Исследование работы воздушно-конденсационных установок паротурбинных ТЭС при неравномерном теплоотводе (стр. 8 )

Это противоречие разрешается по разному в зависимости от наличия или отсутствия в паре неконденсирующихся газов. В общем случае в первую трубу идет меньше пара, чем это определяется уравнением

                               (1.53)

где – расход пара и теплота фазового перехода (перегревом и переохлаждением пренебрегаем);

- коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена трубы длиной l.

Рисунок 1.3 Распределение температуры охлаждающей среды

Если далее предположить, что в зоне конденсации коэффициент теплопередачи слабо зависит от скорости пара, то очевидно, что пар, поступивший в первую трубу, сконденсируется лишь на части поверхности, т. е. поверхность конденсации для расхода будет меньше . Иными словами расход сконденсируется на длине .

Рисунок 1.4 Качественная картина распределения потоков пара а) – чистый пар б) – с примесями неконденсирующихся газов

В идеальном случае для пара без примесей неконденсирующихся газов нижнюю часть первых труб должен заполнить пар, поступивший из последующих по ходу охлаждающей среды труб (см. рисунок 1.4. а).

При наличии неконденсирующихся газов, что характерно для вакуумных конденсаторов, эти газы накапливаются в нижней части первых труб, существенно снижая эффективность конденсации. Следствием будет менее эффективное использование поверхности теплообменника и заметное переохлаждение конденсата на выходе из первых труб (см. рисунок 1.4. б), а также опасность замерзания конденсата при отрицательных значениях температуры охлаждающего воздуха.

Выводы. Постановка задачи исследования

В настоящем обзоре обобщены теоретические и экспериментальные данные о конденсации водяного пара, работе воздушно-конденсационных установок. На основе анализа опубликованных работ сделан вывод об отсутствии достоверных данных по процессу теплообмена при конденсации пара внутри труб, особенно при числах Рейнольдса порядка 103 и ниже, о том, что не изучен механизм передачи тепла при конденсации в ряде параллельных труб.

С учётом вышесказанного, были поставлены следующие задачи:

Анализ механизма передачи тепла при конденсации в ряде последовательно расположенных труб охлаждаемым потоком воздуха. Создание численной модели воздушно-конденсационной установки. Проведение компьютерного исследования процесса конденсации пара в параллельных каналах воздушно-конденсационной установки. Экспериментальная верификация результатов моделирования. Сравнение полученных данных компьютерного моделирования и экспериментального исследования с экспериментальными данными по действующим воздушно-конденсационным установкам. Разработка методики определения неэффективных зон работы ВКУ и выдача рекомендации по совершенствованию этих аппаратов.

Глава 2 Расчетно-теоретический анализ процесса конденсации в параллельных каналах

2.1 Физическая модель

В [39] рассматриваются физическая модель процесса для случая конденсации пара в параллельных каналах, дана математическая модель для 2-х каналов, выполнен расчет, показывающий, что до 30% поверхности не участвуют в теплообмене.

Таким образом, расчётно-теоретически подтверждено наличие неравномерного распределения потоков пара по теплообменным трубам и конденсация его лишь на части поверхности. Следствием будет менее эффективное использование поверхности теплообменника и заметное переохлаждение конденсата на выходе из первых труб, а также опасность замерзания конденсата при отрицательных значениях температуры охлаждающего воздуха.

На практике более актуально решение задачи для четырёх и более параллельных каналов. Для её решения была разработана виртуальная модель воздушно-конденсационной установки (математическая модель). В её основе лежит описанная выше физическая модель, рассматривающая случай теплообмена в четырёх параллельных каналах, равномерно обтекаемых охлаждающей средой.

2.2 Математическая модель

2.2.1 Краткий обзор основных программных комплексов для расчёта теплофизических процессов

В последнее время довольно широкое распространение получили программные комплексы для расчета теплофизических процессов как иностранных, так и российских фирм. Наиболее популярны среди них:

ANSYS – моделирование задач прочностного анализа, аэроупругости, гидродинамики. ANSYS, INC, USA. ANES – моделирование двух - и трехмерных стационарных и нестационарных течений многокомпонентного однофазного теплоносителя в областях сложной геометрической формы. МЭИ (ТУ). Россия. FlowVision – моделирование стационарных и нестационарных течений жидкости и газа. Россия.

Вышеназванные программы имеют относительно эргономичный интерфейс, привлекательный внешний вид, предлагают ознакомиться с физическими параметрами среды во многих её точках. Негативной стороной их использования являются: высокая ресурсозависимость (как следствие – высокое время расчёта), требование специальных навыков и знаний для работы с ними, стоимость приобретения продукта.

2.2.2 Описание математической модели конденсации пара в аппаратах воздушного охлаждения

Была разработана собственная программа моделирования процесса конденсации пара в аппаратах воздушного охлаждения. Её разработка строилась на принципах, подобным вышеназванным программам: выбор модели и частоты разбиения участков. Кроме того, она имеет достаточно информативный интерфейс, позволяет работать на ней (в отличии от ANSYS, ANES, FlowVision) человеку, не имеющему специальных знаний в области компьютерного моделирования или программирования.

В основе программы лежит модель конденсации в параллельных каналах, предложенная , [39].

Предлагаемая программа расчёта рассматривает случай теплообмена при конденсации в четырёх параллельных каналах, расположенных в последовательном порядке (рисунок 2.1), равномерно обтекаемых охлаждающей средой с учётом следующих допущений:

- давление пара на входе одинаково для всех каналов;

- давление пара на выходе одинаково для всех;

- плотность теплового потока на заданной высоте канала y определяется местным коэффициентом теплопередачи и разностью температур между паром и охлаждающим воздухом на этой высоте

                                         (2.1)

- зависимостью температуры насыщения от потерь давления по длине каналов пренебрегаем;

- во всех каналах происходит полная конденсация пара;

- задача теплообмена со стороны охлаждающего воздуха решается отдельно и не зависит от параметров конденсации внутри труб.

Рисунок 2.1 Компоновка трубного пучка, рассматриваемого в модели

Теперь запишем традиционное уравнение для расчета процесса.

Количество пара, сконденсированного на высоте y

                               (2.2)

где r – теплота фазового перехода.

Теплообмен при конденсации водяного пара в ВКУ удовлетворительно описывается формулой - [14, 19]. Однако она справедлива для Re>103, что находится за пределами рассматриваемого нами случая. В результате было принято решение использовать формулу Нуссельта для практически неподвижного пара с учётом поправок, учитывающих влияние переменности физических свойств конденсата на теплоотдачу, волновое движение [7] (более подробно описано в главе 1 настоящей работы), скорости пара, содержания неконденсирующихся газов.

                                               (2.3)