КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Корбут Вадим Павлович

УДК 697.9: 621.311.22

Енергозберігаючі технології створення повітряно–теплових режимів теплових електростанцій

05.23.03. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ-2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України

Офіційні опоненти: Нікитенко Микола Іванович, доктор технічних наук, професор, провідний науковий співробітник інституту технічної теплофізики НАН України.

Бруяцький Євген Васильович, доктор технічних наук, старший науковий співробітник, провідний науковий співробітник інституту гідромеханіки НАН України .

Соколов Володимир Ілліч, доктор технічних наук, професор кафедри гідрогазодинаміки Східно-Українського національного університету ім. Володимира Даля .

Провідна установа: Харківська державна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України..

Захист дисертації відбудеться “___” ___________ 2003р. о __ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680 м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Автореферат розісланий “__”__________2003р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Теплові електростанції (ТЕС), які працюють на органічному паливі, є ключовою ланкою серед об’єктів виробництва теплової і електричної енергії. Загальна встановлена потужність електростанцій України складає 53,9 млн. кВт, у тому числі доля ТЕС – 36,4 млн. кВт (67,5%). Незважаючи на окремі досягнення у підвищенні ефективності роботи ТЕС, вирішення проблеми зменшення енерговитрат, покращення санітарно-гігієнічного та екологічного стану всередині та у навколишньому середовищі, не відповідає сучасним економічним і соціальним вимогам. Існуючі рішення по технологічним системам вентиляції та організації повітрообміну у головних корпусах ТЕС внаслідок неефективності схем локалізації та нераціонального використання значних теплонадходжень від обладнання, розміщеного по висоті, призводять до неприпустимого перегріву площадок обслуговування верхніх зон, а також до переохолодження нижніх зон у холодний період року.

Недоліки, що визначені при забезпеченні внутрішніх мікрокліматичних умов на ТЕС, обумовлені в першу чергу відсутністю надійних математичних моделей для опису складних аеротермодинамічних процесів, які відбуваються у головних корпусах ТЕС. Відсутність таких теоретичних розробок стає на заваді оптимізації відповідних вентиляційних систем в цілому та їх окремих елементів. Тому підвищення ефективності та енергетичної економічності опалювально-вентиляційних та дуттьових систем головних корпусів ТЕС, реалізація яких базується на комплексному науковому підході до фактичних тепломасообмінних процесів, технологічних та об’ємно-планувальних властивостей головних корпусів, є актуальною науково-технічною проблемою. Одним з перспективних методів вирішення цієї проблеми є використання найсучасніших енергозберігаючих технологій з переходом на багатозональні аераційно-механічні енергоефективні системи вентиляції технологічного та комфортного призначення.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках державної програми “Створення систем і обладнання екологічно безпечних енерготехнологічних комплексів України” і тісно пов’язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури на замовлення Міністерства освіти і науки України (№№ держреєстрації 0195U019786, 0196U016062, 0199U000663, 0102U000932, 1993-2002 р.р.).

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обгрунтуванні енергозберігаючих технологій формування повітряно-теплових режимів теплових електростанцій та вдосконаленні на цих основах потокорозподілення в умовах аераційно-механічної зональної організації повітрообміну технологічно-комфортних систем вентиляції головних корпусів.

Задачі дослідження:

- узагальнити і поглибити теорію аеродинамічних і тепломасообмінних процесів при термогравітаційному русі повітря між вертикальними поверхнями ;

- удосконалити методики числового і фізичного моделювання процесів руху і теплообміну при турбулентній термогравітаційній конвекції повітря між нагрітими вертикальними поверхнями;

- розробити методику числового моделювання руху повітря і теплообміну у головних корпусах ТЕС та теплової взаємодії їх з зовнішніми потоками повітря;

- удосконалити методику фізичного моделювання руху повітря і теплообміну у головних корпусах ТЕС;

- провести методами числового моделювання дослідження процесів руху повітря і теплообміну між вертикальними паралельними тепловіддаючими поверхнями, усередині головних корпусів ТЕС та при їх обтіканні повітряними потоками з урахуванням неізотермічності зовнішніх огороджень та теплових скидів;

- виконати експериментальні дослідження на теплових моделях процесів руху повітря та теплообміну між вертикальними паралельними поверхнями та у головних корпусах ТЕС різної компоновки;

- розробити та впровадити у виробництво енергозберігаючі технології з використанням аераційно-механічних багатозональних систем вентиляції у головних корпусах ТЕС та обладнання для цих систем;

- розробити методики і рекомендації по використанню, конструюванню і розрахунку енергоефективних систем комфортно-технологічної вентиляції ТЕС.

Об’єкт досліджень – процеси руху повітря і тепломасообміну у головних корпусах ТЕС в умовах аераційно-механічної вентиляції.

Предмет досліджень – наукове обґрунтування енергозберігаючих технологій створення повітряного і теплового режимів та тепловикористання у головних корпусах ТЕС, які задовольняють екологічним вимогам.

Методи досліджень

Теоретичні дослідження виконані на основі рівнянь аерогідродинаміки і тепломасообміну, які описують термогравітаційний рух повітря в наближенні теорії переносу Ж. Бусінеска, з широким використанням методів числового аналізу, фізичного та математичного моделювання, а також розрахунків на ЕОМ.

