Исследование работы воздушно-конденсационных установок паротурбинных ТЭС при неравномерном теплоотводе (стр. 14 )

Рисунок 5.2 Схема ВКУ БУТЭК – 0,5

5.2 Измерение параметров

Следует отметить, что анализ производился при отрицательных температурах окружающего воздуха, что позволяет наиболее полно оценить наличие зон неэффективной работы теплообменной поверхности.

С помощью лазерного пирометра получено поле температуры оребренной поверхности теплообмена со стороны входа охлаждающего воздуха (см. рисунок 5.3-а – 5.3-г.). Были проведены четыре серии испытаний ВКУ при работе их в составе энергокомплекса.

На рисунке 5.4 представлено поле температур оребрённой поверхности, полученное с помощью тепловизора. Низкая температура ребер в нижней части труб – свидетельство неэффективной работы. Следует отметить, что имеет место неравномерное распределение пара по трубам одного ряда. Для оценки эффективности работы трубы необходимо рассматривать поле температуры всей её поверхности. Эффективнее работают трубы, имеющие наиболее высокую температуру на входе и низкую на выходе соответственно. Низкая температура всей поверхности трубы может свидетельствовать о существовании заглушки, либо об уменьшении проходного сечения на входе пара из-за загрязнения.

На графиках отчётливо прослеживается резкое снижение температуры поверхности на высоте около 1 метра. Это свидетельствует о наличии зоны охлаждения конденсата, характеризующейся относительно низкими значениями коэффициента теплопередачи и плотности теплового потока. В данном случае она составляет около 20%.

Таким образом, мы имеем дело с выраженным следствием физического явления, описанного выше. Необходимо принимать конструктивные и схемные решения, предотвращающие этот дефект в работе параллельных каналов в условиях неравномерного теплосъема. Это ещё раз подтверждает актуальность и важность исследования.

Рисунок 5.3 Распределение температур ребер по высоте труб

а) ф=10 часов

б) ф=12 часов

в) ф=14 часов

г) ф=16 часов

Рисунок 5.4 Типовое распределение температур поверхности ВКУ со стороны входа охлаждающего воздуха

5.3 Анализ полученных результатов. Сопоставление экспериментальных и расчётно-теоретических данных

В общем случае в воздушно-конденсационных установках конденсация пара, содержащего примесь неконденсирующихся газов, сопровождается как конвективной теплоотдачей, так и массоотдачей, выделением при этом теплоты фазового перехода. Отданная паром при его конденсации теплота передается через стенку трубок охлаждающей среде - воздуху.

Вследствие того, что по мере конденсации пара скорость паровоздушной смеси уменьшается, а концентрация в ней воздуха растет, локальные значения плотности теплового потока, а соответственно, и плотности поперечного потока массы (конденсирующегося пара) сильно изменяются по пути движения пара (паровоздушной смеси) в трубном пучке конденсатора.

Проведённый промышленный эксперимент на ВКУ компрессорной станции «Чаплыгин» Первомайского управления подтвердил то обстоятельство, что по пути движения пара в трубном пучке образуются две основные зоны, различающиеся между собой условиями теплообмена с паровой стороны:

- зона интенсивной конденсации пара, в которой его температура сохраняется практически неизменной, а локальные значения коэффициента теплопередачи и плотности теплового потока, наибольшие на стороне входа пара в трубный пучок, снижаются по пути движения пара из-за уменьшения коэффициента теплоотдачи с паровой стороны по мере уменьшения скорости пара и повышения концентрации воздуха;

- зона охлаждения конденсата, характеризующаяся относительно низкими локальными значениями коэффициента теплопередачи и плотности теплового потока.

Из плавного изменения температуры поверхности теплообмена следует, что чёткой границы между вышеназванными зонами не существует.

Проведённое исследование работы теплообменного стенда также подтвердило наличие описанных зон. Причём размеры их зависят от паровой нагрузки, температуры и расхода охлаждающего воздуха. Очевидно, что существенное влиятние оказывает и концентрация воздуха, содержащаяся в поступающем паре. Изменение любого из перечисленных факторов вызывает изменение и перераспределение локальных параметров парового потока в трубном пучке.

На рисунке 5.5 представлена зависимость температуры охлаждающего воздуха после прохождения теплообменных труб экспериментальной установки от высоты для случая атмосферного давления конденсирующегося пара и температуры охлаждающего воздуха 15 0С, геометрических характеристик (длина 1,2 м, диаметр 14Ч2 мм), построенная по результатам работы стенда и вычислительной программы.

На большей части трубы расчётные и экспериментальные данные близки. Разница температуры воздуха не превышает 2ч30С при общем нагреве около 300С. В нижней части экспериментальные и расчётные данные расслоились, а затем сблизились. Причина расслоения лежит в трудности учёта влияния неконденсирующихся газов на теплообмен при конденсации в трубе.

Несмотря на расслоение, очень важно, что программа даёт совпадение в точке минимального значения температуры. Именно в этом районе возникают ледяные пробки, ведущие, в конечном счете, к разрушению теплообменных труб при низких наружных температурах.

В этом плане программа хорошо определяет температуру воздуха tmin как потенциальную угрозу льдообразованию, если tmin<00C.

