НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

СТЕПАНОВА Наталія Дмитрівна

УДК 532.529

ГІДРОДИНАМІКА САМОЗАКИПАЮЧИХ ПОТОКІВ

В ДРЕНАЖНИХ КАНАЛАХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ

05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Вінницькому національному технічному університеті (ВНТУ), Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ткаченко Станіслав Йосипович,

завідувач кафедри теплоенергетики

Вінницького національного технічного університету

Міністерства освіти і науки України, м. Вінниця.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Василенко Сергій Михайлович,

завідувач кафедри теплотехніки

Національного університету харчових технологій

Міністерства освіти і науки України, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент

Барабаш Петро Олексійович,

доцент кафедри теоретичної та промислової теплотехніки

Національного технічного університету України

“Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться 13.06.2007 р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 при Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68, ауд. А-311.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій (01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68).

Автореферат розісланий 10.05. 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Філоненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Ефективність роботи теплообмінного та парогенеруючого обладнання підприємства залежить від роботи ліній продувок парогенераторів, систем відведення конденсату від теплообмінників, тобто дренажних каналів теплотехнологічних систем (ДК ТТС), тому їх правильне проектування є важливою задачею. У ДК ТТС реалізуються критичні або докритичні потоки насиченої води з парою або води із температурою близькою до температури насичення. Більшість відомих на даний час досліджень таких потоків проводились на коротких, незначна кількість – на довгих трубопроводах. Досліджень критичних потоків самозакипаючої рідини у складному каналі, яким є будь-яка із технологічних систем, нами не виявлено. Існуючі методики, що можна застосувати для розрахунку таких систем, дають розбіжність у величинах пропускної спроможності в 1,6…5 разів. Основною причиною є недостатньо обґрунтоване врахування складових балансу імпульсу і енергії двофазного потоку у системі складної конфігурації, а саме втрат тиску на тертя по довжині трубопроводу, у місцевих опорах, на прискорення та нівелірної складової в загальному перепаді тиску. Тому дослідження гідродинамічних процесів у дренажних каналах теплотехнологічних систем (ДК ТТС) є актуальним.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає напрямку наукових досліджень кафедри теплоенергетики Вінницького національного технічного університету "Теплообмін та гідродинаміка полікомпонентних поліфазних потоків і середовищ в елементах тепло- і біотехнологічного устаткування". Матеріали дисертаційної роботи є підрозділами держбюджетної теми 82–Д–276 “Зменшення шкідливих викидів в навколишнє середовище в підсистемах енергозабезпечення систем біоконверсії” (№ держ. реєстрації 0105U002425), яка виконується згідно пріоритетного напрямку “Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток” відповідно до закону “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” №2623–ІІІ від 11.07.2001р.

Мета дослідження : підвищення надійності роботи теплотехнологічної системи, її енергетичної та економічної ефективності шляхом розробки методів розрахунку та побудови дренажних каналів.

Для реалізації цієї мети необхідно розв’язати наступні задачі :

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Обєктом дослідження є дренажний канал теплотехнологічної системи.

Предметом дослідження є гідродинамічні процеси самозакипаючого потоку в дренажному каналі теплотехнологічної системи.

Методи дослідження. Для вирішення вказаних вище задач використовувались експериментальні методи дослідження гідродинамічних процесів у двофазному потоці. Дослідження виконувались на спеціально створених експериментальних установках. Коефіцієнти гідравлічного тертя та місцевого опору розраховувались за розробленою методикою обробки експериментальних даних на підставі значень втрат тиску та витрати середовища, які вимірювались під час досліджень. Обробка результатів експериментальних досліджень із отриманням емпіричних залежностей виконувалась методами прикладної статистики. Аналіз існуючих методів розрахунку каналу із реалізацією руху двофазного потоку виконувався за допомогою числового експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів.

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення та реалізація результатів досліджень. Розроблена методика розрахунку докритичних та критичних течій самозакипаючої рідини, яка є основою для розрахунку та проектування ДК ТТС та систем біоконверсії у складі теплотехнологічного обладнання харчової, переробної, хімічної та ін. галузей промисловості. Результати роботи передані для впровадження в процесі створення системи відведення конденсату та підготовки пари для теплотехнологічного споживача (ТОВ “Бета-В”, м. Вінниця), в процесі створення системи відведення конденсату на виробничому підрозділі (ТОВ “Укрхімресурс”, м. Калинівка, Вінницька обл.). В роботі проаналізована система періодичної продувки на Бродецькому цукровому заводі (Вінницька область) та шляхи її модернізації.

Створені фізичні моделі та методики розрахунку використовуються у лабораторних та практичних заняттях для студентів спеціальності 7.090510 – теплоенергетика в рамках дисциплін “Гідродинаміка та тепломасообмін багатокомпонентних середовищ” та “Проектування теплотехнологічних та теплоенергетичних установок”.

