Главная | страница 1 II Всероссийский конкурс молодых специалистов инжинирингового профиля в области энергетики Тепломеханическое, природоохранное и воднохимическое направления и связанные с ними процессы
Г.Москва
2007 Общая характеристика работыАктуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воды в аппаратах контактного типа, в основном в испарительных градирнях. Распространенное применение градирен в энергетике и в крупных системах кондиционирования воздуха объясняется эффективным использованием принципа испарительного охлаждения при непосредственном контакте теплоносителей. В схемах тепловых и атомных электростанций современные градирни являются дорогостоящими и ответственными элементами, определяющими в существенной мере показатели эффективности энергетических установок в целом. На практике для упрощения расчетов тепломассообмена в градирне до сих пор используются концепции, базирующиеся на модели Меркеля. Хотя в историческом плане соответствующие расчетные методики претерпели заметную эволюцию (Л.Д.Берман, Д.В. Сезерланд, Д.Е. Браун), однако до сих пор нет достаточно полной современной физической и математической модели тепломассообмена при испарительном охлаждении в градирне, реализованной в форме компьютерной модели, как удобного инструмента для проектировщиков и эксплуатационников. Рассматриваемая проблема принадлежит к классу задач двухфазного тепломассообмена в многокомпонентных средах. Испарение (или конденсация) происходит в присутствии инертных газов. Парогазовый поток может содержать дисперсную конденсированную фазу. Расходы и энтальпии теплоносителей, их температуры, а также концентрации компонентов паровоздушной смеси должны определяться как распределения по высоте насадки. Плотность теплового потока на границе раздела и скорость испарения (или конденсации) должны рассчитываться как локальные характеристики в зависимости от геометрии каналов, локальной скорости парогазовой смеси, значений температуры в ядре потока и на поверхности раздела фаз, концентраций компонентов парогазовой смеси в ядре потока и на поверхности раздела фаз. Необходимо учитывать, что градирни функционируют при значительных вариациях температуры и влажности атмосферного воздуха вследствие погодных и сезонных изменений, а также климатических различий. Важной задачей при разработке расчетной модели является контроль изменения состояния парогазовой смеси при движении вдоль насадки, определение того, в какой форме – паровой, капельной (или, возможно, льда при низких температурах) находится влага. Диагностика состояний существенна как для точности расчета интенсивности тепломассообмена, так и в экологическом аспекте. Экологические проблемы наглядно проявляются в образовании облаков над градирнями, в возможном увеличении приземной концентрации влаги, в возникающем иногда искусственном гололеде вблизи станций. Движение воздуха в градирнях тепловых станций обеспечивается естественной тягой, величина которой зависит от состояния влажного воздуха на выходе из насадки и не может быть рассчитана независимо от процессов тепломассообмена, интенсивность которых в свою очередь определяется скоростью циркуляции. Таким образом, расход воздуха через градирню является важным внутренним параметром задачи и должен быть определен посредством специальной вычислительной процедуры. Компьютерная модели разрабатывалась, в первую очередь, как инструмент исследования сложных процессов двухфазного тепломассообмена. Учитывая комплексный характер и сложность проблемы, а также ее практическую значимость, следует признать разработку физической и математической модели контактных теплообменников, в том числе испарительных градирен, актуальной задачей. Для исследования процессов тепло- и массообмена при испарении (конденсации) парогазовой смеси использован метод математического моделирования, решение получается численными методами, результаты сопоставлены с экспериментом. Научная новизна.
