Статья поступила в редакцию 20.03.13. Ред. рег. № 1635 The article has entered in publishing office 20.03.13. Ed. reg. No. 1635

УДК 621.314.27, 621.311.24

ОЦЕНКА ЗОН ПОНИЖЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ

РАСПРЕДЕЛЕНИИ ТЕПЛОСЪЁМА МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

О.О. Мильман, А.Ю. Калинин, Е.А. Осипова Заключение совета рецензентов: 22.03.13 Заключение совета экспертов: 25.03.13 Принято к публикации: 27.03.13 Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского ул. Ст. Разина, 26, Калуга, 248000, Россия Тел.: 8-962-177-72-57, e-mail: [email protected] При конденсации пара в параллельных каналах, в условиях неравномерного теплосъема по ходу движения охлаждающей среды (ОС) (например, воздуха в воздушно-конденсационных установках) выявлена недостаточно эффективная работа первых по ходу ОС труб. Это происходит из-за того, что пар с примесями неконденсирующихся газов, поступающий в первые по ходу воздуха трубки, конденсируется лишь на части поверхности. Даны физическая и математическая модели процесса, разработана программа для ЭВМ, выявляющая зоны недостаточной эффективности.

Разработка программы строилась на принципах, являющихся основными для уже известных программ(ANSYS, ANES, FlowVision): выбор модели и частоты разбиения участков. Кроме того, она имеет достаточно информативный интерфейс, позволяет работать на ней человеку, не имеющему специальных знаний в области компьютерного моделирования или программирования.

Были проведены две серии испытаний ВКУ при работе их в составе утилизационной паротурбинной установки компрессорной станции «Чаплыгин» Первомайского управления ООО «Мострансгаз» с помощью лазерного пирометра и тепловизора FLIR. Получено поле температуры оребренной поверхности теплообмена со стороны входа охлаждающего воздуха. Испытания натурных образцов воздушно-конденсационных установок подтвердили расчетные данные.

Таким образом, мы имеем дело с выраженным следствием физического явления, описанного выше, и необходимо принимать конструктивные и схемные решения, предотвращающие этот органический дефект в работе параллельных каналов в условиях неравномерного теплосъема.

Ключевые слова: конденсация, теплопередача, теплоотдача, расход, температура.

ESTIMATION OF INSUFFICIENT EFFECTIVENESS AREAS OF CONDENSING

FACILITIES AT NON-UNIFORM DISTRIBUTION OF HEAT REMOVAL USING

COMPUTER SIMULATION

О.О. Milman, A.U. Kalinin, A.E. Osipova Referred 22.03.13 Expertise: 25.03.13 Accepted: : 27.03. Kaluga State University 26, St. Razin St., Kaluga, 248000, Russia Tel.: +7 (962) 177-72-57, e-mail: [email protected] At devaporation in parallel channels, in the conditions of non-uniform heat removal in the direction of the cooling medium (CM) (for example, air in air condensing plants) a poor efficiency of the first pipes along the CM flow takes place. This is due to the fact that the steam with impurities of incondensible gases, entering the first pipes along the CM flow, is condensed only on part of the surface. Physical and mathematical models of the process are described, as well as; the program developed for determining the zones of low efficiency. The program is based on the principles underlying the well-known software (ANSYS, ANES, FlowVision): those for selection of the model and sampling rate. Besides, the program has quite an informative interface that allows non-experts in computer modeling or programming to work with it.

Two testing campaigns of ACPs were carried out while using the latter as part of a utilization steam turbine of the compressor station "Tchaplygin" at Pervomaysky office of JSC Mostransgaz by means of a laser pyrometer and FLIR thermal imager. The temperature field for the finned radiator surface on the upstream side of cooling air flow was obtained. Tests of full-scale specimens of air condensing plants confirmed the calculation data.

Thus we deal with the pronounced effect of the physical phenomenon described above, and proper structural and circuit solutions are required to prevent this systematic defect in operation of parallel channels in the conditions of non-uniform heat removal.

Keywords: condensation, heat transfer, heat transfer, flow, temperature.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 10 © Scientific Technical Centre «TATA», О.О. Мильман, А.Ю. Калинин, Е.А. Осипова ОЦЕНКА ЗОН ПОНИЖЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ … Олег Ошерович Мильман Сведения об авторе: д.т.н., профессор, научный руководитель ФТИ, зав. кафедрой общей физики КГУ им. К.Э. Циолковского.

Область научных интересов: область тепломассопереноса.

Публикации: автор более 100 опубликованных работ и двух десятков авторских свидетельств и патентов на изобретение.

Александр Юрьевич Калинин Сведения об авторе: инженер отдела проектирования в ООО «ЭнергоМонтаж».

Область научных интересов: энергетика.

Публикации: 3.

Елена Александровна Осипова Сведения об авторе: лаборант кафедры общей физики Калужского Государственного университета им. К.Э. Циолковского Область научных интересов: область тепломассопереноса Публикации: популярны среди них: ANSYS – моделирование Введение задач прочностного анализа, аэроупругости, Воздушные конденсационные установки (ВКУ) гидродинамики. ANSYS, INC, USA; ANES – лишь относительно недавно получили своё моделирования двух- и трехмерных стационарных и распространение в мире. В отличие от привычных нестационарных течений многокомпонентного традиционных установок, они имеют определённые однофазного теплоносителя в областях сложной преимущества: независимость от водных ресурсов (в геометрической формы. МЭИ (ТУ), Россия;

последнее время ужесточились требования к FlowVision – моделирование стационарных и использованию водных ресурсов в связи с их нестационарных течений жидкости и газа. Россия.