Особистий внесок здобувача полягає у :

- розробці математичної моделі теплогідродинамічного розрахунку ДК ТТС;

- створенні експериментального стенду, проведенні лабораторних досліджень та узагальненні результатів гідродинаміки руху двофазного потоку;

- створенні експериментального стенду, проведенні досліджень та узагальненні результатів гідродинаміки руху двофазного потоку в умовах працюючого теплотехнологічного обладнання;

- проведенні числових експериментів на математичних моделях з аналізом отриманих результатів.

Апробація роботи. Основні положення роботи були предметом доповідей та обговорення на ІІІ-й Міжнародній науково-практичній конференції “Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні” (м. Львів, 2005 р.), VIII-ій Міжнародній науковій конференції “Контроль і управління в складних системах”(м. Вінниця, 2005 р.), ХIII-ій Міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика – 2006” (м. Вінниця, 2006 р.), науково-технічних конференціях ВНТУ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 наукових робіт, серед яких 6 у журналах, що входять до відповідного переліку ВАК України та отримано 1 деклараційний патент.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, бібліографії, додатків. Основний матеріал викладено на 161 сторінці машинописного тексту, містить в собі 64 рисунки та 12 таблиць. Бібліографія містить 182 найменування робіт вітчизняних та зарубіжних авторів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, показано значення роботи, результати її впровадження у навчання та промислову практику.

У першому розділі розглянуто круг проблем, що постають під час роботи дренажних каналів, а саме проаналізовано умови роботи систем відведення конденсату від теплотехнологічних споживачів та дренажних каналів парогенераторів. Розглянуті структури та характеристики двофазних потоків, механізми та режими течії у даних системах. Особливу увагу приділено дослідженням руху критичного потоку вздовж довгих трубопроводів.

Виділено параметри, що впливають на витікання рідини з каналів різної форми та методи їх представлення. Розглянуті методи узагальнення та розрахункові залежності для визначення пропускної спроможності дренажної системи. Розглянуті методи та розрахункові залежності для визначення коефіцієнтів гідравлічного тертя та місцевих опорів під час руху двофазного потоку. Проаналізовано критичні параметри двофазного потоку.

Розглянуті та проаналізовані складові рівнянь збереження. Виділено складові, які недостатньо досліджені, а саме втрати тиску на тертя, у місцевих опорах та прискорення під час руху докритичного та критичного двофазного потоку. Розглянуті результати дослідження взаємного впливу місцевих опорів під час руху однофазного потоку, які відповідають вузькому діапазону швидкостей. Для двофазних потоків такі дослідження не виявлені.

Встановлено, що існує два підходи до визначення пропускної спроможності ДК. Перший, найбільш поширений, передбачає застосування у математичній моделі поняття швидкості розповсюдження слабких збурень (Фісенко В.В.). Другий – пов’язує виникнення запирання потоку в умовах, коли його тиск зазнає стрибок, а витрата не збільшується із зменшенням протитиску (Долінський А.А., Накорчевський А.І., Басок Б.І.).

Показано, що недостатня увага до реалізації у системах складної конфігурації потоків, в яких спостерігаються кризові явища, унеможливлює проектування енергоефективних ДК ТТС. Встановлено, що недостатність інформації про гідродинамічні характеристики та процеси у елементах даних систем, не дає змоги побудувати адекватну математичну модель течії. Сформульовані мета та задачі дослідження.

Другий розділ присвячений опису експериментальних установок, методик проведення досліджень і обробки експериментальних даних.

Для дослідження втрат тиску по довжині, у місцевих опорах (діафрагмах), взаємного впливу місцевих опорів створена дослідна установка 1 (рис. 1), в якій в якості місцевого опору обрано діафрагму із діаметром отвору d0 = 8 мм та 5 мм.

У схему установки входять: тарувальні баки 2 із рівнеміром 12, насоси 1, компресор 4, ротаметри 5, змішувач 6, місцеві опори (діафрагми) 10, запірні пристрої 7 та 8, манометри 3 та 9 (рис. 1).

Усі елементи з’єднані між собою системою трубопроводів. З’єднувальні трубопроводи на випробувальній ділянці виконані із труби внутрішнім діаметром d = 15,6 мм. Діафрагма встановлена на відстані 100d від найближчого місцевого опору.

Витрата рідини визначається об’ємним методом за перепадом рівня на рівнемірі 12 у баці 2. Ціна поділки рівнеміра 1 мм. Витрата повітря визначається за допомогою ротаметрів. Тиск водоповітряної суміші вимірюється за допомогою зразкових манометрів та дифманометру з ціною поділки 1 мм.

Експериментальне визначення коефіцієнту гідравлічного тертя виконувалось під час руху води та повітроводяної суміші експериментальною горизонтальною ділянкою довжиною L = 1,95…2,71 м і діаметром d = 15,6 мм.