При виконанні експериментальних та натурних досліджень використовувались: фізичне моделювання повітряно-теплових режимів з використанням теорії подібності та масштабів моделювання для перетворення фізичних величин; методи аеромеханічних та теплових вимірювань параметрів потоків повітря і примежових їх шарів, поверхонь стін тощо; методика планування і статистичної обробки експериментів з пошуком на ЕОМ припустимого мінімуму або максимуму надлишкової температури у визначених зонах.

Наукова новизна одержаних результатів:

- на базі виконаного комплексу теоретичних, експериментальних і натурних досліджень вперше науково обґрунтовані принципи створення енергозберігаючих, екологоефективних технологій формування повітряно-теплових режимів ТЕС;

- доведено, що тепловий режим та розподілення швидкостей повітря на різних рівнях в котельних відділеннях визначаються особливостями розвитку конвективних потоків біля вертикальних нагрітих поверхонь котлів та іншого обладнання (висотою 40...110 м), як в умовах вільної конвекції, так і у вертикальних плоских каналах з тепловіддаючими поверхнями в умовах стиснення термогравітаційних течій;

- розроблено уточнену фізичну модель розвитку турбулентних термогравітацій-них потоків повітря між вертикальними нагрітими поверхнями з виділенням по висоті трьох характерних ділянок, які розрізняються характером руху, структурою потоку та інтенсивністю теплообміну;

- на основі експериментальних досліджень та числовим методом на ділянці незалежних пристінних термогравітаційних потоків отримані апроксимаційні залежності, які описують профілі швидкості, температури та висоту ділянки;

- на ділянках формування та стабілізованої течії отримані динамічні та теплові характеристики термогравітаційного потоку у вигляді нелінійних диференціальних рівнянь та реалізований на ЕОМ метод їх розрахунку;

- вперше, задачу визначення основних характеристик турбулентного термогравітаційного потоку між високими вертикальними нагрітими поверхнями (у тому числі і асиметрично) вирішено комплексно для всіх ділянок його формування; розроблені алгоритми вирішення та програми для розрахунку цих характеристик на ЕОМ для граничних умов першого і другого роду;

- вперше отримано експериментальні дані по динамічним та тепловим характе-ристикам термогравітаційних течій у вертикальних каналах, які підтверджують адекватність прийнятої фізичної моделі і допустимість методик її математичного описання; одержано поліноміальні залежності, які характеризують вплив горизонтального повітряно-струменевого перекриття на основні характеристики конвективного потоку між тепловіддаючими паралельними поверхнями, а також визначені співвідношення незалежних змінних, які відповідають мінімуму розшарування температури по висоті конвективного потоку;

- на основі експериментальних досліджень на фізичних моделях головних кор-пусів ТЕС різної потужності і компоновки отримані раціональні схеми потокорозподілення, оптимальні співвідношення витрат повітря, а також розподілення швидкостей і температур в об’ємі приміщень для багатозональних систем формування внутрішнього мікроклімату;

- за розробленою методикою числового моделювання турбулентних течій повіт-ря з теплопереносом: одержані профілі безрозмірної швидкості та температури між нагрітими вертикальними поверхнями, які у цілому збігаються з теоретичними результатами та фізичним експериментом; досліджено і визначено параметри внутрішнього повітряно-температурного режиму головних корпусів ТЕС в залежності від прийнятих схем повітрообміну;

- вперше отримані динамічні та теплові характеристики взаємодії вітрових по-токів зі спорудами з неізотермічними поверхнями, а також вплив теплопереносу від будівель в навколишній простір на динаміку та структуру повітряних течій, розподіл та величину вітрового тиску по поверхні споруди, формування температурного та швидкісного полів навколо споруди при дії вітру;

- теоретично та експериментально обґрунтована необхідність застосування в приміщеннях з переважно вертикальними тепловіддаючими поверхнями технологічного обладнання багатозональних аераційно-механічних систем вентиляції з конструктивним або струменево-динамічним розділенням по висоті на зони.

Практичне значення результатів дослідження:

- в результаті наукового обгрунтування концепції створення енергозберігаючих технологій формування повітряно-теплових режимів ТЕС розроблені та впроваджені у виробництво багатозональні енергоефективні системи комфортно-технологічної вентиляції головних корпусів та обладнання для їх реалізації. Це дозволяє подачу та видалення здійснювати на різних рівнях котельного відділення аераційно-механічними вентиляційними системами, а дуттьове повітря видаляти з найбільш теплонапружених і забруднених зон біля вертикальних поверхонь котлів та включити у повітряний баланс загальнообмінної вентиляції;

- на базі розроблених математичних моделей створена та впроваджена у практику проектування інститутів “Енергопроект” України та країн СНД досконала інженерна методика та програми розрахунку на ЕОМ багатозональних систем організації повітрообміну в головних корпусах ТЕС з максимально можливим використанням у технологічних процесах теплових втрат від обладнання. При розрахунку оптимізується потокорозподіл для досягнення заданого співвідношення температур по висоті. Це дозволяє прогнозувати повітряно-теплові режими, в яких виключається некероване переохолодження нижніх зон та непродуктивні втрати теплоти у верхній зоні;