дефицитом), уменьшение вредных выбросов в атмосферу (что обеспечивает благоприятный микроклимат в районе электростанции для населения). Но ВКУ имеют и ряд недостатков, ставящих перед нами задачи, требующие детального анализа и разрешения.

Физическая модель В [1] уже даны физическая и математическая модели процесса для случая конденсации пара в 2-х параллельных каналах, выполнен расчет, показывающий, что до 30% поверхности не участвуют в теплообмене. Это происходит из-за того, что пар с примесями неконденсирующихся газов, поступающий в первые по ходу воздуха трубки, конденсируется лишь на части поверхности.

Следствием будет менее эффективное использование поверхности теплообменника и заметное переохлаждение конденсата на выходе из первых труб, а также опасность замерзания конденсата при отрицательных значениях температуры. На практике более актуально решение задачи для четырёх параллельных каналов. Качественная схема такого распределения представлена на рисунке 1.

Компьютерное моделирование ВКУ В последнее время довольно широкое распространение получили программные комплексы для расчета теплофизических процессов как иностранных, так и российских фирм. Наиболее Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) Водородная экономика ней (в отличие от ANSYS, ANES, FlowVision) динамическая вязкость при средней температуре человеку, не имеющему специальных знаний в стенки (температура стенки, как и температура области компьютерного моделирования или насыщения пара, корректируется во время всего Предлагаемая программа расчёта рассматривает Потери давления рассчитывались по гомогенной параллельных каналах, равномерно обтекаемых С использованием вышеуказанных формул - давление пара на входе одинаково для всех поверхности четырёхканального теплообменника - давление пара на выходе одинаково для всех обрабатывающая введённые пользователем данные:

- плотность теплового потока на заданной высоте - расход охлаждающего воздуха;

y канала определяется местным коэффициентом - коэффициент теплоотдачи от воздуха;

теплопередачи k y и разностью температур t y - температура охлаждающего воздуха на входе;

между паром t п и охлаждающим воздухом tВ на этой высоте - зависимостью температуры насыщения от уменьшения времени работы программы (задание потерь давления по длине каналов пренебрегаем; изначального диапазона поиска расходов пара), - во всех каналах происходит полная конденсация расчёта процесса переохлаждения конденсата. При - задача теплообмена со стороны охлаждающего выводится соответствующее сообщение во время Теперь запишем традиционное уравнение для После нажатия на кнопку «Пересчёт», программа Количество пара, сконденсированного на высоте формирует начальные массивы данных, подбирает где r – теплота фазового перехода.

Теплообмен при конденсации водяного пара в ВКУ удовлетворительно описывается формулой Л.Д. Бойко-Г.Н. Кружилина Однако она справедлива для Re>5103, что находится за пределами рассматриваемого нами случая. В результате было принято решение использовать формулу Нуссельта для практически неподвижного пара с учётом поправок, учитывающих влияние переменности физических свойств конденсата на теплоотдачу [4], волновое движение [5].

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) О.О. Мильман, А.Ю. Калинин, Е.А. Осипова ОЦЕНКА ЗОН ПОНИЖЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ … сконденсировавшегося пара равен начальному - график температур воздуха на выходе.

общему расходу, соблюдено равенство теплового При нажатии на кнопку «Построить график баланса. После завершения расчёта пользователь температур» на экран выводится форма для печати с - температуру насыщения и давление пара; после прохождения каждой из трубок. Кроме того, - количество пара, сконденсировавшегося в на форме дублируются исходные и полученные в Рис. 2. Общий вид программы. На начальной стадии работы задаются исходные данные Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) Водородная экономика На рисунке 4 представлена зависимость температуры насыщения от начального расхода пара.

На рисунке 5 представлена зависимость температуры насыщения пара от расхода охлаждающего воздуха.

На рисунке 6 представлена зависимость температуры насыщения пара от температуры охлаждающего воздуха.

отношения площади поверхности, не участвующей в Fig. 6. Dependence of saturation temperature on the cooling air конденсации, к полной поверхности от общей длины Рис. 4. Зависимость температуры насыщения Fig. 4. Dependence of saturation temperature Рис. 5. Зависимость температуры насыщения Fig. 5. Dependence of saturation temperature on the cooling air International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) О.О. Мильман, А.Ю. Калинин, Е.А. Осипова ОЦЕНКА ЗОН ПОНИЖЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ … а) со стороны входа охлаждающего воздуха, б) со стороны выхода воздуха Таким образом, мы имеем дело с выраженным следствием физического явления, описанного выше, и необходимо принимать конструктивные и схемные решения, предотвращающие этот органический дефект в работе параллельных каналов в условиях неравномерного теплосъема.

Список литературы References

1. Федоров В.А., Мильман О.О. Конденсация в 1. Fedorov V.А., Mil'man O.O. Kondensaci v параллельных каналах при неравномерном parallel'nyh kanalah pri neravnomernom raspredelenii распределении теплосъёма в различных зонах teplos"ёma v razlinyh zonah teploobmennoj теплообменной поверхности. Материалы РНКТ, 2010.

конденсационные установки. М.: Издательство МЭИ.

2002.

3. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., S.V. Teploobmen v derno-nergetieskih ustanovkah.

Соловьев С.В. Теплообмен в ядерно-энергетических MI. 2003.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С.

Теплопередача. М.: Издательство "Энергия". 1975.

5. Программа расчёта теплообменных процессов при течении пароводяного потока внутри труб аппаратов воздушного охлаждения секционного типа vozdunogo ohladeni sekcionnogo tipa ABCGI.

ABCGI. Регистрационный номер 2011610407. Registracionnyj nomer Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123)