Під час дослідження взаємного впливу місцевих опорів одна діафрагма 10 замінювалась на дві діафрагми однакового діаметру отвору, які послідовно встановлені на початку і на кінці горизонтальної ділянки трубопроводу довжиною L1 = 0,075 м, L2 = 0,15 м, L3 = 0,45 м, L4 = 0,75 м.

Під час налагоджувальних дослідів проводились: тарування мірних баків 2, усіх манометрів, експериментальне визначення коефіцієнту гідравлічного тертя під час руху води. Дослідження проводились за умови усталеності режиму руху рідини або суміші.

Для запобігання впливу струмини на покази манометрів відбори статичного тиску проводились за 90 діаметрів до діафрагми та за 40 діаметрів після діафрагми.

Обробка експериментальних даних проводилась на основі рівняння збереження енергії. Втрати тиску на тертя визначались як різниця загальних втрат та розрахункових втрат тиску на прискорення , експериментальний коефіцієнт гідравлічного тертя при цьому визначався як

, (1)

де w0 – витратна швидкість двофазного потоку, м/с; , - густина води та повітря, що вибираються за середнім тиском Рср та температурою Тср на ділянці; х = f(Рср) – витратний масовий газовміст.

Втрати тиску у місцевому опорі та групі місцевих опорів визначались як , а експериментальний коефіцієнт місцевого опору при цьому визначався як

. (2)

Очікувані похибки визначення витрат води та повітря під час досліджень не перевищують відповідно 2,3..9,8% та 0,5..10 %, а втрат тиску – 0,3…8,4 %.

Для дослідження втрат тиску у вентилі створена дослідна установка 2 (рис. 2).

Експериментальні дослідження по визначенню втрат напору на кутовому вентилі проводились для однофазного (вода) та двофазного (водоповітряна суміш) потоків. В якості нагнітальних пристроїв були використані відцентровий насос та компресор, для визначення витрати повітря був використаний ротаметр. Умовний прохід вентиля dУ = 0,007 м, площа прохідного перерізу, FВ = 0,385 10-4 м2.

Обробка експериментальних даних проводилась аналогічно дослідженням втрат тиску на діафрагмах.

Для дослідження пропускної спроможності каналу із потоком самозакипаючої рідини створений експериментальний дренажний канал (рис. 3), приєднаний до діючого котлоагрегату СП 30 – 25 – 395.

У експериментальну установку 3 входять нижній колектор котла 1, до якого приєднана лінія періодичної продувки котла, що складається із робочого продувного вентиля 2, пристрою, що обмежує витрату (труба Вентурі з діаметром горловини d0 = 8,5 мм) 3, запасного продувного вентиля 4 і системи трубопроводів, яка виконана із нових безшовних труб (еквівалентна шорсткуватість ke = 0,03 мм).

У цю реально діючу систему між обмежувачем витрати 3 і запасним вентилем 4 приєднано систему трубопроводів із встановленими на ній вентилем 5, манометром 6 і мірною ємністю 7. Мірна ємність 7 обладнана рівнеміром 8, зливним трубопроводом і підживлювальним трубопроводом діаметром 15 мм, який приєднано до водогону. Суміш системою трубопроводів (рис. 3) надходила із нижнього колектора котла 1 у єміність 7 через отвори у вигляді паралелограмів, які виконані на кінцевій трубі діаметром d3=20мм. Загальна площа цих отворів 0,00075 м2.

Система трубопроводів складалась із наступних ділянок: ділянка 1…5 – труба діаметром d1 = 0,032 м і довжиною L1 = 2 м; 5…10 – d2 = 0,015 м і L 2 = 12,8 м; 10…14 – d3 = 0,02 м і L 3 = 1,5 м.

Витрата суміші регулювалася вентилем 5. Тиск суміші перед входом у збірник вимірювався зразковим манометром 6. Для заміру температури води використовувався термометр 9 із ціною поділки 0,1 С.

За результатами вимірювань визначався такий набір параметрів: умовний коефіцієнт опору системи під час руху однофазного потоку (в залежності від ступеню відкриття вентиля 5); масова витрата суміші під час проведення досліду G0 , кг/с (з врахуванням випаровування вологи з вільної поверхні рідини); ентальпія води на виході із колектора h0, Дж/кг (з врахуванням втрат теплоти у навколишнє середовище); тиск суміші на виході із колектора Р0=(23,25…23,85) 105 Па.

Під час обробки результатів експериментальних досліджень застосовувались рівняння теплового та матеріального балансів для мірного баку.

Відносні похибки визначення витрати потоку G0 = 3,2…5,1 %, ентальпії потоку h0 = 8…13,3 %.

У третьому розділі проведений аналіз та узагальнення результатів експериментальних досліджень втрат тиску по довжині трубопроводу, у місцевих опорах та взаємного впливу місцевих опорів під час руху одно- та двофазних потоків.

