АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ВВОДА ДОБАВОЧНОЙ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ В ЦИКЛ ПАРОТУРБИННОЙ ТЭЦ

ANALYSIS OF THE ENERGY EFFICIENCY OF DIFFERENT METHODS OF ADDING MAKE-UP FEED WATER IN THE STEAM TURBINE CYCLE CHPP

Sanzhar Seidakhmetov

master's student, Almaty university of power engineering and telecommunications named after Gumarbek Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

Alexander Genbach

scientific supervisor, Dr. tech. sciences, prof., Almaty University of Energy and Communications named after Gumarbek Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В настоящее время пористые металлы не используются в системах теплоснабжения. Использование пористых материалов в теплообменниках увеличивает интенсивность теплопередачи и делает теплообменники более компактными. Для изучения влияния пористых металлов на интенсивность теплопередачи была разработана экспериментальная установка, состоящая из двух контуров.

В первом контуре горячим теплоносителем является вода, которая течет по узким трубкам внутри пористого металла.

Во втором контуре холодным теплоносителем является фреон.

ABSTRACT

Currently, porous metals are not used in heat supply systems. The use of porous materials in heat exchangers increases the intensity of heat transfer and makes heat exchangers more compact. To study the effect of porous metals on the intensity of heat transfer, an experimental setup consisting of two circuits was developed.

In the first circuit, the hot coolant is water that flows through narrow tubes inside a porous metal.

In the second circuit, the cold coolant is freon.

Ключевые слова: теплоноситель, пористость, теплопроводность.

Keywords: coolant, porosity, thermal conductivity.

Одной из главных задач при производстве современного теплообменного оборудования является достижение повышенной интенсивности теплопередачи. Одним из перспективных путей здесь является использование пористых металлов в теплообменниках.

Теплообменники с пористыми металлами могут быть получены в различных конструктивных решениях. Существуют пластинчатые теплообменники, в которых межпластинчатые каналы для движения теплоносителя заполнены пористыми металлическими вставками с высокой удельной площадью внутренней поверхности каркаса и малыми эквивалентными диаметрами внутренних каналов, обеспечивающими высокую скорость теплообмена рабочей среды. Предлагаемая конструкция значительно увеличивает теплопередачу.

Используются пористо-компактные теплообменники, принцип действия которых основан на интенсификации процессов теплопередачи за счет введения в каналы контура пористого наполнителя из материалов с высокой теплопроводностью. Высокопористый материал с переменной относительной толщиной пористого материала используется для заполнения в одной из наиболее эффективных конструкций таких теплообменников. Поперечное сечение корпуса цилиндрическое, круглое или овальное.

Существуют оригинальные конструкции испарительных элементов, которые предназначены для охлаждения тел в различных областях промышленности. Испарительный элемент выполнен в виде трехслойной стенки, прилегающей к поверхности теплопередачи, с пограничным и средним слоями, имеющими различную пористость.

Пограничные слои выполнены из пористого металла со средней пористостью около 0,5, а средний слой имеет низкую пористость около 0,2-0,25.

Обзор. Объектом исследования является процесс теплопередачи в теплообменниках типа “жидкость–газ” с фазовым переходом теплоносителя и без него.

Теоретической основой для создания теплообменника типа “вода-газ” с фазовым переходом теплоносителя являются исследования И. Попова и других авторов.

В данной работе мы рассмотрим конструкцию теплообменника, в котором используется пористый алюминий. Хладагент (фреон) течет через поры, второй хладагент (охлажденная вода) течет по трубам, которые находятся внутри пористого металла.

Теплообменник представляет собой узел из 19 медных трубок для подачи воды, которые покрыты четырьмя цилиндрическими вставками из пористого алюминия. Всего имеется три теплообменника. В первом теплообменнике пористость вставок составляет 0,4903, во втором теплообменнике пористость вставок составляет 0,4865, а в третьем теплообменнике пористость вставок составляет 0,4739. Внутренняя часть теплообменника с пористыми вставками показана на рис. 1.

