздухоподогревателей ГТУ. ВЫВОДЫ Целью настоящей работы является повышение эффективности воздухоподогревателей за счет получения разработанной информационно- 1. Анализ существующих теоретических и экспериментальных методов измерительной системой расчетно-экспериментальных данных по гидродинами- исследования процессов теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании ке и теплоотдаче при внешнем обтекании трубных пучков продуктами сгорания трубных пучков позволил выработать метрологические и конструктивные требовоздухом). вания для реализации измерительных процедур при определении коэффициентов В процессе реализации цели настоящей работы решены следующие зада- теплоотдачи и гидравлического сопротивления в диапазонах чисел Рейнольдса, чи: характерных для работы воздухоподогревателей газотурбинных установок.

1. Выполнен анализ факторов, влияющих на эффективность воздухопо- 2. На основании теоретических и экспериментальных исследований усдогревателей ГТУ. тановлена возможность включения в структуру информационно-измерительной 2. Синтезирована структура информационно-измерительной системы для системы программных средств численного моделирования, обеспечивающих поисследования теплогидравлических характеристик воздухоподогревателей ГТУ. мимо выполнения измерительных операций корректирование плана эксперименВыполнен метрологический анализ информационно-измерительной та в зависимости от числа Рейнольдса и соответствия экспериментальных и теосистемы. ретических результатов.

4. Проведены расчетно-экспериментальные исследования гидродинами- 3. Выявлено, что при проведении теплофизического эксперимента метоки внешнего обтекания трубных пучков с целью получения уравнений подобия дом полного моделирования необходимо минимизировать погрешность измерезависимостей коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса) с учетом бай- ния температур воды и воздуха, поэтому измерения температуры воды и воздуха чисел Нуссельта от числа Рейнольдса (уравнений подобия) при внешнем обтека- 4. В результате выполненного метрологического анализа информационнии трубных пучков воздухом. но-измерительной системы установлено, что относительная среднеквадратичеЧисленными методами осуществлено исследование гидродинамики и ская погрешность косвенного измерения основных параметров трубных пучков теплообмена при обтекании трубных пучков вязкой теплопроводной жидкостью. Nu г, Re г, k, г и г составляет величину от ±3,56 до ±10,1%, что позволяет Научная новизна диссертационной работы состоит: рассчитать поверхность теплообмена в соответствии с проектными требованияВ результатах исследований, проведенных на основе использования ми и уменьшить габариты и массу воздухоподогревателей.

информационно-измерительной системы, позволивших осуществить количест- 5. Экспериментальные исследования процессов теплообмена и гидродивенное описание процессов теплоотдачи и гидродинамики уравнениями подобия намики при внешнем обтекании фрагментов трубных пучков определенных конEu = f ( 1,, Re) и Nu = f ( 1,, Re, Pr) ) при внешнем обтекании трубных пуч- фигураций позволили получить уравнения подобия по числу Рейнольдса ков определенной конфигурации в диапазоне чисел Рейнольдса 4000 – 12000 с ( Eu = f ( 1,, Re) и Nu = f ( 1,, Re, Pr) ), обеспечивающие меньшую погрешность ототносительной среднеквадратической погрешностью от ±3,56 до ±10,1 %. носительно рекомендуемых зависимостей.

2. В синтезе структуры информационно-измерительной системы, содер- 6. Использование разработанной информационно-измерительной систежащей помимо измерительных каналов блоки программных средств численного мы при исследовании процессов теплообмена и гидродинамики позволило вырамоделирования процессов теплоотдачи и гидродинамики, позволяющие коррек- ботать рекомендации для проектирования воздухоподогревателей ГТУ и, в часттировать план эксперимента в зависимости от числа Рейнольдса и соответствия ности, установить неэффективность применения в них суперплотных трубных 3. В разработке метода расчетно-экспериментальной оценки величины 7. Разработанная информационно-измерительная система и предложенбайпасного расхода, основанного на решении системы нелинейных уравнений ные расчетно-экспериментальные методы были доведены до промышленного Практическая ценность работы состоит в использовании полученных эффективность их работы и довести коэффициент полезного действия ГТУ до данных по теплообмену и гидродинамике для проектирования и модификации 32,8%.

эффективных воздухоподогревателей.

Внедрение результатов работы. Работа является частью эксперимен- Основные результаты исследования отражены в публикациях:

тального исследования и результатов численного моделирования, выполненного 1. Тумаков, А.Г. Информационно-измерительная система для исследовасоискателем в компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» с целью повышения эффективности разрабатываемых и модификации серийно изготавливаемых воздухоподогревателей ГТУ. Полученные данные о процессах теплообмена и гидродинамики реализованы в конструкциях поверхностей теплообмена воздухоподогревателей для ГТК-10-4, ГТ ТЭЦ-009, серийно изготавливаемых компанией б) поле скоростей, полученное численным моделированием (число Рейнольдса 8000) выполнил метрологический анализ информационно-измерительной системы, обеспечивающей получение экспериментальных данных при исследовании процессов теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании трубных пучков.