- результати досліджень динамічної та теплової взаємодії вітрового потоку з неізотермічними поверхнями дозволили: скорегувати методи розрахунків розсіювання шкідливих речовин у повітряному басейні з врахуванням впливу температурного фактору на теплове забруднення; отримати і впровадити в практику проектування систем вентиляції та вирішення ряду задач будівельної теплофізики фактичне розподілення вітрових тисків по поверхні споруди, а також кількісні і якісні характеристики циркуляційних течій;

- розроблені і впроваджені у виробництво принципово нові конструктивні еле-менти припливних та витяжних устроїв багатозональної системи вентиляції. Це дозволило ефективно реалізувати запропоновану фізичну модель тепломасообміну в головному корпусі при зональному принципі подачі та видалення повітря на різних рівнях і застосуванні комбінованих природно-вимушених течій;

- розроблені і впроваджені у виробництво мобільні повітряно-душуючі агрегати на основі вихрових труб для створення нормованих параметрів повітря на робочих площадках в періоди проведення ремонтних та регламентних робіт. Промислові випробування підтвердили їх високу ефективність при роботі в теплонапружених зонах котлоагрегатів, що дозволило включити даний тип обладнання в основний ремонтний комплект;

- запропоновані енергозберігаючі технології та конструктивні елементи для їх реалізації впроваджено у експлуатацію на багатьох ТЕС України та країн СНД. Досвід багаторічної експлуатації впроваджених систем та обладнання на Березівській ДРЕС-1, Київській ТЕЦ-5, Київській ТЕЦ-6, Зміївській ТЕС, Бурштинській ТЕС підтвердив їх високу ефективність роботи у різні періоди року, надійність окремих вузлів та систем у цілому при перемінних режимах роботи технологічного обладнання; зменшились витрати енергії на власні потреби до 4,5% за рахунок ефективного тепловикористання та раціонального розподілу повітря, значно покращились умови праці на робочих площадках та експлуатація огороджуючих конструкцій у верхній зоні;

- фактичний річний ефект від впровадження енергозберігаючих технологій на ТЕС з загальною потужністю енергоблоків 6450 МВт становить 16125 т.у.п./рік, що складає у грошовому еквіваленті 2 231,01 тис. грн./рік;

- наукова робота має і соціальні наслідки, оскільки призводить до покращення умов праці на робочих місцях і зменшення впливу технологічних процесів на профзахворювання.

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі всі теоретичні результати по обґрунтуванню енергозберігаючих технологій формування повітряно-теплових режимів теплових електростанцій належать особисто автору. Автором запропонована та теоретично досліджена модель руху та теплообміну конвективних потоків між вертикальними тепловіддаючими поверхнями; числовим методом розв’язана задача турбулентної конвекції у вертикальному плоскому каналі; розроблено концепцію організації повітрообміну; способи та схеми вентиляції головного корпусу ТЕС; досліджено зональні системи вентиляції і тепловикористання; запропоновані рішення по подачі повітря на різних рівнях за допомогою транзитного повітророзподільника.

Автор приймав безпосередню участь у натурних дослідженнях температурного режиму у головних корпусах ТЕС та у фізичному і числовому моделюванні повітряно-теплових режимів головних корпусів ТЕС з використанням багатозональної схеми вентиляції. Ідеї співавторів наукових праць в дисертаційній роботі не використовувались.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідались на ІІ (1992 р.), ІІІ (1996 р.) та IV (2000 р.) Мінських міжнародних форумах з тепломасообміну; на міжнародному семінарі “Теплотехніка-98”, К., 1998 р.; на міжнародній науково-практичній конференції “Регіональні проблеми енергозбереження у децентралізованій теплоенергетиці”, К., 2000 р.; конференції ВДНГ (1983 р.); на науково-практичних конференціях КНУБА в 1991-2002 рр.; міжнародному науковому симпозіумі у м. Зелена Гура (Польща) (1989 р.), а також на колегіях і науково-технічних радах Міненерго.

Публікації. Основні результати роботи опубліковано у 41 роботі, в тому числі: одна монографія, 18 статей у фахових виданнях та 10 авторських свідоцтв і патентів. Монографію і 8 статей у фахових виданнях написано одноосібно.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 184 найменувань і 5 додатків. Об’єм основної частини роботи складає 343 сторінки тексту, у тому числі 258 сторінок основного тексту, 77 рисунків і 33 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету, задачі досліджень, викладена її практична та наукова цінність.

Перший розділ присвячено критичному аналізу стану проблеми, обгрунтуванню концептуальних положень по створенню енергозберігаючих технологій формування повітряно-теплових режимів ТЕС, формулюванню задач досліджень.