Всё это доказывает состоятельность физической и математической модели воздушно-конденсационной установки, предложенной и . Математическая модель впоследствии была развита и преобразована для случая 4-х труб, и построенная на её основе компьютерная модель подтвердила наличие зон неэффективной работы и их зависимость от режимных параметров.

Рисунок 5.5 Распределение температур охлаждающего воздуха после прохождения рабочего участка

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрен вопрос о состоянии проблемы теплообмена при конденсации пара внутри параллельных каналов в условиях неравномерного теплосъёма по ходу движения охлаждающего воздуха, в частности, в воздушно-конденсационных установках. Обоснована актуальность и практическая значимость исследований в этой области. Разработана собственная программа-модель воздушно-конденсационной установки. С её использованием выявлены зоны недостаточной эффективности работы поверхностного теплообменника, составляющие от 15% до 25% в зависимости от режима работы. Разработана, изготовлена и налажена экспериментальная установка для исследования процесса конденсации пара в параллельных каналах. Проведены экспериментальные исследования процесса конденсации при удельных тепловых нагрузках до 10 кВт/м2, нагревах воздуха до 500С при атмосферном давлении насыщенного пара. Экспериментально определены зоны неэффективной работы модели конденсатора в зависимости от тепловой нагрузки и расхода охлаждающего воздуха. Они составили от 35% до 42% длины труб первых рядов при тепловой нагрузке 4,8 кВт/м2, и от 5% до 27% длины при тепловой нагрузке 7 кВт/м2. Определено условие, при котором все трубы работают эффективно по всей длине. Для этого необходимо, чтобы на выходе из первого ряда труб ВКУ паросодержание x>0, а из второго, третьего и четвёртого – x≥0. Проведено сопоставление экспериментальных и расчётно-теоретических данных, подтвердившее наличие зон неэффективной работы и их зависимость от режимных параметров. Проведены исследования натурной ВКУ на компрессорной станции «Чаплыгин», подтвердившие основные положения физической и математической моделей. Полученные экспериментальные данные и разработанные математическая модель и программа расчёта ВКУ могут быть использованы в конструировании теплообменных аппаратов, основанных на конденсации пара в параллельных каналах, охлаждаемых воздухом.

Приложение 1

Часть текста программы

Часть текста программы для расчёта первой по ходу охлаждающего воздуха трубки:

while (X_vku<>0) and (ts>tv0) do

  begin

  ts:=ts-1; 

  G1:=G10;

  z:=1;

  Re:=1;

  for j:=1 to N do tv[j]:=tv0;

  while (ts>tv0) and (Re>=1) and (G1>0.00001) and (z<=N1) and (X_vku<>0) and (ch<100) do

  begin

  pk:=wspROUGHRSWT(ts); 

  Lk:=wspTHERMCONDSWT(ts); 

  r:=wspRST(ts); 

  pp:=wspROUGHRSST(ts); 

  Dinvisp:=wspDYNVISSST(ts);

  Dinvisk:=wspDYNVISSWT(ts);

  Re:=(G1*4)/(3.14*Dv*Dinvisk);

  dt0:=ts-((ts+tv[z])/2);

  dt:=-1;

  flag:=false;

  while (abs(dt0-dt)>1) or (not flag) do

  begin

  aN1:=(r*pk*pk*9.8*Lk*Lk*Lk)/(4*wspDYNVISSWT(ts)*dt0*dl[z]*z);

  aN:=(4/3)*power(aN1,1/4);

  Ev:=power(Re,0.04);

  Et1:=(wspTHERMCONDSWT( ts-dt0 )/wspTHERMCONDSWT(ts))*(wspTHERMCONDSWT( ts-dt0 )/wspTHERMCONDSWT(ts))*(wspTHERMCONDSWT( ts-dt0 )/wspTHERMCONDSWT(ts));

  Et2:=(wspDYNVISSWT(ts)/wspDYNVISSWT(ts-dt0));

  Et:=power(Et1*Et2,1/8);

  p1:=Dinvisp*Dinvisp*pk/(Dinvisk*Dinvisk*pp);

  p2:=power(((4*G1)/(3.14*dv*Dinvisp)),2);

  p3:=power(((9.8*dv*dv*dv*pk*pk)/(Dinvisk*Dinvisk)),2/3);

  p4:=power(((4*G1)/(4*dl[z]*Dinvisk*3.14)),-0.28);

  p:=p1*p2*p4*Et/p3;

  a:=power(0.005*p+power(0.005*0.005*p*p+1,1/2),1/2);

  a:=a*aN*Et*Ev;

  if vp<>0 then begin e:=power((G10*vp)/G1,-0.04);

  a:=a*0.68*e;  end;

  kx:=(1/KTOv)+(0.0001+(Dn*ln(Dn/Dv)/94)+0.0001+Dn/(Dv*a))*Phi;

  k:=1/kx;//коэф теплопередачи общий

  dt:=ts-tv[z]-k*(ts-tv[z])/KTOv;

  if (abs(dt0-dt)<0.1) then flag:=true else  dt0:=dt;

  end;

  aN1:=(r*pk*pk*9.8*Lk*Lk*Lk)/(4*wspDYNVISSWT(ts)*dt*dl[z]*z);