Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Информационно-измерительная система для исследования теплогидравлических характеристик теплообменного оборудования

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Тесное сотрудничество с работниками Инженерного центра компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» А. Б. Таракановым, A.B. Кравцовым, C.B. Рязановым помогло решить многие поставленные задачи. Большую помощь в методической постановке экспериментальных исследований оказал д.т.н., профессор Б.В. Суда-рев. Непосредственное участие в проведении экспериментов принимала группа специалистов Инженерного центра… Читать ещё >

Информационно-измерительная система для исследования теплогидравлических характеристик теплообменного оборудования (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Анализ предметной области и постановка задач исследования
    • 1. 1. Объекты и область исследований
    • 1. 2. Цель и задачи работы
  • 2. Теоретическое обоснование экспериментальных методов определения теплогидравлических характеристик трубных пучков
    • 2. 1. Анализ факторов, определяющих эффективность поверхности теплообмена
    • 2. 2. Оценка эффективности теплогидравлических характеристик суперплотных трубных пучков
    • 2. 3. Выводы по главе 2
  • 3. Синтез структуры информационно-измерительной системы
    • 3. 1. Общие принципы построения системы измерений
    • 3. 2. Обоснование выбора датчиков для информационно-измерительной системы
    • 3. 3. Организация вычислительного процесса получения уравнений подобия
    • 3. 4. Моделирование трубных пучков
    • 3. 5. Разработка экспериментальной установки
    • 3. 6. Описание структуры информационно-измерительной системы
    • 3. 7. Выводы по главе 3
  • 4. Метрологический анализ информационно-измерительной системы
    • 4. 1. Анализ погрешностей прямых измерений параметров трубного пучка
    • 4. 2. Погрешности косвенного измерения параметров трубного пучка
    • 4. 3. Выводы по главе 4
  • 5. Расчетно-экспериментальное исследование внешнего обтекания трубных пучков
    • 5. 1. Гидродинамика и теплообмен в обычных трубных пучках
  • -35.2 Гидродинамика и теплообмен в суперплотных трубных пучках
    • 5. 3. Гидродинамика в байпасной перетечке
    • 5. 4. Исследование теплогидравлических характеристик воздухоподогревателей ГТУ
    • 5. 5. Выводы по главе 5

Современные тенденции развития газотранспортной системы России, связанные с увеличением дальности транспорта газа и мощности газовых потоков, сооружением и эксплуатацией компрессорных станций в сложных природно-климатических условиях, вынуждают эксплуатирующие организации повышать требования к надежности и экономичности оборудования на газопроводах. Основу компрессорного парка (77,6%) газовой промышленности Российской Федерации составляют газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с газотурбинными установками (ГТУ). Технический уровень ГПА оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели транспорта природного газа, так как на работу газотурбинной установки ГТУ затрачивается 5−10% транспортируемого газа.

В последнее время широкое распространение получили также ГТУ, предназначенные для выработки тепловой и электрической энергии, это так называемые газотурбинные ТЭЦ, производимые, в том числе и крупнейшей в России группой предприятий энергетического машиностроения «Энергомаш». По планам масштабного проекта компании «Энергомаш» до 2015 г должно быть построено и введено в эксплуатацию порядка 1000 газотурбинных ТЭЦ единичной мощностью 9 МВт.

Одним из путей энергосбережения, как при транспортировке газа, так и при выработке тепловой и электрической энергии является снижение эксплуатационных затрат, т. е. уменьшение расхода топливного газа на ГТУ. Снизить расход топливного газа позволяет повышение к.п.д. ГТУ за счет применения регенеративного цикла. Утилизация тепла уходящих газов происходит в теплообменных аппаратах: регенеративных воздухоподогревателях. Уходящие газы отдают часть своего тепла воздуху, сжатому в компрессоре и поступившему в камеру сгорания. Достигнутый в настоящее время уровень к.п.д. ГТУ для ГПА составляет порядка 29% при предельном его значении до 42%.

Поэтому при проектировании воздухоподогревателей газотурбинных установок возникает проблема оценки эффективности теплообменной поверхности.

Причем точность и достоверность используемых при этом данных по теплообмену и гидродинамике во многом определяет успешную реализацию проектных требований к теплообменному аппарату.