Основні напрямки вдосконалень ТЕС торкались процесів видобутку теплової та електричної енергії, збільшення щільності розміщення обладнання для зменшення вільного об’єму, а також переходу на сучасні будівельні конструкції головних корпусів з безліхтарним покриттям. Висока ступінь концентрації технологічного обладнання, яке є джерелом інтенсивного виділення теплоти, пари, пилу та газів, створює підвищену теплонапруженість та стисненість умов для руху вентиляційних потоків. При цьому технології створення повітряно-теплових режимів на ТЕС відстають від розвитку об’ємно-планувальних рішень і базуються на наукових розробках, що стосуються традиційних схем організації повітрообміну гарячих цехів інших виробництв, які відрізняються від головних корпусів ТЕС щільністю тепловіддаючого обладнання, його розмірами та висотою. Тому розроблені на основі цих робіт однозонні аераційні системи вентиляції головних корпусів ТЕС та методики їх розрахунку не враховують реальну картину тепломасообмінних і технологічних процесів та не можуть забезпечити економічно виправдані витрати теплоти на власні потреби, а також необхідних санітарно-гігієнічних та технологічних вимог повітряного середовища. Оскільки основне обладнання котельних відділень ТЕС характеризується значною кількістю паралельно розташованих вертикальних тепловіддаючих поверхонь великої висоти, то природньо припустити, що створення енергозберігаючих технологій формування внутрішнього повітряно-теплового режиму ТЕС повинно базуватись на комплексному описі процесів тепло- і масопереносу в умовах термогравітаційної конвекції повітря біля вертикальних поверхонь та у каналах між ними. Проведений аналіз значної кількості літературних джерел з цього питання показує, що дослідження в основному торкались вивчення вільної конвекції повітря на поодиноких вертикальних поверхнях (Я.Б. Зельдович, В. Шмідт, Л. Прандтль, Г.Н. Абрамович, І.А. Шепелєв, С.Ю. Бутаков, В.М. Ельтерман, С.С. Кутателадзе, Р.Г. Еккерт, Г.В. Джексон, А.Г. Кірдликін, А.А. Березовський, О.Г. Мартиненко, А.Ю. Соковишин та інші). З 60-х років 20-го сторіччя почали з’являтись роботи, присвячені вивченню тепломасопереносу в умовах термогравітаційної конвекції у вертикальних плоских каналах з тепловіддаючими поверхнями (Й. Фудзімото, Т.С. Лаубер і А.У. Волч, Е.Я. Кернерман і Д.І. Петровський, Л.Г. Фукс, Г.Н. Дульнев і А.І. Кайданов, Д.М. Фонтана та інші). Прийняті авторами припущення призводять до обмеженості діапазону застосування отриманих результатів Gr108 і не дозволяють використувати їх у інженерній практиці, особливо в умовах великої висоти тепловіддаючих поверхонь і турбулентного руху повітря.

Більш досконалі постановка та розв’язання задачі тепломасообміну при русі повітря між плоскими тепловіддаючими поверхнями наведено В. Юнгом, Л.С. Флетчером і В. Сернасом для граничних умов першого і другого роду. Отримані ними рішення дають непоганий збіг з результатами експериментальних досліджень для повністю розвиненої ламінарної течії, яка рідко зустрічається на практиці, а в умовах головних корпусів ТЕС такий режим взагалі нереальний.

Т. Себесі і П. Бредшоу для числового розв’язання задач тепломасопереносу в турбулентних шарах в умовах термогравітаційної конвекції запропонували при розгляді рівнянь руху і енергії користуватись поняттями турбулентної в’язкості і турбулентного числа Прандтля, які широко застосовуються для дослідження течій без впливу виштовхувальних сил. Але отримані рішення в умовах дії виштовхувальних сил лише якісно співпадають з результатами експериментальних досліджень.

Експериментальним дослідженням турбулентного термогравітаційного потоку у вертикальному плоскому каналі присвячені роботи Ж.В. Елдера, П. Ж. Верньєра, Л. Е. Бера, О.В. Ликова і О.Г. Мартиненка. Однак, проблеми, які виникають при вимірюванні низькошвидкісного потоку і турбулентних пульсацій, обумовлюють неоднорідність і погану повторюваність результатів.

Для окремих ділянок термогравітаційного руху повітря в каналі С. Острахом, І.М. Федоткіним а також автором отримані рівняння для знаходження профілів швидкостей та температур повітряного потоку, а також критеріальні залежності для визначення чисел Нусельта при вільній та вимушеній конвекції.

Але в жодній з присвячених цьому питанню робіт не наведено комплексного завершеного вирішення задачі для всіх ділянок термогравітаційної течії в каналі.

Таким чином, виконаний аналіз наукових джерел показує, що характеристики природних конвективних потоків з вільною течією, які розвиваються на плоских тепловіддаючих вертикальних поверхнях вивчені досить детально. Проте опис термогравітаційної турбулентної конвекції між високими вертикальними тепловіддаючими поверхнями виконаний явно у недостатньому об’ємі, а вплив горизонтального вдування і відсмоктування повітря (повітряно-струменеве перекриття) на закономірності руху і теплообміну природно-конвективного потоку в цих умовах практично не розглядався.

Результати чисельних натурних досліджень, проведених у головних корпусах ТЕС різної компоновки та потужності для різних кліматичних умов (рис. 1, табл. 1)

Таблиця 1

Тепловий режим головних корпусів ТЕС.