Соискатель выполнил обработку и анализ экспериментальных данных, расчеты численным моделированием процессов теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании трубных пучков и обработку результатов расчетов с целью полу- чения уравнений подобия, а также проведения сравнительного анализа погрешностей полученных аппроксимаций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность получен- кании трубных пучков воздухоподогревателей газотурбинных установок. На рисунке 1 представлен один из таких газотурбинных агрегатов типа ГТК-10-4, а) зависимости числа Нуссельта от числа Рейнольдса суммарная установленная мощность которых составляет около 14,8% всех ГПА ОАО «Газпром», предназначенный для северных труднодоступных районов, снабженный производимым компанией «Энергомаш (ЮК) Лимитед» и требующем модификации воздухоподогревателем (рисунок 2).

Для объективной оценки эффективности воздухоподогревателей многоагрегатных ГТУ, реализующих термодинамический цикл с регенерацией, С.С Берманом, Э.А. Манушиным, а также другими учеными предлагается использовать два нормируемых показателя. Во-первых, степень регенерации, характеризующую долю возвращенной в цикл теплоты, а во-вторых, энергетическую эффективность трубного пучка, отражающую потери давления на проталкивание теплоносителей через трубный пучок.

Рисунок 1 - Газотурбинный агрегат Рисунок 2 - Воздухоподогреватель ГТК-10- Определение указанных нормируемых показателей основывается на эксРисунок 4 – Расчетно-экспериментальные характеристики трубного пучка при периментальных данных и методах расчета гидродинамики и теплообмена, разработанных рядом отечественных и зарубежных ученых. Наиболее представительные результаты исследований теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании газом трубных пучков содержатся в работах А.А Жукаускаса, В. Макарявичуса, А.А. Шлянчаукаса, A. Слансиаускаса, O.L. Pierson, W.M.Kays, Параметры Экспериментальная (реко- Численное моделирование Погрешность, % Однако погрешности определения теплогидравлических характеристик трубных 1 = 1,47, *) Ko = Pr f0,33 K, K - коэф., учитывающий направление теплового потоотражать зависимости чисел Эйлера, Нуссельта и Прандтля от режимов течения ка.

= 1, трубных пучков и рассмотрены факторы, определяющие его эффективность. Таблица трубного пучка:

- продольный (относительный 2 ) шаг труб в пучке;

труб зависит от его конфигурации (описываемой параметрами s1 ( 1 ), s 2 ( 2 ) и d н ), числа рядов в пучке z, скорости потока u г в минимальном проходном сечении и физических свойств жидкости (газа): динамической вязкости г и В пятой главе приведены материалы расчетно-экспериментальных исследований. Выполнена оценка погрешностей расчетов гидродинамики и теплог плотности Для обобщения экспериментальных данных по гидравлическому сопро- результатов исследований установлена большая степень соответствия эксперитивлению трубного пучка обычно используется степенная зависимость вида менту численного метода моделирования теплообмена по отношению к моделиEu = C s ( 1, ) Re n ( z + 1), рованию гидродинамических процессов.

Степенные уравнения очень хорошо описывают результаты эксперименрисунке 5 – для трубного пучка при 1 = 1,18, = 1,5 и байпасной перетечке.

та в ограниченных диапазонах изменения числа Рейнольдса.

коэффициентов на количество рядов труб, угол атаки и шероховатость наружной вильных шахматных трубных пучков при 1,05 1 1,4 в диапазоне изменения Средние числа Нуссельта при поперечном обтекании пучков гладких ражаются следующей зависимостью:

В зависимости (4) за расчетную скорость принимается средняя скорость теплового потока. Приводимая в литературе точность определения теплоотдачи от трубы в глубине шахматного пучка по формуле (4) независимо от геометрии в диапазоне отношений 1 2 = 0,3 - 0,6 составляет ±15%. Окончательно числа Рисунок 3 - Структурная схема информационно-измерительной системы гидравлического сопротивления как суммы местных сопротивлений при сужении и расширении потока дает неудовлетворительный результат из-за неопределенности определения площадей сечения сужения и расширения зазора между измерительной системы. В результате анализа функциональных возможностей Для получения зависимостей гидравлического сопротивления и теплоотинформационно-измерительной системы сформулированы основные принципы дачи от числа Рейнольдса при поперечном обтекании потоком трубного пучка, ее построения. В синтезированной структуре информационно-измерительной предложен алгоритм выполнения вычислений, конечной целью которого являетсистемы обосновано применение помимо измерительных каналов блоков про- ся построение методом наименьших квадратов уравнений линейной регрессии граммных средств численного моделирования процессов теплоотдачи и гидро- для логарифмов коэффициентов гидравлических сопротивлений и чисел Нусдинамики, позволяющих корректировать план эксперимента в зависимости от сельта от логарифмов чисел Рейнольдса. Построение уравнений линейной регчисла Рейнольдса и соответствия экспериментальных и теоретических результа- рессии для теплообмена выполняются при фактически полученных в результате Обоснованы преимущества использования преобразователей типа «Сап- информационно-измерительной системы предназначен также для выполнения фир-22МП» в разрабатываемой информационно-измерительной системе. Эти численного моделирования и корректирования плана эксперимента в зависимопреимущества заключаются в наборе дополнительных возможностей по их уда- сти от чисел Рейнольдса и соответствия теоретических и экспериментальных Для измерения расходов воздуха и воды применены стандартные су- При синтезе структуры информационно-измерительной системы (рисужающие устройства (диафрагмы). При этом отмечено, что важным достоинством нок 3) предпочтение отдано модульному принципу ее построения на основе изданного метода измерения расхода является отсутствие необходимости исполь- мерительного преобразователя I-7018P/ I-7018Р аналогового сигнала в цифровой зования образцовых расходомерных установок. код для дальнейшей его обработки с помощью компьютера. Выбор измерительСнижению погрешностей измерения температур сред было уделено осо- ного преобразователя I-7018P/ I-7018Р обеспечивает полную унификацию выбое внимание. С этой целью для измерения температуры воды на входе и выходе ходных токовых сигналов, поступающих в «АРМ испытателя» от используемых в модель были применены батареи пятиспайных термопар ТХК (L) типа ТХК1- датчиков.

2088 специальной конструкции и с индивидуальной тарировкой. Данное меро- Реализация обмена информации между «АРМ исследователя» и приятие позволило снизить предел допускаемых отклонений номинальной стати- «АРМ испытателя» через «Сервер базы данных» обеспечивает ее независимую ческой характеристики с 2,5°С (стандартный термоэлектрический преобразова- обработку на разных стадиях теплофизического эксперимента. Функцией тель) до 0,9°С. Для измерения температуры воды применялись также микропро- «АРМ испытателя» является только регистрация параметров работы фрагмента цессорные термометры сопротивления типа ТСМУ «Метран-274МП», предель- трубного пучка в процессе теплофизического эксперимента. Для выполнения ная относительная погрешность измерения температуры которых составляет задач по обработке, результатов измерения параметров теплофизического эксперимента, а также выполнения численного моделирования в «АРМ исследоватеДля измерения температуры воздуха на входе и выходе в модель приме- ля» должен использоваться компьютер, обладающий соответствующими вознены блоки четырехзонных термопар специальной конструкции и стандартной можностями.

тарировки типа ТХК1-9802, расположенные под 90. Это позволило снизить по- В четвертой главе проводится метрологический анализ, акцентировангрешность измерения температуры воздуха пропорционально корню квадратно- ный на исследование погрешностей прямых и косвенных измерений. Оценка отму из общего числа датчиков. носительных среднеквадратических погрешностей косвенного измерения параОбосновано, что изучение теплогидравлических характеристик трубных метров трубного пучка Nuг, Re г, k, г и г в соответствии с их функциопучков воздухоподогревателей может быть выполнено на фрагментах трубных пучков, изготовленных из W-образных труб объекта исследования при натурной компоновке и геометрических размерах труб. Вследствие различного количества пр абс труб в одном ходе фрагменты трубных пучков отличаются только размерами и мулы и представлена в таблице 1. Принятые для оценки погрешностей косвенсхемами подвода воды к трубной системе. Для экспериментального исследова- ных измерений минимальные значения температуры воздуха и воды составляли ния байпасной перетечки одна из боковых стенок корпуса фрагмента трубного 90 и 7°С соответственно, а максимальное значение температуры воздуха равняпучка может быть установлена с необходимым зазором. лось 200 °С.

Для исследования теплообмена и гидродинамики в моделях трубных Таким образом, разработанная система измерений обеспечивает погрешпучков методом полного моделирования разработана и изготовлена эксперимен- ность 3,56 – 10,1% косвенного измерения основных параметров исследуемых тальная установка в виде аэродинамической трубы открытого типа. Эксперимен- трубных пучков в диапазоне их работы и, соответственно, позволяет решить затальная установка позволяет проводить исследования фрагментов трубных пуч- дачу уменьшения массы и габаритов воздухоподогревателей ГТУ.

ков по числу Рейнольдса от 103 до 5*103 и температуре воздуха на входе до