Применение существующих методик расчета и экспериментальных данных при проектировании не обеспечивает достижения желаемой эффективности поверхности теплообмена с произвольными геометрическими параметрами.

Для решения поставленной задачи целесообразно объединить методы экспериментального исследования и методы численного моделирования в единый процесс. В таком случае существенно увеличивается информативность расчетно-экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики поверхностей теплообмена и появляется возможность получать более достоверные данные об этих процессах. Однако априорное применение методов численного моделирования без соответствующего экспериментального подтверждения с целью получения зависимостей по теплообмену и гидродинамике при произвольных параметрах поверхностей теплообмена не гарантирует достижения приемлемой точности в силу существенной нелинейности изучаемых процессов, необходимости варьирования при выполнении расчетов параметрами дискретизации и моделью турбулентности. Наличие достоверных экспериментальных данных для рационального решения вопросов дискретизации расчетной модели, задания граничных условий и модели турбулентности является залогом успешной реализации расчетно-экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики. Погрешность получаемых таким образом основных параметров теплообменной поверхности, в первую очередь, будет определяться возможностями соответствующей информационно-измерительной системы. Совмещая результаты ограниченного количества экспериментов, используемых в качестве опорных, можно осуществлять корректирование плана эксперимента, детализацию процессов теплообмена и гидродинамики для конкретных поверхностей теплообмена, то есть фактически переходить от интегральных характеристик исследуемых процессов к локальным распределениям полей скоростей и температур.

— jsj:

Таким образом, получение точных и достоверных данных о процессах теплообмена и гидродинамики поверхностей теплообмена путем совмещения экспериментальных исследований и методов численного моделирования с целью достижения более высоких технических (массогабаритных) и экономических показателей проектируемых воздухоподогревателей является актуальной задачей.

Настоящая работа является частью экспериментальных исследований и результатов численного моделирования, выполненного соискателем для модификации разрабатываемых и изготавливаемых компанией «Энергомаш (ЮК) Лими-тед» воздухоподогревателей ГТУ.

Апробация работы выполнена путем использования полученных данных о процессах теплообмена и гидродинамики в конструкциях модифицированных воздухоподогревателей для ГТУ ТЭЦ 009, ГПА ГТК-10−4 серийно изготавливаемых компанией «Энергомаш (ЮК) Лимитед».

Тесное сотрудничество с работниками Инженерного центра компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» А. Б. Таракановым, A.B. Кравцовым, C.B. Рязановым помогло решить многие поставленные задачи. Большую помощь в методической постановке экспериментальных исследований оказал д.т.н., профессор Б.В. Суда-рев. Непосредственное участие в проведении экспериментов принимала группа специалистов Инженерного центра компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» под руководством В. И. Старшинова и Д. В. Самсонова. В целом работа выполнена под научным руководством д.т.н., профессора A.B. Чернова.

Научная новизна состоит:

1. В результатах исследований, проведенных на основе использования информационно-измерительной системы, позволивших осуществить количественное описание процессов теплоотдачии гидродинамики уравнениями подобия (Eu = f (<�т,^, Ые, Рг)) при внешнем обтекании трубных пучков определенной конфигурации в диапазоне чисел Рейнольдса 4000 — 12 000 с относительной среднеквадратической погрешностью от ±3,56 до ±10,1%.

2. В синтезе структуры информационно-измерительной системы, содержащей помимо измерительных каналов блоки программных средств численного моделирования процессов теплоотдачи и гидродинамики, позволяющие корректировать план эксперимента в зависимости от числа Рейнольдса и соответствия экспериментальных и теоретических результатов.

3. В разработке метода расчетно-экспериментальной оценки величины бай-пасного расхода, основанного на решении системы нелинейных уравнений для распределения потоков с учетом конструктивных особенностей трубной системы.

На защиту выносится:

1. Расчетно-экспериментальное исследование характеристик теплообмена и гидродинамики (в соответствии с уравнениями подобия Еи = Яе) и Ыи = /(с?х, (р, Ие, Рг)) при внешнем обтекании фрагментов трубных пучков для режимов течения, характерных для газотурбинных установок.

2. Уравнения подобия гидродинамики и теплообмена, полученные численным моделированием и прошедшие практическую апробацию при расчетно-экспериментальном исследовании трубных пучков воздухоподогревателей ГТУ.