Під час дослідження втрат тиску на тертя для руху вздовж експериментальної ділянки діаметром d = 15,6 мм двофазного потоку Ptrdf середній тиск потоку складав Рср = 102...151 кПа, приведені швидкості води w0 = 0,29...3,2 м/с і повітря w0 = 0,06...6,65 м/с.

Коефіцієнт гідравлічного тертя dfЕ під час руху вздовж експериментальної ділянки двофазного потоку в діапазоні зміни середнього по довжині ділянки витратного обємного газовмісту ср = = 0…0,2 майже не змінюється і відповідає ke = 0,0225 мм, а в інтервалі ср = 0,2…1 коефіцієнт dfЕ суттєво залежить від витратного об’ємного газовмісту. Крім того у діапазоні ср = 0...0,8 з похибкою 17 % експериментальні дані описуються моделлю змішаної течії Чізхолма та Сазерленда. В роботі оцінено співвідношення коефіцієнту гідравлічного тертя під час руху дво- та однофазного потоку Edf / of = (рис. 4).

Під час дослідження опору діафрагми із d0 = 8 мм (d0 = 5 мм) на однофазному потоці параметри змінювались у межах відповідно: Рср = 97,5...179 (96...194) Па, w0 = 0,66...3,27 (0,26...1,84) м/с. Коефіцієнт опору нестандартної діафрагми однофазному потоку в середньому складав df8мм = 18,2 та of5мм = 126.

Дослідження коефіцієнту опору діафрагми d0 = 8 мм (d0 = 5 мм) під час руху двофазного потоку проводились за наступних параметрів: Рср= 102...152 (111...166) кПа, w0 = 0,33...2,53 (0,24...1,31) м/с, w0 = 0,07...4,02 (0,05...7,21) м/с.

Із порівняння коефіцієнту опору діафрагми під час руху дво- та однофазного середовища витікає, що у діапазоні зміни ср=0…0,2 із точністю до 5 % = df/of 1; у діапазоні ср = 0,2…1 коефіцієнт опору двофазного середовища суттєво залежить від обємного газовмісту. При ср > 0,8 швидкість гомогенної суміші у отворі діафрагми наближається до швидкості розповсюдження слабких збурень adf у суміші, число Маха М 1, і співвідношення у відповідних умовах.

Аналогічні дослідження коефіцієнту опору кутового вентиля двофазному потоку проведені для зміни параметрів в таких діапазонах: тиск суміші 136…239,2 кПа, витрата повітря (0,195…0,513)10-3 м3/с, витрата води (0,179…0,353 )10-3 м3/с.

Аналізуючи співвідношення для кутового вентиля слід відзначити, що в умовах ср 0,5 відношення близьке до одиниці, відхилення не перевищує 15 %.

Експериментальні співвідношення = df/of для діафрагм в діапазоні Рср= = 96…194 кПа, ср= 0,001…0,96 апроксимовані за допомогою пакету програм статистичної обробки даних Statistica 5.0, використовуючи метод Квазі-Ньютона, із коефіцієнтом детермінації 0,969 у вигляді

, (3)

де – критерій Рейнольдса; - критерій Фруда; – критерій Вебера; Reавт = 25000; Frавт = 310; Weавт= 0,117; wsm = w0+w0 – витратна швидкість суміші, м/с; – кінематична в’язкість води, м2/с; – коефіцієнт поверхневого натягу, Пам; g – прискорення земного тяжіння, м/c2.

В діапазоні параметрів Рср = 1,016…1,339 бар, ср = 0…0,951 методом Квазі-Ньютона з коефіцієнтом детермінації R2 = 0,966 отримано оціночну залежність для визначення співвідношення коефіцієнтів гідравлічного тертя для дво- та однофазних потоків

. (4)

Залежності (3) та (4) із похибкою 10...15 % описують експериментальні дані.

Для визначення найбільш адекватної методики визначення втрат тиску на тертя проведено числове дослідження за умов: Р0 = 6105 Па, L = 1 м, d = 0,0299 м, wsm= 1…300 м/с, w0 = 0,5 та 2,5 м/с. В якості визначальних параметрів обрано співвідношення коефіцієнта гідравлічного тертя під час руху двофазної суміші df і коефіцієнта гідравлічного тертя однофазного потоку у автомодельній по числу Re області . Коефіцієнт df віднесений до динамічного напору двофазного потоку, . Проведено оцінку впливу числа Маха (М) на величину даного співвідношення та визначено, що величини df/ при сталому М в залежності від обраного методу розрахунку відрізняються між собою у 0,02…6,5 разів. Під час більш детального аналізу виявлено, що у області М > 0,15 близькі значення співвідношень df/ спостерігаються під час розрахунків за залежностями: Даклера, Боришанського В.М., Фісенка В.В., Колиханова В.Н. та ін. Проведено порівняння приведених розрахункових значень із отриманими нами експериментальними значеннями df/. Встановлено, що експериментальні дані із похибкою до 24 % можна описати будь-якою із чотирьох наведених залежностей.