Рисунок 1. Вставка из пористого алюминия

Пористые вставки представляют собой цилиндры из пористого алюминия высотой 50 мм и диаметром 49 мм. Каждая вставка имеет 19 отверстий диаметром 6 мм для трубок, по которым движется вода. фреон протекает через поры вставки.

Экспериментальная установка состоит из двух контуров. Первый контур с водой оснащен насосом, бойлером для нагрева воды, а также измерительно-вычислительным комплексом, который позволяет отслеживать изменение температуры воды и контролировать массовый расход с временным разрешением 3 с. Второй контур - это испарительная часть, в которую заливается фреон R404a.

Рисунок 2. Структурная схема фреонового контура установки

1 – Конденсатор; 2 – Термоманометр; 3 – Компрессор; 4 – Испаритель; 5 – Датчик температуры; 6 – Дроссель.

Фреоновый контур (рис. 2) включает датчики для измерения температуры и давления фреона на входе и выходе компрессора.

Эксперименты проводились для каждого из трех доступных теплообменников при постоянном расходе воды. Были измерены температуры воды и фреона на входе и выходе теплообменника. Потребление воды измерялось с помощью контрольного устройства. Чтобы исключить случайные ошибки, для каждого изменения расхода показания изменения температуры снимались 10 раз. В результате был получен массив данных, позволяющий оценить интенсивность теплообмена. Результаты проведенного цикла измерений свидетельствуют о целесообразности использования пористых металлов в теплообменном оборудовании.

Задача состоит в разработке математической модели, позволяющей определять температуру теплоносителя в любом поперечном сечении теплообменника. Стандартные методы расчета теплообменников в этом случае не могут быть применены, так как поверхность внутренних пор неизвестна. Составлена упрощенная математическая модель такого теплообменника, позволяющая получить решение в аналитической форме, удобной для инженерных расчетов. Численные расчеты, основанные на этой модели, были сопоставлены с экспериментальными данными. Экспериментальные и расчетные значения совпадают в пределах погрешности эксперимента.

Методы. Рассмотрим пористый цилиндр (пористую вставку) из алюминия с постоянным коэффициентом теплопроводности λс. алюминий с постоянным коэффициентом теплопроводности λс. Цилиндр хорошо изолирован, поэтому мы предполагаем, что теплообмен с внешней средой через его поверхность отсутствует. Внутри пористого цилиндра имеется несколько медных трубок, по которым течет охлажденная вода с температурой олова на входе (рис. 3).

Рисунок 3. Пористый цилиндр с трубками:

1 – Теплоизоляционный материал; 2 – Пористый металл; 3 - Медная трубка.

Фреон непрерывно подается снизу вверх с постоянным удельным массовым расходом Gc.

Вода из определенного резервуара поступает в трубы сверху вниз (контур противотока) с постоянным удельным массовым расходом Gw, а затем снова возвращается в резервуар. Таким образом, процесс носит циклический характер. Время, в течение которого объем воды, равный внутреннему объему всех труб, проходит через теплообменник, называется временем цикла tc. Расчет проводится для каждого цикла отдельно. Во время цикла вода охлаждается, а на выходе ее температура повышается (определяется расчетным путем). Вода в баке также охлаждается, поэтому в следующем цикле значение tin будет другим. Это также определяется вычислением. Далее все повторяется много раз.

Задача состоит в том, чтобы найти взаимосвязь между t_out и общим временем работы установки и сравнить расчетные данные с экспериментальными.

Площадь внутренней поверхности труб S известна. Объем пара пористой вставки известен. Во время эксперимента измеряют температуру фреона на входе и выходе t(0)=tc 1 и t(h)=tc2, а также удельные массовые расходы фреона и воды (Gc и Gw).

Известны теплоемкости фреонового cpc и водяного c_pw.

Пористость вставок p рассматривается как отношение объема пор к общему объему материала. Пористость считается однородной, поэтому на единичной поверхности, перпендикулярной направлению потока газа, поперечное сечение для прохождения газа равно fliq=p, а поперечное сечение твердой оболочки, участвующей в теплопроводности, равно fc =1-f fliq=1-p. Следует также отметить, что если удельный массовый расход фреона равен Gc, то массовый расход внутри пластины будет равен Gc/p.