3. Структура информационно-измерительной системы, обеспечивающая получение необходимых уравнений подобия с относительной среднеквадратической погрешностью косвенного измерения основных параметров исследуемых фрагментов трубных пучков от ±3,56 до ±10,1%.

4. Алгоритм обработки информационно-измерительной системой результатов измерений основных параметров гидродинамики и теплообмена при обтекании трубных пучков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Анализ существующих теоретических и экспериментальных методов исследования процессов теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании трубных пучков позволил выработать метрологические и конструктивные требования для реализации измерительных процедур при определении коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления в диапазонах чисел Рейнольдса, характерных для работы воздухоподогревателей газотурбинных установок.

2. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность включения в структуру информационно-измерительной системы программных средств численного моделирования, обеспечивающих помимо выполнения измерительных операций корректирование плана эксперимента в зависимости от числа Рейнольдса и соответствия экспериментальных и теоретических результатов.

3. Выявлено, что при проведении теплофизического эксперимента методом полного моделирования необходимо минимизировать погрешность измерения температур воды и воздуха, поэтому измерения температуры воды и воздуха предложено производить блоками термопар специальной конструкции и индивидуальной тарировки.

4. В результате выполненного метрологического анализа информационно-измерительной системы установлено, что относительная среднеквадратическая погрешность косвенного измерения основных параметров трубных пучков Шг,.

Ые, к, а, и? составляет величину от ±3,56 до ±10,1%, что позволяет рассчитать поверхность теплообмена в соответствии с проектными требованиями и уменьшить габариты и массу воздухоподогревателей.

5. Экспериментальные исследования процессов теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании фрагментов трубных пучков определенных конфигураций позволили получить уравнения подобия по числу Рейнольдса /(<7,9>, Ие) и N11 = /(сГр^Ые, Рг)), обеспечивающие меньшую погрешность относительно рекомендуемых зависимостей.

6. Использование разработанной информационно-измерительной системы при исследовании процессов теплообмена и гидродинамики позволило выработать рекомендации для проектирования воздухоподогревателей ГТУ и, в частности, установить неэффективность применения в них суперплотных трубных пучков.