Залежності запропоновані Фісенком В.В., Колихановим В.Н. та ін ґрунтуються на визначенні швидкості розповсюдження слабких збурень, що є невизначеною величиною для двофазних потоків.

Залежність для визначення коефіцієнту гідравлічного тертя, яка отримана Боришанським В.М. та ін. за допомогою рівняння збереження імпульсів, побудована на основі експериментальних результатів в діапазоні швидкостей пароводяної суміші wsm = 2,8…200 м/с та тиску Р = (5...180)105 Па. Тому виконано її апроксимацію в рамках рівняння збереження енергії (рис. 4), в результаті із коефіцієнтом детермінації R2 = 0,985 отримана оціночна залежність для визначення коефіцієнту гідравлічного тертя під час руху двофазного потоку для умов

. (5)

Отже для визначення співвідношення коефіцієнтів гідравлічного тертя під час руху дво- та однофазного потоку в області Р = (1…5)105 Па справедлива залежність (4), а в області Р = (5...180)105 Па – залежність (5).

Коефіцієнт опору двох послідовно встановлених діафрагм із d0 = 8 мм (5 мм) під час руху на ділянці однофазного потоку досліджувався за наступних параметрів потоку: Рср= 96...187 (106…177) кПа, w = 0,36...2,72 (0,45…1,21) м/с.

Умовний коефіцієнт опору однієї діафрагми у системі із двох послідовно встановлених діафрагм визначався за залежністю . Під час аналізу експериментальних даних виявлено, що практично не залежить від швидкості руху середовища у отворі, рівно як і під час дослідження одиночної діафрагми. Незначний вплив зростання швидкості направлений на зменшення коефіцієнта опору проявлявся під час дослідження взаємного впливу двох послідовно встановлених діафрагм із d0 = 8 мм і відносною відстанню між ними L/d = 30. В даному випадку зменшення опору діафрагми у діапазоні зміни критерію Рейнольдса в отворі Re0 = 7500…62000 спостерігається з 19,2 до 17,5 (на 9 %). Аналогічні тенденції зберігаються і під час дослідження опору діафрагми із d0 = 5 мм, де у діапазоні зміни Re0 = 16000…44500 коефіцієнт опору однієї діафрагми знижується з 133 до 110 (на 17,3 %).

Взаємний вплив двох діафрагм під час руху однофазного потоку оцінювався коефіцієнтом інтерференції

. (6)

Коефіцієнт інтерференції як для діафрагми із d0 = 8 мм так і 5 мм коливається у межах 5,5…-16,2 %, тобто взаємний вплив двох послідовно встановлених діафрагм під час руху вздовж них однофазного потоку незначний і знаходиться у межах точності проведення дослідів.

Дослідження взаємного впливу місцевих опорів під час руху двофазного потоку на діафрагмах із d0 = 8 мм (5 мм) виконувалось за наступних параметрів суміші: Рср = 105…175 (110…176) кПа, w0=0,25…2,36 (0,2…1,11) м/с, w0 = 0,06…7,34 (0,02…7,73) м/с.

Умовний коефіцієнт опору однієї діафрагми у системі із двох послідовно встановлених діафрагм має характер подібний до коефіцієнту опору однієї діафрагми за відповідних умов. Залежність коефіцієнта інтерференції від ср для обох діафрагм мають подібний характер змінюючись у межах 14 % при ср 0,75. Із збільшенням витратного об’ємного газовмісту характер кривих змінюється, особливо це відчутно для діафрагми із d0 = 8 мм. В даному випадку із збільшенням ср коефіцієнт опору однієї діафрагми у системі починає дедалі зменшуватись відносно коефіцієнта одиночної діафрагми. Це зменшення стає більш відчутним із зменшенням відстані між діафрагмами і при L/d = 5 і ср = 0,97 коефіцієнт інтерференції досягає - 34 %.

У четвертому розділі за допомогою числового експерименту проведено аналіз існуючих методик розрахунку, які можна застосувати для моделювання гідродинамічних процесів самозакипаючих потоків у дренажних системах. В ході експерименту досліджувався конденсатопровід від теплообмінника із паровим обігрівом до збірника конденсату і прийняті наступні вихідні дані: Р0 = 1 МПа, Рємк = 0,12 МПа, L = 89 м, = 1,5 , h = 5 м, = 0,04. Виявлено, що методики, які не враховують можливість виникнення критичних течій дають розбіжність у результатах розрахунку пропускної спроможності в 2 – 5 разів, а методики, які розроблені для критичних потоків – у 1,6 – 2,4 рази. Під час аналізу результатів виявлено, що величина недогріву рідини на вході у дренажну систему суттєво впливає на значення її пропускної спроможності.