Для одномерной задачи охлаждения пористого тела известно уравнение:

                                                                (1)

Где:

При выводе этого уравнения было сделано предположение, что вся теплопередача внутри пористого тела осуществляется за счет теплопроводности через твердую фазу и что температуры твердого вещества и теплоносителя почти одинаковы в любой точке пористой структуры. Если принять это предположение, то уравнение (1) может описать процесс теплопередачи в однородной пористой вставке, то есть без трубок с водой (рис. 3). В этом случае температурное поле можно считать одномерным с учетом теплоизоляции.

При наличии трубок с водой температурное поле становится двумерным, и уравнение (1) не может быть применено.

Предлагается дополнить это уравнение функцией распределенных источников тепла (стоков), которая с некоторой погрешностью описывает процесс теплопередачи от пористого материала через стенки медных труб к воде.

                                                                      (2)

В результате мы получаем следующее уравнение:

где Vpor - объем пористых вставок, α - коэффициент теплопередачи от медной стенки к воде, tw - температура воды при заданном значении x.

Условием уникальности является:

При выводе уравнения (2) тепловым сопротивлением медных стенок пренебрегали.

Решение значительно упрощается, если мы предположим, что tw-t=const. Это предположение вполне приемлемо для небольшой высоты вставки h и при использовании контура противотока. Значение α определяется из уравнений конвективного теплообмена в трубах.

Мы обозначаем:

,

И выражение (3) принимает вид:

                                                                  (5)

Граничная задача (3-4) решается стандартными методами и получается функция изменения температуры пористого металла теплообменника вдоль оси x:

                                                    (6)

Мы дифференцируем полученную температурную функцию по отношению к переменной x:

                                                       (7)

Зная функцию (7), получаем формулу для плотности теплового потока:

                                               (8)

Значение Q(h)-Q(0), где Q - количество тепла, при отсутствии тепловых потерь равно теплу, передаваемому от воды к фреону. Далее мы находим температуру воды на выходе.

Результаты действительны в течение одного полного цикла.

Результаты. Выгодно проводить эксперименты параллельно с выполнением вычислений с использованием описанной методики. Дело в том, что в эксперименте вода перекачивается непрерывно, а время работы условно разделено на циклы в математической модели. С введением этой концепции становится возможным определить количество тепла, которое текущая вода теряет за цикл. Исходя из этого, становится возможным получить зависимость температуры от времени для заданной массы воды, которая прокачивается через теплообменник.

Результаты экспериментов позволили проанализировать степень охлаждения воды в течение различных периодов времени с использованием материала с различным коэффициентом пористости.

Заключение. На основании проведенных экспериментов и расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Полученное уравнение позволяет определить изменение температуры пористого материала и горячей жидкости в любой секции теплообменника.

2. В теплообменнике с пористым металлом интенсивность теплопередачи увеличивается с увеличением коэффициента пористости.

3. На основе лабораторной установки становится возможным создать теплообменник, который можно использовать в системах теплоснабжения.

Список литературы:

1. А.А. Генбач. Нагнетатели и тепловые двигатели. Переходные режимы работы турбомашин ТЭС (нестационарный теплообмен в турбомашинах). Конспект лекций по дисциплине для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. АУЭС, 2016, с.83.
2. Шляхин П.Н. Паровые и газовые турбины. М., «Энергия», 1974, с.224.
3. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 640с.
4. Щегляев А.В. Паровые турбины. - М.: Энергия, 1976. -368 с.
5. Кирсанов И.Н. Конденсационные установки. - М. - Л.: Энергия,1965, с376.
6. Бененсон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины. – М.: Энергоатомиздат, 1986, с.272.
7. С. Рашиди, М. Кашефи, К. Ким, Сами- О. Абиане, Возможности пористых материалов для управления энергопотреблением в теплообменниках – Всесторонний обзор. Прикладная энергетика 243, 206-232 (2019).