7. Разработанная информационно-измерительная система и предложенные расчетно-экспериментальные методы были доведены до промышленного использования, что и позволило в условиях компании «Энергомаш (Ю.К.) Лимитед» решить проблему модернизации воздухоподогревателей ГТК-10, повысить эффективность их работы и довести коэффициент полезного действия ГТУ до 32,8%.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ю.С., Манушин Э. А., Михальцев В. Е. и др. Учебное издание. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. Учебник для вузов. 2-е издание исправленное и дополненное. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2000.
  2. Справочник по теплообменникам: в 2 т.Т.1/Пер. с англ., под ред. B.C. Пе-тухова, В. К. Шикоева. М.: Энергоатомиздат, 1987.
  3. Справочник по теплообменникам: в 2 т.Т.2/Пер. с англ., под ред. B.C. Пе-тухова, В. К. Шикоева. М.: Энергоатомиздат, 1987.
  4. П.Л., Юрьев Ю. С., В.П. Бобков. Справочник по теплогидрав-лическим расчетам: (Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). Под общ. Ред. П. Л. Кириллова. М.: Энергоатомиздат, 1984.
  5. В.М., Лондон А. Л. Компактные теплообменники. Издание второе, переработанное и дополненное. М. Энергия, 1967. стр. 109. 110
  6. Оборудование теплообменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический. РТМ 108.031.05−84
  7. Л.В. и др. Стационарные ГТУ. Справочник. Л. Машиностроение Л.О.
  8. К.С., Румянцев В. В. и др. Справочное издание. Машиностроение. Энциклопедия. Том 1−2. Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен. М.: Машиностроение. 2001.
  9. Л.М., Глушков А. Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М.: Энергоатомиздат, 1986.
  10. Zukauskas А., Makarevicius V. and Slanciauskas А. Heat Transfer in Banks of Tubes in Crossflow of Fluid, in Thermophysics, vol. 2, Academy of Science of Lithuanian SSR, Vilnius, 1973.
  11. Stasiulevicius J., Samoska P. Heat Transfer and Aerodynamics of Staggered Tube Banks at Crossflow of Air at Re>105. Liet. TSR Mokslu Acad. Darb. Ser. B, vol. 4, pp.77−81, 1963.
  12. Niggeschmidt W. Druckverlust und Warmeubergang beifluchtenden, versetzten und teilversetzten querangestromten Rohrbundeln, Dissertation, Technische Hochschule, Darmstadt, 1975.
  13. Scholz F. Einfluss der Rohrreihenzahl auf den Druckverlust und Warmeubergang von Rorbundeln bei hohen Reynolds-Zahlen, Chem. Ing. Tech., vol. 40, pp. 988 995, 1968/
  14. Pierson O. Experimental Investigation of the Influence of Tube Arrangement on Convection Heat Transfer and Flow. J. Heat Transfer, vol. 59, pp. 653−572, 1937.
  15. Huge E. Experimental Investigation of Effects of Equipment Size on Convection Heat Transfer and Flow Resistance in Crossflow of Gases over Tube Banks, J. Heat Transfer, vol. 59, pp. 573−581, 1937.
  16. Hammecke К., Heinecke E. and Schols F. Warmeubergangs- und Druckverlustmessungen an querangestromten Glattrohrbundeln, insbesondere bei hohen Reynolds-Zahlen, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 10, pp. 427−446, 1967.
  17. Bressler R. Die Warmeubertragung einzelner Rohrreihen in querangestromten Rohrbundeln mit kleinen Versetzungsverhaltnissen, Forsch. Ingenierwes., vol. 24, pp. 90−103, 1958.
  18. De-Bortoll R., Crimble R. and Zerbe J. Average and Local Heat Transfer for Crossflow throuth a Tube Bank, Nuclear Sei. Eng., vol. 1, pp. 239−251, 1956.
  19. Kays W., London A. and Lo R. Heat Transfer and Friction Characteristics for Gas Flow Normal to Tube Banks-Use of a Transient Test Technique, J. Heat Transfer, vol. 76, pp. 387−396, 1954.
  20. C.C., Теплообменные аппараты и конденсационные устройства турбоустановок, Машгиз, 1959.- 12 423. Липец А. У. О рациональных компоновках конвективных поверхностейнагрева котельных агрегатов. Теплоэнергетика. 1963. № 5.
  21. М.Я., Готовский М. А. и др. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поперечно обтекаемых суперплотных шахматных пучков труб. Теплоэнергетика. 2000. № 10.
  22. Теплоотдача, аэродинамическое сопротивление, энергетическая эффективность в супертесных поперечно обтекаемых гладкотрубных пучках шахматной компоновки. В. И. Величко и др. Тр. 1-й Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ. 1994. Т. 8.
  23. A.A. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости. Вильнюс: Минтис, 1968.
  24. И.К., Самошка П. С. Теплоотдача и аэродинамическое сопротивление пучков труб в поперечном потоке воздуха при Re > 105. Тр. АН Литовской СССР. Сер. Б. 1963. № 4.