В результаті аналізу літературної інформації системи із двофазним потоком були розділені на: короткі трубопроводи (L/d < 6…20), довгі трубопроводи (L/d > 6…20). Останні в свою чергу можна розділити на системи, де переважають місцеві опори, і, де місцеві опори складають незначну частку у загальному опорі.

Дренажними каналами, що реалізуються у теплотехнологічних схемах підприємств, є, як правило, довгі трубопроводи, що працюють в області невисокого тиску Р = (4…12)105 Па. Дещо вищі початкові тиски спостерігаються у системах продувок парогенераторів. У більшості ДК ТТС можна спостерігати критичні потоки. Дренажні канали вкрай рідко являють собою прямий трубопровід постійного перерізу, найчастіше це досить складні системи, що містять значну кількість місцевих опорів, які можуть не мати між собою ділянок достатніх для стабілізації потоку.

На рух двофазних течій, в яких можливі кризові явища, у дренажних каналах впливають: термодинамічний стан рідини на початку системи, геометричні характеристики системи, наявність теплообміну із навколишнім середовищем, стисливість двофазного потоку та дисипація енергії у системі.

На наш погляд, ковзання фаз в різній степені проявляється в залежності від геометрії дренажного каналу, витратних і фізичних властивостей складових потоку :

1) в довгих трубах з обмеженою кількістю місцевих опорів виправдовує себе модель із проявом ковзання фаз, з врахуванням стисливості двофазного потоку, дисипації енергії;

2) в дренажних каналах насичених місцевими опорами можливе формування течій близьких до гомогенних; в цьому випадку не встигають по ходу потоку формуватись структури двофазної течії з явним проявом ефекту ковзання фаз;

3) можливий проміжний варіант між першим і другим.

Зважаючи на особливості процесів, що відбуваються під час течії самозакипаючої рідини у дренажному каналі, математичну модель, яка передбачає використання поняття про швидкість adf у двофазному потоці, розділено на блоки, що описують конкретні процеси, а саме: 1) розрахунок гідродинамічних процесів; 2) розрахунок тепломасообмінних процесів; 3) розрахунок параметрів критичної течії. Що стосується математичної моделі потоку, яка не передбачає використання поняття швидкості adf , то вона містить усі наведені вище блоки окрім останнього.

Дренажний канал складної конфігурації (ДКСК) – трубопровід змінного діаметру (перерізу) загальною довжиною L із сумарним умовним коефіцієнтом опору . Для побудови математичної моделі ДКСК розбиваємо на ділянки (b ділянок) зі сталим діаметром (d = const).

Кожна і-та ділянка із b ділянок має в загальному випадку: довжину lі, ni місцевих опорів, кожен з яких характеризується умовним коефіцієнтом місцевого опору М,і,n; рі вертикальних ділянок із них: рі - з підйомним рухом середовища, рі - з опускним рухом середовища; причому рі = рі+ рі.

Оскільки у ДК може починати рух як рідина у стані насичення так і не догріта до стану насичення, то на і-тій ділянці може спостерігатися: на частині ділянки li рух однофазного середовища, на частині li – рух двофазного середовища, причому li = li + li.Тобто і-та ділянка може мати переріз закипання, що може бути розміщений на: горизонтальному відрізку ділянки; вертикальному підйомному, опускному відрізку ділянки.

Ділянка, на якій можливий переріз закипання, характеризується із сторони однофазного середовища: діаметром dm+1; довжиною Lm+1; місцевими опорами із умовними коефіцієнтами of,m+1,j.

Різниця рівнів між початком і кінцем частини ДКСК, вздовж якої рухається однофазне середовище характеризується величиною Zof,i, а вздовж якої рухається двофазний потік – Zdf,і. Величини Zof та Zdf,і визначаються із конструкції ДКСК.

Частина ДКСК, вздовж якої рухається однофазне середовище має довжину , а вздовж якої рухається двофазне середовище – .

Приймаємо перерізи в системі: початковий – 0; закипання – 1; вихідний – 2.

Для аналітичного опису даних елементів ДКСК в якості визначальної координати вибрано довжину l частини (елемента).

Математичний опис теплогідродинамічних процесів у дренажному каналі складається із наступних основних рівнянь

- конфігурація і опір ДКСК

; (7)

; (8)

; (9)

за умов: ; ; ;;

переріз з координатою l :

; (10)

; ; (11)

- рівняння суцільності

; ; (12)

- перепад тиску між початковим перерізом і перерізом закипання

; (13)

- перепад тиску в ДКСК

; (14)

- рівняння балансу енергії для двофазного потоку

(15)

; (16)

- витратний ср , дійсний паровміст, співвідношення = df / of, = df / of

; (17)

; (18)

; (19)

; ; (20)

-

; (21)

; (22)

; (23)

для умов вільної конвекції біля труби

; (24)

для вимушеного омивання труби

; (25)

- швидкість розповсюдження слабких збурень

, (26)