Достоверность результатов исследования обусловлена корректностью и современным уровнем физической и математической постановки задачи, тестированием вычислительной программы и верификацией компьютерной модели посредством сопоставления расчетных результатов с экспериментальными данными, полученными в результате энергетического обследования градирен №3 и №4 ТЭЦ-8 г. Москва. Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана математическая и компьютерная модель контактного тепломассообмена, позволяющая исследовать режимы работы градирни методом численного эксперимента в широком диапазоне параметров, рассчитывать локальные (по высоте насадки) характеристики потоков воды и паровоздушной смеси, проводить оптимизацию режимных и конструктивных параметров. Выявлены факторы, влияющие на эффективность испарительного охлаждения циркуляционной воды. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни. Разработанное программное обеспечение может быть рекомендовано для проведения расчетов при проектировании и модернизации градирен, а также с целью диагностики их функционирования. ВведениеВ устройствах испарительного охлаждения, таких как градирни, тепломассообмен в парогазовой среде является основным процессом, лимитирующим эффективность этих установок. Эта область прикладного тепломассообмена особенно актуальна в связи с тем, что системы охлаждения конденсатора с градирнями определяют в значительной мере располагаемую мощность и КПД тепловых электрических станций. Расчетная модель испарительной градирни впервые была предложена Меркелем (F.Merkel, 1925г.). Ввиду сложности процессов испарительного охлаждения Меркелем были приняты некоторые допущения и упрощения:
Анализ публикаций показал, что модель Меркеля является основой для большинства современных методик расчета градирен. Несмотря на то, что работа Меркеля базируется на ряде существенных допущений, она долгое время использовалась и используется в настоящее время проектными организациями для расчета, благодаря относительно простой методике расчета. Лабораторные аэротермические исследования проводятся различными организациями на различных установках и по отличающимся друг от друга методикам. Вследствие этого полученные результаты являются неоднозначными. Поскольку при лабораторном исследовании практически невозможно строго удовлетворить одновременно всем требованиям теории подобия, то выделяют ограниченный набор наиболее важных параметров. Натурное исследование градирен дает более надежные результаты для конкретной установки, поскольку многочисленные актуальные параметры изменяются одновременно. Однако результаты экспериментов трудно обобщить и интерпретировать и сложно определить степень влияния конкретного параметра на охлаждающуюся способность градирни. Для ряда типовых проектов градирен составлены индивидуальные графики, которые являются технологическим паспортом градирни, с помощью которого определяется температура охлажденной воды. Расчет градирен по графикам может производиться только для тех типов и конструкций, для которых эти графики составлены. При реконструкции градирен с заменой насадок к графику охлажденной воды должны быть введены поправочные коэффициенты. Принимая во внимание последнее замечание, составленные графики не могут быть использованы для проектирования новых типов градирен и для их реконструкции. Анализ существующих подходов к моделированию процессов тепломассообмена и гидравлики в градирне показал, что разработка математической и компьютерной модели градирни является актуальной задачей. Дифференциальная модель испарительного охлаждения в градирнях.Исходными параметрами для математической модели являются:
В результате вычислений на компьютерной модели определяются:
Схема потоков теплоносителей и взаимодействия между ними показана на Рис. 1. Охлаждаемая вода (f) стекает по элементам насадки вниз в виде тонкой пленки. Температура поверхности раздела фаз принимается равной среднемассовой температуре воды tf, т.е. предполагается, что термическое сопротивление пленки мало, а скорость переноса контролируется процессами в газовой фазе, т.е. в парогазовом потоке с высоким содержанием инертного газа. Величины с тремя индексами (v, g, d) относятся к подсистеме «пар – воздух – дисперсная влага». Предполагается, что дисперсная жидкая фаза (индекс «d») образуется в результате возможного пересыщения паровоздушной смеси. ![]() Рис. 1. Потоки теплоносителей в насадке и их взаимодействие; G (in – на входе, out – на выходе), кг/(м2с); f – жидкая фаза, вода из конденсатора, g – сухой воздух, v – водяной пар в паровоздушной смеси, d – дисперсная жидкая фаза в паровоздушной смеси; gVol – объемная скорость испарения, кг/(м3с). В основе математической модели лежат формулировки законов сохранения массы и энергии для потоков теплоносителей, т.е. для паровоздушной смеси с включением дисперсной влаги и для охлаждаемой воды. Законы сохранения для расхода и потока энтальпии в дифференциальной форме:
Расходы (массовые скорости) Gf, Gg считаются величинами со знаком (Gf – отрицательная величина на Рис. 1). Потоки энтальпии определяются потоками массы и температурами компонентов, причем достаточную точность для определения удельной энтальпии компонентов обеспечивают приближенные аппроксимации:
После подстановок получаем следующие зависимости для расчета потоков энтальпии через температуры и расходы:
Изменение параметров потоков по высоте насадки происходит в результате процессов тепломассообмена между парогазовой средой и жидкой фазой (Рис. 2): ![]() Рис. 2. Схема процессов тепломассообмена в насадке; gVol – объемная скорость испарения, кг/(м3с), qVol – объемная плотность теплового потока, Вт/м3, tf – температура потока жидкости, 0С, tv – температура парогазовой смеси, 0С. Учитывается, что поток энтальпии через поверхность раздела фаз имеет две составляющие, а именно: тепловой поток, пропорциональный температурному напору «поверхность раздела – парогазовая смесь», и поток энтальпии, связанный с фазовым превращением на поверхности раздела. Величина последнего пропорциональна скорости испарения, определяемой разностью концентраций пара непосредственно у поверхности раздела и в основном потоке влажного воздуха. Таким образом, полный поток энтальпии через поверхность раздела Q, Вт/м3:
где qVol – объемная плотность теплового потока, Вт/м3; r0 – теплота парообразования, Дж/(кг); cp,v – изобарная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг0С); gVol – объемная скорость испарения, кг/(м3с). Объемная плотность теплового потока, пропорциональная разности температур, и скорость испарения, пропорциональная разности концентрация, определялись по методике, представленной в []. Уравнения сохранения массы (0) и энергии (0) для контактирующих потоков совместно с уравнениями тепломассообмена между фазами (0) приводят к формулировке с четырьмя дифференциальными уравнениями - для массовых расходов и потоков энтальпии обеих взаимодействующих сред:
Граничные условия для системы уравнений (0) записываются следующим образом:
Система дифференциальных уравнений (0) при необходимости может быть легко модифицирована для других схем контактных аппаратов, например, когда возможен тепломассообмен не только между фазами, но и с окружающей средой. Дифференциальные уравнения (0) описывают соответственно:
Интегрирование системы дифференциальных уравнений (0) составляет ядро вычислительной программы. Для противоточной схемы, как в градирне с естественной тягой, когда вода орошает насадку сверху, а парогазовая смесь поступает в нижнюю часть аппарата, условия на входе для воды ставятся в верхнем сечении насадки, а условия для потока воздуха – в нижнем сечении. Поэтому интегрирование системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений организуется как решение краевой двухточечной задачи. На каждом шаге интегрирования специальная вычислительная процедура осуществляет расчет температуры по значениям энтальпии, что является нетривиальной задачей для многокомпонентной двухфазной системы. В компьютерной модели предусмотрен специальный алгоритм для диагностики состояния двухфазной двухкомпонентной среды. Учитывается возможность образования дисперсной жидкой фазы (тумана, капельной влаги) в результате пересыщения паровоздушной смеси. Расход воздуха через градирню с естественной тягой определяется в оптимизационной вычислительной процедуре из условия равенства гидравлического сопротивления и гидростатического напора, возникающего благодаря разности плотностей теплого влажного воздуха в башне vg,top и холодного воздуха снаружи vg,down:
где dpin – потери давления на входе воздуха в градирню, Па; dpout – потери давления на выходе воздуха из градирни, Па; dppack – потери давления в насадке, Па. Реализация представленной адекватной математической модели градирни потребовала применения эффективных вычислительных средств и была осуществлена в математическом пакете Matlab. Графический интерфейс и локальная база данных спроектированы в программной среде MS Visual Basic (Рис. 3).
Рис. 4. Просмотр и редактирование режимных параметров Как показано на экранной копии рис.4, для расчета вводятся следующие режимные параметры:
![]() Рис. 5. Просмотр и редактирование геометрических параметров Вводятся следующие геометрические параметры установки (рис.5):
Результаты расчетов по компьютерной модели сопоставлялись с данными инструментального энергетического обследования градирен №3 и №4 ТЭЦ-8. Результаты расчета по компьютерной программе для градирни №3 представлены на Рис. 6.
Шесть графиков (Рис. 6) демонстрируют, как изменяются по высоте контактной насадки следующие характеристики:
Согласно расчетам по компьютерной модели: – температура воды на выходе из градирни составляет tf=32,70C, – расход воздуха через градирню Gg=1,44кг/(м2с). Согласно эксперименту: – температура воды на выходе из градирни = 33,40, – расчетная температура воды = 32,10С. Таким образом, из сопоставления расчетных параметров, полученных с использованием разработанной математической модели, с результатами испытаний можно сделать вывод о достоверности разработанной компьютерной модели градирни. Сформулированная математическая модель может быть распространена и на более общие схемы контактных аппаратов, например, когда возможен тепломассообмен не только между фазами, но и с окружающей средой. Численные экспериментыЦелью численных экспериментов было выявить особенности режимов охлаждения циркуляционной воды в градирне, связанных со спецификой тепломассообмена в двухфазных двухкомпонентных средах. В серии расчетов вариациям подвергались температуры теплоносителей, расход охлаждаемой воды, высота насадки, толщина зазора между листами. Парадоксальный режим, при сопоставлении с обычными теплообменниками, имеет место при одинаковых температурах теплоносителей на входе (Рис. 7). Как видно на графиках, по всей высоте насадки имеет место процесс испарения, благодаря которому температура воды убывает, несмотря на одинаковость исходных температур на входе. Примечательным является немонотонный характер изменения температуры паровоздушной смеси: в нижней части насадки воздух охлаждается, в верхней – нагревается (график 2, Рис. 7). Пересечение температурных кривых теплоносителей для обычных теплообменников было бы невозможно. Разрешение видимого парадокса состоит в том, что имеются две движущие термодинамические силы: разность температур и разность концентраций.