Місця вимірів температурних умов | Потужність обстежених енергоблоків

100, 200, 250, 300 МВт | 500, 800 МВт

t в теплий період, оС | t в холодний період, оС | t в теплий період, оС | t в холодний період, оС

Машинне відділення

На відмітці 0,00 м | 1…8 | 4…25 | 1…8 | 15...20

На площадці обслуговування по ряду А |

3…8 |

3,5…29 |

0…8 |

15…18

На площадці обслуговування по ряду Б |

4…12 |

9…32 |

2…10 |

19…25

Середня температура повітря, що видаляється |

9,5…17 |

11,5…34 |

4…8 |

21...22

Котельне відділення

На відмітці 0,00 м | 2…10 | 0,5…32 | 1…9 | 13...19

На площадці обслуговування

перед котлами |

6…13 |

12…35 |

6…14 |

20…26

Те ж між котельним і зовнішнім огородженням |

6…12 |

11…31 |

5…11 |

19…35

На котлі | 23…34 | 32…55 | 20…37 | 48...54

Середня температура повітря, що видаляється |

20,5…27,5 |

30…48 |

19…32 |

43...50

Середня температура повітря, що забирається на дуття |

14…21 |

25…36 |

10…19 |

45…46

свідчать про те, що застосування однозонального природного повітробміну з незначним використанням дуттьових систем призводить до утворення нижніх переохолоджених зон у холодний період і верхніх перегрітих зон. Крім того, не використовуються значні теплові втрати обладнанням (10,5…25 МВт в залежності від потужності енергоблоків) для опалювально-вентиляційних та технологічних цілей. Значні перепади температур по висоті (25…50С) пояснюються великою потужністю термогравітаційних потоків повітря біля високих (h=40-110 м) вертикальних нагрітих поверхонь, які і визначають теплові умови на різних рівнях в котельних відділеннях, а також загальний повітрообмін. На незадовільний стан внутрішнього повітряного середовища і теплові умови також впливає: відсутність можливості керування повітрообміном при перемінних режимах роботи технологічного обладнання та тяго-дуттьових систем; суттєві відмінності фактичних режимів роботи вентиляції від проектних вимог; значно більші, ніж нормовані, тепловтрати від обладнання (до 60%); відсутність енергозберігаючих заходів, при тому, що загальна потрібна теплова потужність теплообмінників установок припливного та дуттьового повітря сягає від 3,5 до 85 МВт на один енергоблок, а необхідні повітрообміни – до кг/год.

Наведені вище положення призвели до того, що витрати енергії на власні потреби у головних корпусах ТЕС становлять 2,77…8,11 % від виробленої, а коефіцієнт корисного використання цієї енергії у середньому не перевищує 0,35…0,4. Існуюча однозональна організація повітрообміну у головних корпусах призводить до нестабільної роботи енергетичного обладнання і не дозволяє досягти необхідних параметрів повітряного середовища по умовам технології та комфорта, а відсутність ефективного тепловикористання погіршує економічні показники та тепловий стан навколишнього середовища.

За результатами аналізу проектних, наукових джерел та даних натурних обстежень на більшості ТЕС України та країн СНД сформульовані концептуальні положення створення енергозберігаючих технологій забезпечення повітряно-теплових режимів ТЕС, які передбачають зональні принципи формування теплових умов і циркуляційних течій по висоті котельних відділень з конструктивним або динамічним горизонтальним перекриттям і подачею та видаленням повітря на різних рівнях.

У другому розділі на основі запропонованої розрахункової фізичної моделі тепломасообмінних процесів у головних корпусах ТЕС визначені основні теоретичні положення турбулентної термогравітаційної конвекції між вертикальними тепловіддаючими поверхнями.

Потокорозподілення та теплообмін у верхній зоні котельного відділення теоретично не розглядається у зв’язку з незначним впливом їх характеристик на формування температурних та швидкісних полів у головному корпусі, а також складними неупорядкованими течіями над котлами.

Дослідження процесів руху та теплообміну природних потоків між вертикальними паралельними тепловіддаючими поверхнями, виконані нами та іншими авторами, приводять до виділення у конвективному потоці трьох характерних ділянок, які розрізняються характером руху, структурою потоку та інтенсивністю теплообміну між середовищем і стінками каналу (рис. 2). В роботі наведена уточнена фізична модель процесів, що мають місце на кожній ділянці.

Перша ділянка, або ділянка незалежних пристінних термогравітаційних потоків, характеризується утворенням і незалежним розвитком двох конвективних потоків біля нагрітих стінок вертикального каналу. Зовнішні границі цих потоків не зливаються одна з одною. На цій ділянці, завдяки неперервному потужному теплообміну із стінками каналу, відбувається зміна профілів швидкості та температури внаслідок підтікання повітряних мас до пристінних конвективних потоків шляхом турбулентного масопереносу з ядра потоку. Інтенсивність зростання швидкості у пристінних конвективних течіях перевищує інтенсивність розмивання їх шляхом турбулентних пульсацій і максимальна швидкість потоку біля стінок зростає. Загальна маса повітря у кожному перерізу каналу по висоті залишається сталою.

У точці, в якій припиняється зростання максимальної швидкості повітря у пристінних потоках, внаслідок зрівняння інтенсивності термогравітаційного і турбулентного переносу, закінчується ділянка незалежних термогравітаційних пристінних потоків і починається друга ділянка – формування потоку. Другій ділянці притаманна деформація профілів швидкості і температури вздовж вертикальної осі Ох. Ця деформація профілів є наслідком того факту, що після закінчення першої ділянки починається перерозподіл між інтенсивністю турбулентних пульсацій і впливу термогравітаційних сил у бік інтенсивності турбулентних пульсацій. В результаті конвективний потік, який має на початку ділянки профіль швидкості та температуру двох незалежних конвективних потоків, у кінці ділянки матиме сформований профіль швидкості, характерний для розвине-

Рис. 2. Модель термогравітаційного потоку у відкритому плоскому вертикальному каналі з тепловіддаючими стінками ()

а) профілі повздовжних складових швидкостей (u); б) профілі температур (Т)

них вимушених турбулентних течій у каналі. З наведеного вище випливає, що на першій та другій ділянках розвиток потоків суттєво відрізняється.