де lГ,j lВ,j – довжини відповідно горизонтального і вертикального відрізків n-ої ділянки, м; - матриця, що характеризує розміщення (координату) відносно початку системи та величини місцевих опорів; – величини умовних коефіцієнтів місцевих опорів на ділянці; G0, Gsm,і, Gі, Gі – витрата води на початку системи та суміші, води і пари у і-тому перерізі системи, кг/с; - осереднена по перерізу дійсна швидкість води і пари, м/с; і, Рі - дійсний об’ємний паровміст та тиск у кінцевому перерізі і-тої ділянки системи; Fі – площа поперечного перерізу і-тої ділянки системи, м2, Па; Н – гомогенна густина суміші, кг/м3; Resm – критерій Рейнольдса суміші; hВ –недогрів води на вході в систему, кДж/кг; Кі – коефіцієнт теплопередачі на і-тій ділянці, Вт/(м2К); t – різниця між температурами рідини та зовнішнім повітрям tн.с., С; h, – ентальпія води відповідна стану насичення при певному тискові, кДж/кг; r – прихована теплота пароутворення, кДж/кг; Т, із – товщина стінки труби та шару ізоляції, м; Т, із – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби та ізоляції, Вт/(мК); 1,і, 2,і – коефіцієнти тепловіддачі від рідини до стінки труби та від стінки труби до навколишнього середовища, Вт/(м2К), 1,і 2,i; ", – коефіцієнт теплопровідності води та повітря Вт/(мК); Rei = w0,idi/ – критерій Рейнольдса, що відповідає швидкості води на і-тій ділянці; , н.с. – кінематична в’язкість води та повітря, м2/с; Prж, Prст – число Прандтля рідини при температурі рідини (у формулі (23) – води, у формулах (24) та (25) – повітря) та при температурі стінки ; t – коефіцієнт температурного розширення повітря, 1/К; t2 – різниця між температурами зовнішньої поверхні стінки та зовнішнім повітрям tн.с., С; h – ентальпія води відповідна стану насичення при тискові на вході в систему, кДж/кг; Р – елементарний приріст тиску, Па; – приріст питомого об’єму, що відповідає приросту Р, м3/кг.

Система рівнянь (7 – 26) доповнена замикаючими співвідношеннями та рівняннями для визначення теплофізичних властивостей води і пари являє собою математичну модель течії самозакипаючої рідини у дренажній системі.

Блок розрахунку гідродинамічних процесів включає в себе рівняння збереження енергії для адіабатного потоку та співвідношення для його замикання. Останні являють собою експериментально отримані у даній роботі залежності для визначення коефіцієнту гідравлічного тертя і коефіцієнту місцевого опору (4), для двофазного потоку. У області високих тисків і високих швидкостей потоку wsm > 8 м/с для оцінки коефіцієнтів гідравлічного тертя доцільніше користуватись залежністю (5).

Нівелірну складову втрат тиску, як і всі інші складові, визначаємо в рамках рівняння збереження енергії.

Крім співвідношень, що визначають втрати тиску на тертя та у місцевих опорах, серед замикаючих співвідношень є залежності для врахування ковзання фаз. Аналіз методик Фауске, Муді, Ткаченка С.Й. та результатів експериментальних дослідів Кеворкова Л.Р. і Фісенка В.В. з співавторами показав, що спосіб визначення ковзання фаз досить суттєво впливає на величину дійсного об’ємного газовмісту, розбіжність між результатами сягає 38 %, проте величина втрат тиску на прискорення при цьому змінюється на 1,5…73 %, загального перепаду тиску в горизонтальній трубі на 0,2…20,2 %, а пропускна спроможність лише на 0,5…4,5 %.

Блок розрахунку параметрів критичної течії включає в себе залежності для визначення термодинамічно рівноважної та термодинамічно нерівноважної швидкості adf . Умови застосування того чи іншого рівняння для визначення швидкості adf визначені під час проведення числового дослідження із порівнянням його результатів із експериментальними даними Кеворкова Л.Р. та ін. і Фісенка В.В. та ін.

Під час аналізу результатів вищенаведеного дослідження встановлено, що під час руху самозакипаючої води вздовж трубопроводів L/d= 3…1500 експериментальні дані краще описуються моделлю, побудованою на визначенні термодинамічно нерівноважної швидкості adf. Теплообмін між фазами відчутний при відносній довжині трубопроводу 1500…3000.

Пропускна спроможність дренажного каналу досліджувалась на експериментальній установці (рис. 3). Основні характеристики досліджуваного каналу: опір, приведений до швидкості в перерізі кінцевої ділянки, = 78,67...329,86; витрата потоку G0 = 0,507…1,384 кг/с. Параметри води на вході у систему відповідають недогріву до температури насичення при > 78,9 – t0 = 2,4…4,8 С, а при < 78,9 – t0 = 3,8…10,5 С.