Как свидетельствует кривая скорости испарения (график 4, Рис. 7), по всей высоте насадки сохраняется концентрационная движущая сила одного знака, обеспечивающая диффузионный поток от поверхности раздела в парогазовую смесь. Испарение имеет место локально и там, где температуры теплоносителей сравниваются. Полный поток энтальпии Q на границе раздела изменяется монотонно (график 6, Рис. 7), оставаясь направленным от воды в газовую среду. Аналогично изменяется тепловой поток в жидкой фазе вблизи поверхности раздела. Тепловой поток в парогазовой среде изменяет знак, в соответствии с изменением знака температурного напора «вода–газ». Если при фиксированных параметрах охлаждающего воздуха на входе уменьшать расход воды, то возникают описанные выше режимы с немонотонным изменением температуры паровоздушной среды. Паровоздушный поток покидает теплообменник практически с той же температурой, с которой поступает на входе, однако с заметно увеличившимся содержанием пара (Рис. 8, а). При этом, вследствие эффекта испарения, температура воды значительно уменьшается. Неблагоприятной особенностью данного режима является протяженная зона адиабатического испарения, как видно из графика распределения температур по высоте насадки (Рис. 8, б).
а) б)
Рис. 8. Локальные характеристики охлаждения при малом расходе воды а) изменение температуры воды tf, 0С, и паровоздушной смеси tv, 0С по высоте насадки; б) изменение степени насыщения SatCoef по высоте насадки. Численные эксперименты показывают, что эффективное испарение может быть обеспечено и при высокой влажности поступающего охлаждающего воздуха (Рис.9). Насыщенный влажный воздух с капельной влагой (туман) при прохождении через насадку «подсушивается». Разумеется, речь идет об уменьшении относительного влагосодержания, поскольку происходит испарение воды в паровоздушную смесь, благодаря высокой концентрации пара непосредственно у поверхности раздела фаз. ![]() Рис. 9. Испарительное охлаждение воды насыщенным влажным воздухом с капельной влагой Дополнительная иллюстрация возможной неэффективной работы насадки с завышенным значением протяженности иллюстрируется на Рис.10.
Рис. 10. Неравномерность распределения интенсивности охлаждения для насадок большой протяженности Характерным показателем работы градирни является температура охлаждаемой воды на выходе из насадки tf,out. Компьютерная модель была применена для поиска оптимальных высоты насадки (Рис.11) и толщины зазора между листами (Рис. 12) при фиксированных остальных параметрах воздуха и воды.
Как видно из Рис.11 для принятых условий наиболее глубокое охлаждение воды достигается при высоте насадки примерно 2,5 метра. Увеличение высоты насадки, так же как и ее уменьшение, ведет к повышению температуры воды на выходе из градирни. Естественное на первый взгляд стремление увеличить высоту насадки и, следовательно, контактную поверхность с целью увеличить степень охлаждения воды может привести к противоположному результату – уменьшению степени охлаждения, то есть к ухудшению работы градирни. Анализ правой части графика 1, Рис.11 показывает, что увеличение высоты слоя контактной насадки приводит к относительному росту гидравлического сопротивления, следовательно, к снижению расхода и скорости охлаждающего воздуха и соответствующему уменьшению интенсивности тепломассообмена в насадке. Этот важный результат имеет существенное значение при проектировании и модернизации градирен с естественной тягой.
Численный эксперимент по исследованию толщины зазора между листами (Рис. 12) показывает, что для принятых условий наиболее глубокое охлаждение воды достигается при ширине канала 11,5 мм. Нахождение оптимальных значений параметров насадки в условиях естественной тяги является важным результатом численных экспериментов. Заключение В работе получены следующие основные результаты:
Список литературы
Смотрите также: Конкурс молодых специалистов инжинирингового профиля в области энергетики
219.01kb.
1 стр.
Доклад "Сотрудничество в области энергетики" 1 Докладчик: г-н Али Алирзаев (Азербайджан)
300.99kb.
1 стр.
Конкурс «наука и образование против террора»
64.67kb.
1 стр.
Конкурсе молодых переводчиков «Sensum de Sensu» 2010 год «Non verbum de verbo, sed sensum de sensu exprimere»
96.75kb.
1 стр.
Avia ru, 14. 11. 2011 ОАО «умпо» соберет молодых специалистов авиационных предприятий страны на конференции В ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение»
17.06kb.
1 стр.
Конкурс проводится на базе ноу «цпк» ОАО
309.42kb.
1 стр.
XiX научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 50-летию первого полета человека в космос
68.36kb.
1 стр.
Конкурс «Через прошлое к будущему»
120.79kb.
1 стр.
Конкурс научных работ молодых ученых
91.2kb.
1 стр.
Положение о программе «Первичное повышение квалификации молодых специалистов педагогов-психологов»
154.47kb.
1 стр.
Конкурс молодых модельеров и дизайнеров одежды «Донские зори 2011»
40.81kb.
1 стр.
Председатель оргкомитета еэфм 86.6kb.
1 стр.
|