Нарешті третя ділянка, або ділянка стабілізованої течії характеризується сталістю профіля швидкості на ділянці або повною незалежністю характеру профілю швидкості від поздовжньої координати х. При граничних умовах першого роду профіль температур теж не залежатиме від координати х, але при граничних умовах другого роду профіль температур змінюватиметься вздовж поздовжньої координати. У конвективному потоці статичний тиск знижується під час його просування по каналу, вирівнюючись з гідростатичним тиском середовища поза каналом і досягаючи його рівня на виході потоку з каналу.

Такий умовний поділ плоского вертикального каналу на ділянки є справедливим для будь-яких випадків природного турбулентного конвективного руху у вертикальних плоских каналах з нагрітими (у тому числі і асиметрично) стінками при співвідношенні висоти і ширини каналу, достатньому для того, щоб конвективний потік зазнав змін у власній структурі, характерних для опису трьох ділянок.

Пропонуєма загальна постановка задачі про рух і теплообмін термогравітаційного конвективного потоку повітря між вертикальними тепловіддаючими паралельними поверхнями обмежена рядом припущень:

-

-

-

-

-

-

-

Природній термогравітаційний конвективний рух ньютонівського середовища у вертикальному плоскому каналі і його теплообмін зі стінками досить повно описується рівняннями руху Нав’є-Стокса, енергії або конвективного переносу теплоти Фур’є-Кірхгофа та нерозривності, записаними у наближенні теорії примежового шару:

(1)

(2)

(3)

Рівняння (1) відрізняється від аналогічного рівняння, що описує вимушену конвективну течію доданком , який враховує вплив підйомної сили на характер руху потоку у вертикальному каналі.

Застосовуючи феномелогічну теорію Ж. Бусінеска, згідно з якою турбулентні потоки субстанції структурно аналогічні відповідним молекулярним потокам, і запроваджуючи характерні безрозмірні комплекси, перетворюємо вихідну систему диференційних рівнянь руху, енергії та нерозривності до вигляду:

(4)

(5)

(6)

де (7); (8); (9); (10); (11); (12);

(13); (14); (15); (16); (17); (18); (19); (20); (21); (22); (23); (24); або для граничних умов першого або другого роду; u і – складові швидкості конвективного потоку вздовж поздовжньої х та поперечної у координат, м/с; – густина середовища, кг/м3; – коефіцієнт теплового об’ємного розширення середовища, К-1; Ср – питома масова теплоємність середовища при сталому тиску, v – коефіцієнт кінематичної в’язкості, ;, – коефіцієнти турбулентної, відповідно, кінематичної в’язкості та температуропровідності, м2/с; – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м•К); а – коефіцієнт температуропровідності, м2/с; qz – питома кількість тепла (на одиницю довжини стінки каналу), яка сприймається рухомим середовищем за рахунок теплообміну із стінками, Вт/м; – турбулентне дотичне напруження, Па; р – статичний тиск середовища, Па; – масова витрата середовища у поперечному перерізі каналу (на одиницю довжини стінки каналу), кг/с; h – висота каналу у напрямку осі Ох, м; b – поперечний розмір каналу у напрямку осі Оу, м; Pr – число Прандтля; Gr – число Грасгофа.

Для опису профілів швидкості та температури на верхній границі ділянки незалежних пристінних течій використовуються дані експериментальних досліджень (рис.5а). Залежність безрозмірної швидкості u+ від безрозмірної поперечної координати y+ апроксимується виразами вигляду

для

для (25)

Згідно з даними експерименту (рис. 5.а) параметри та , що входять до наведених апроксимаційних залежностей (25), а також співвідношення між та можуть бути знайдені за виразами

,

де – товщина одиничного конвективного потоку, який розвивається біля однієї із стінок каналу, м.

Безрозмірна висота ділянки незалежної течії може розраховуватися за апроксимаційною залежністю:

. (26)

Апроксимаційна залежність для розподілу температури по ширині каналу узагальнюється виразами

для

для (27)

Знайдені профілі швидкості і температури на верхній границі ділянки незалежних пристінних потоків далі використовуються як початкові умови для розв’язання задачі на наступній ділянці формування.

Для потоку на ділянці стабілізованої течії характерною є сталість динамічних показників, що відображає якісну незалежність профілю швидкості конвективного потоку від повздовжньої координати. Таке становище вимагає постійно враховувати під час розв’язання задачі, нарівні з граничними умовами, залежності профілю температури від повздовжньої координати.