Величина недогріву рідини до температури насичення на вході у канал визначалась з урахуванням втрат теплоти у навколишнє середовище. Відповідно до недогріву, у системі формується ділянка з однофазним та ділянка з двофазним потоком.

Проведено адаптування математичної моделі теплогідродинамічних процесів в ДКСК до умов експериментальних досліджень на стенді зображеному на рис. 3. Кількість ділянок із сталим діаметром b = 3; кількість вертикальних ділянок kі = 4, із них з підйомним рухом середовища kі = 1, з опускним рухом середовища kі = 3.

Оскільки для кожного окремого досліду місце закипання рідини у системі різне, то інші позначення у математичному описі відповідають загальним.

Виникнення критичних явищ в системі (рис. 3) визначалось двома методами: 1) з використанням поняття про швидкість розповсюдження слабких збурень у двофазному потоці adf ; 2) з умови незмінності масової витрати самозакипаючого потоку із зменшенням протитиску (наявності стрибка тиску).

Проведено ідентифікацію даного дренажного каналу за умов виникнення запирання потоку, коли витрата потоку вже не змінюється із зменшенням тиску в кінці системи Р2 (рис. 5). Для розрахунку даної системи використана запропонована модель, основана на рівняннях збереження із врахуванням геометричних особливостей, дисипації енергії, неадіабатності процесу та недогріву рідини до температури насичення.

Із рис. 5 видно, що канали із невеликим сумарним умовним гідравлічним опором = 78,67…78,9 із точністю 2,5…3,7 % описуються моделлю із застосуванням залежності (4) для визначення величин df та df, системи із великим опором = 115,31…329,86 – із точністю 0,9…5,4 % моделлю із застосуванням залежності (5). Використання залежностей (4) та (5) в інших умовах може призвести до похибки визначення mk 2,5…29 % та 3…15 %.

Проведено моделювання системи з використанням поняття швидкості adf для визначення умов виникнення запирання потоку. В даному випадку була використана наведена вище математична модель із додатковим врахуванням умов протікання процесу (за наявності теплообміну між паровою і рідкою фазами), а система розбивалась на 17 ділянок, що відрізнялись геометричними характеристиками (рис. 5).

Аналіз показав: збільшення кількості ділянок у системі під час моделювання не призводить до кращого опису експериментальних результатів; обидва підходи щодо розрахунку mk (з та без врахування поняття про швидкість adf) дають аналогічні результати. Але введення у модель блоку розрахунку критичних параметрів призводить до її ускладнення через необхідність вибору залежностей для визначення швидкості розповсюдження слабких збурень.

Експериментальні результати авторів Кеворкова Л.Р. та інших і Фісенка В.В. та інших змодельовані також із умови виникнення запирання потоку пов’язане з незмінністю масової витрати самозакипаючого потоку із зменшенням протитиску. Встановлено, що пропускна спроможність даних каналів визначена за допомогою запропонованої нами математичної моделі для наведених умов із похибкою до 11 % відповідає експериментальним результатам (рис. 6).

У п’ятому розділі наведено практичну реалізацію результатів досліджень. На основі описаної у розділі 4 математичної моделі, яка ґрунтується на рівняннях збереження та закономірностях для визначення критичних параметрів каналу (або без них) з врахуванням початкових параметрів потоку, геометричних особливостей системи та умов протікання процесу течії, створена методика розрахунку ДКСК.

Дренажні канали можуть працювати як у критичному, так і у докритичному режимах. Для оцінки роботи запропонованої нами моделі на докритичних потоках самозакипаючої рідини було проведено числовий експеримент. Аналіз результатів показав, що пропускна спроможність конденсатопроводу, визначена за запропонованою моделлю, із точністю до 17 % відповідає розрахунку за рекомендаціями, наведеними для докритичних потоків у книзі А.І. Якадіна.

Проведено аналіз роботи системи періодичної продувки парових котлів. Виявлено, що існуючий у інженерній практиці спосіб періодичної продувки пов’язаний з суттєвим збільшенням витрат енергоресурсів і погіршенням надійності роботи обладнання. Для зменшення втрат котлової води і її теплоти під час періодичних продувок нами пропонується схема із встановленням між робочим і запасним вентилями продувного пристрою визначеного діаметру горловини. Така продувка, яка проводиться на протязі 10 секунд, дає можливість зменшити втрати конденсатів та енергоносіїв і забезпечить надійну і безаварійну експлуатацію котлів.

Розроблена система підготовки пари для теплотехнологічного споживача, в якій за рахунок використання всього отриманого у паровому теплообміннику конденсату у якості охолодника, досягається вирішення декількох проблем: відведення конденсату, ефективне його використання, зняття перегріву пари, спрощення конструкції та зменшення металоємності системи. За рахунок встановлення дросельних шайб у

охолоднику відбувається активне подрібнення частинок конденсату і таким чином активно розвивається площа тепломасообміну між парою і конденсатом. Два фактори – надлишок конденсату і створення умов для