За даних умов система диференційних рівнянь примежового шару на ділянці стабілізованої течії має вигляд

(28)

(29)

При вирішенні диференційних рівнянь (28), (29) на ділянці стабілізованої течії розрахунок коефіцієнтів турбулентної кінематичної в’язкості і температуропроводності, виконаний на основі гіпотези Л. Прандтля, з врахуванням довжини шляху перемішування турбулентного потоку, яка визначена по залежності Нікурадзе з поправкою Ван-Дріста:

(30)

Позначивши безрозмірний комплекс

остаточно отримаємо

(31)

Швидкість конвективного потоку одержана у результаті інтегрування залежності для загального напруження тертя (ламінарного + турбулентного)

(32)

та з врахуванням прийнятих припущень

(33)

Середньоінтегральні показники повздовжньої складової швидкості і температури визначаються на основі відомої теореми про середнє. Одержані рівнян-

ня для визначення всіх інших характеристик потоку на цій ділянці.

Характер зміни профілів швидкості і температури вздовж висоти ділянки формування потоку розрахований за допомогою функції деформації fд профілів швидкості та температури за відомими характеристиками потоку на нижній (,) і верхній (,) межах ділянки формування з використанням рівнянь зв’язку

. (34)

, (35)

Значення функції деформації швидкості і температури на границях ділянки формування потоку будуть такими

при (36)

при (37)

Залежність для функції деформації fд визначена у вигляді нелінійного рівняння, яке одержано після спільного вирішення вихідних рівнянь (4)-(6), виконання граничних умов та перегрупування відомих величин

(38)

де С1, С2, С3 – величини, утворені групуванням відомих характеристик потоку на нижній і верхній межах ділянки формування, постійні для прийнятих умов однозначності. Залежність (38) розв’язується відносно відомими числовими методами.

Висота ділянки формування потоку визначається з рівняння (38) по відомому значенню функції деформації на верхній межі ділянки (37):

(39)

Запропоновано алгоритм розрахунку параметрів турбулентного конвективного потоку під час руху на ділянках формування та стабілізованої течії для граничних умов першого і другого роду.

При цьому локальні числа Нуссельта, віднесені до температур стінок каналу, визначаються через використання законів Фур’є і Ньютона, записаних стосовно в’язкого прошарку середовища біля стінок

- для граничних умов першого роду

(40)

- для граничних умов другого роду

(41)

В цілому параметри термогравітаційного потоку між вертикальними тепловіддаючими поверхнями знаходяться в результаті числового розв’язання відповідних залежностей на ЕОМ. Так на основі розподілу швидкості і температури на нижній границі і по висоті ділянки стабілізованої течії, методом числового інтегрування визначають середньо інтегральні значення швидкості , температури , питомої масової витрати і питомої кількості теплоти конвективного потоку.

В результаті розрахунку на ЕОМ на рис. 3 показана динаміка формування профілів температури і швидкості природного термогравітаційного конвективного потоку у каналі між паралельними вертикальними поверхнями, що підтверджує вірність прийнятої моделі розвитку потоку, вихідних передумов і методу рішення.

Рис. 3. Зміна профілів температури і швидкості турбулентного конвективного потоку по висоті вертикальних паралельних поверхонь при асиметричному нагріванні ().

Таким чином, вдалося вперше отримати узагальнюючі розрахункові параметри тепломасопереносу при термогравітаційній турбулентній конвекції між високими вертикальними паралельними нагрітими поверхнями по всій висоті каналу для граничних умов першого та другого роду, тобто вирішити цю задачу у завершеному вигляді. Для числового рішення розроблено алгоритми розрахунків та програми обчислення на ЕОМ.

Третій розділ присвячено фізичному моделюванню процесів тепломасообміну при термогравітаційному конвективному русі повітря між вертикальними нагрітими

поверхнями, а також повітряного і теплового режимів у головних корпусах ТЕС.

Задачею експериментальних досліджень була перевірка основних теоретичних досліджень, приведених у розділі 2, та отримання емпіричних коефіцієнтів для замикання розрахункових рівнянь. Дослідна установка, складалася з двох вертикальних паралельних пластин розміром 1000х2000(h) мм, відстань між якими змінювалась від 5 до 500 мм, а надлишкова температура поверхонь – від 0 до 120оС. Температура поверхні кожної пластини регулювалась фрагментально, що дозволяло проводити експеримент в умовах заданої рівномірності температур по висоті (І-го роду) при симетричному і асиметричному нагріву поверхонь. В результаті проведених експериментів отримано локальні та середні значення швидкостей та температур потоку і побудовано їх профілі по перерізу каналу на різних висотах (рис. 4, 5). Максимальна величина розходження експериментальних та теоретичних даних не перевищує 8%.

Для зниження розшарування температури по висоті на розглянутій експериментальній установці було вивчено вплив горизонтального повітряно-струменевого перекриття на параметри термогравітаційних потоків між нагрітими вертикальними поверхнями. Для цього на поверхнях пластин у каналі встановлювалися горизонтальні повітропроводи рівномірного всмоктування та припливу, висота встановлення яких могла змінюватись. За параметр оптимізації рівня розміщення горизонтального повітряно-струменевого перекриття приймалася поточна безрозмірна надлишкова температура потоку . На відстані 0<х+<х+пер поточна температурах відповідає температурі у первинному конвективному потоці 1, а на відстані х+пер < x+ < h+ – температурі у вторинному конвективному потоці2. Мета пошуку оптимальних значень незалежних змінних — досягнення мінімуму функції оптимізації х.

На основі експериментальних досліджень отримано рівняння регресії для визначення безрозмірних величин температури та витрати видаляємого повітря, відношення витрат припливного та видаляємого повітря та температури вторинного конвективного потоку (табл. 3).

Знаходження мінімуму функції поточної температури здійснювалось за допомогою розробленої програми пошуку на ЕОМ методом сканування з перевіркою отриманих значень навколо точок мінімуму методом координатного спуску. В результаті знайдено висоту розміщення повітряно-струменевого перекриття та його витратні характеристики, що відповідають мінімуму розшарування температур по висоті потоку.

Фізичне моделювання повітряних і теплових режимів здійснювалось на моделях різної компоновки, потужності енергоблоків та для різних кліматичних умов при стаціонарному у часі розвитку процесів тепло- і масообміну. Експериментальні установки включали: модель головного корпусу ТЕС, припливно-витяжні системи механічної вентиляції, електросилову частину та контрольно-вимі-

Таблиця 3

Визначення +в і G+в, повітря, що видаляється, відношення G+пр/ G+в, та середньої температури вторинного конвективного потоку 2

Параметр | Рівняння регресії | Незалежна змінна

Температура повітря, що видаляється | в=-0,1819+1,5902Х1+0,0318Х2 – – 0,9381Х3 +8,9869Х1Х3 (42) | X1 = (b+h)0,2(x+пер)0,1

Витрати повітря, що видаляється | G+в=0,0106309–0,16901Х1 – –0,0013823Х2–0,01638Х3+ +0,67709Х12+0,0112603Х1Х2 + +0,13375Х1Х3+9,795110-4Х2Х3 (43) | X2 = r

X3 = В+в,

де

Відношення витрат повітря | G+пр/ G+в=0,0780–0,4814Х3+ +3,8277Х4+25,926Х3Х4 (44) | X4 = В+пр

Температура вторинного конвективного потоку | 2=-2,39563+31,81512Х5+ +0,07856Х2–0,14045Х3– –0,160067Х4–92,85778Х5 (45) | X5 = (b+h)0,2(х+ - -x+пер)0,1

рювальний комплекс. Геометричні лінійні масштаби моделей коливались для різних ТЕС від 1:50 до 1:25.

При моделюванні за основу приймалась методика ЛІБІ (автор – проф. В.В. Дерюгін), яка обмежує довільний вибір множників перетворення фактично тільки лінійним масштабом Сl, масштабом ступеню чорноти поверхонь С, величини яких вибрані на основі постановки задач досліджень і технічних можливостей у виготовленні і експлуатації моделі.

Масштаби моделювання для перетворення фізичних величин при моделюванні вентиляції у головних корпусах ТЕС та приклади обчислення цих масштабів на ЕОМ наведено у дисертації і додатках. Досліди на моделях проводились при умовах, подібних теплому та холодному періодам року при відсутності вітру.

В процесі досліджень вимірювались температура та швидкість повітря у багатьох точках всередині моделі та зовні, температура та швидкість припливного та видаляємого повітря, а також температура поверхонь технологічного обладнання та огороджуючих конструкцій. На основі даних вимірювань визначались середні температури і швидкості повітря у робочій зоні, та на площадках обслуговування, проводились розрахунки параметрів повітря, що видаляється. Складались повітряно-теплові баланси моделі головного корпусу. В результаті проведених досліджень визначено, що найбільш ефективною є схема зональної вентиляції, яка забезпечує температуру повітря у робочій зоні, що не перевищує нормовані межі, з найменшим розшаруванням температур по висоті.

У якості прикладу на рис. 6 наведено, отриманий за результатами фізичного моделювання, розподіл температур повітря у головному корпусі ТЕС з енергоблоками 800 МВт у холодний період року (text= -180C).

Як бачимо, застосування аераційно-механічної багатозональної системи вентиляції забезпечує підвищення температури повітря у нижній зоні до 10-15 0С та майже відсутність зростання температури повітря по висоті у котельному відділенні, починаючи з рівня розташування робочої площадки на відм. +12,6 м. При цьому значно знижується аеростатичний тиск, що практично виключає інфільтраційно-ексфільтраційні потоки та непродуктивні втрати теплоти у верхній зоні.

При традиційних однозональних аераційних системах вентиляції при цих же зовнішніх умовах температура повітря у нижній зоні в середньому становить не більше 50С, температура у верхній зоні досягає до 400С, а на котлоагрегатах – до 55С. Результати фізичного моделювання головних корпусів ТЕС підтвердили також результати експериментів по оптимізації відносних висот повітряно-струменевого перекриття конвективних потоків біля вертикальних поверхонь котлів, та дозволили знайти оптимальні співвідношення витрат повітря, перетікаючого з машинного відділення та для нижньої, середньої і верхньої зони котельного відділення.

Четвертий розділ роботи присвячений розробці та використанню методики числового моделювання повітряного та теплового режимів у головних корпусах ТЕС, визначенню динамічної та теплової взаємодії вітрових потоків зі спорудами електростанцій і рівня тепловтрат споруди через огороджуючі конструкції.

Числове моделювання виконувалось на основі системи рівнянь нерозривності, турбулентного переносу імпульсу та енергії (система рівнянь Рейнольдса), що доповнюється k- моделлю турбулентності. Розв’язання цієї системи рівнянь здійснювалось методом скінчених різниць шляхом дискретизації в контрольному об’ємі системи диференціальних рівнянь в частинних похідних. Розв’язання скінчено-різницевих рівнянь