  25. В.М., Жинкина В. Б., Фирсова Э. В. Теплоотдача плотных пучков труб в поперечном потоке натрия и воды. Тр. ЦКТИ. 1968. Вып. 86.
  26. В.А., Фомина В. Н. Экспериментальное исследование теплоотдачи поперчно омываемы сверхтесных шахматных пучков труб. Теплоэнергетика. 1968. № 11.
  27. В.Н. Исследование теплообмена и аэродинамики шахматных пучков труб с широкими и тесными шагами и уточнение их расчета: Автореф. Дис.канд. техн. наук. М.: ВТИ. 1976.
  28. Dwyer O.E. Gross Flow of Water Through a Tube Bank at Reynolds Numbers up to Million, a.o. Ind Engng. Chem. 1956. Vol. 48. № 10. pp. 1826−1846.
  29. А.У., Локшин В. А. и др Аэродинамическое сопротивление компактных шахматных пучков труб. Теплоэнергетика. 1965. № 6.
  30. A.B. Исследование гидродинамического сопротивления поперечно обтекаемых шахматных труб методом гидравлического моделирования. Тр. ЦКТИ. 1968. Вып.86.-12 534. Achenbach E. Investigations of the Flow through a staggered Tube Bundle at
  31. Reynolds Numbers up to Re = 107. Warme Stollubertrag. 1969. Vol. 2. pp. 47−52
  32. E.C. Теория вероятностей: Учеб. Для вузов/Е.С. Вентцель. 8-е изд., стер.-М.: Высш. шк., 2002.
  33. Ю.И., Дзюбенко Б. В., Дрейцер Г. А. Ашмантас J1.A. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы. М.: Машиностроение, 1986.
  34. ANSYS CFX Solver Theory Guide.
  35. ANSYS CFX Pre User’s Guide.
  36. Руководство по эксплуатации «Манометр». 2000
  37. ГОСТ 8.586.1−5-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств.
  38. ГОСТ Р 8.585−2001. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования.44. Каталог «Метран»
  39. ГОСТ Р 8.625−2006. Термометры из платины, меди и никеля
  40. User’s manual. ICP DAS. 1999.
  41. E.M., Зайцев Д. К. Расчетное исследование гидродинамики течения газа в шахматном трубном пучке воздухоподогревателя конструкции НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова. Рукопись, 2001.
  42. A.A., Григорьев Б. А. Таблицы свойств воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. Службой стандартных справочных данных. ГСССД 3776−98 М.: Издательство МЭМ. 1999.
  43. Регенератор блочно-секционный РБС-2125 для агрегата ГТ-009. ИЦТ0010.00.00.000 ПЗ. Санкт-Петербург. 2001.
  44. Блок рекуперативного воздухоподогревателя РВП-2200−01. Анализ результатов испытаний в г. Вельске. ИЦТ0016.00.00.000 Д5, 2003.
  45. Отчет по договору № 128.52.08. Провести экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик головного образца блока рекуперативного воздухоподогревателя РВП-2200−03 на КС Комсомольская ООО «Тюментранс-газ». ООО «ВНИИГАЗ», 2004.
  46. Блок рекуперативного воздухоподогревателя РВП-2200−03. Отчет о внедрении мероприятий по повышению эффективности. ИЦТ0038.40.00.000 Д5. 2005.
  47. А.Г., Тумаков Е. А., Кравцов А. В., Рязанов С. В. Ограничитель перетечек теплоносителя между трубным пучком и кожухом теплообменника. Патент на изобретение РФ № 2 294 505 от 30.08.2005 г.
  48. Исследование гидравлического сопротивления и теплоотдачи при поперечном омывании воздухом фрагмента пучка труб воздухоподогревателя РВП-2200−01. ИЦТ0029.00.00.000 Д1, 2001.
  49. Б.В. Сударев, В. В. Орберг. Гидравлическое сопротивление «суперплотных» шахматных пучков гладких труб. «Энергомашиностроение», № 4, 2005
  50. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод). Под ред. С. И. Мочана. Изд. 3-е. Л., «Энергия», 1977.
  51. Zukauskas А.А. Heat Transfer from Tubes in Crossflow. Adv. Heat Transfer, vol. 8, pp. 93−160, 1972.
  52. Bergelin O.P., Colburn A.P. and Hull H.L. Heat Transfer and Dressure Drop During Viscous Flow Across Unbaffled Tube Banks. University of Delaware. Newark. Bull. No 2, 1950. Bull. No 4,1957.
  53. Zukauskas A.A., Makarevicius V.J. and Slanciauskas A.A. Heat Transfer in Banks of Tubes in Crossflow of Fluid, in Thermophysics 1, pp. 47−68, Mintis, Vilnius, 1968.
  54. Dwyer O.E., Sheehan T.V., Weisman J, Horn F.L. and Schomer R.T. Cross Flow of Water Through a Tube Bank at Reynolds Numbers up to Million. Ind. Chem., vol. 48, No 10, pp. 1836−1846, 1956.
  55. Achenbach E. Influence of Surface Roughness on the Flow Through a Staggered Tube Bank. Warme Stoffubertrag., vol. 4, pp. 120−26, 1971.
  56. Ю.П. Математическая логика и теория алгоритмов: учеб. пособие / Ю. П. Муха, О. А. Авдеюк. Волгоградский гос. техн. ун-т. Волгоград: РПК «Политехник», 2005.
  57. ГОСТ 19.701−90 (ИСО 5807−85). Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения.
  58. Э.И. Основы теории статистических измерений. JL: Энерго-атомиздат. 1986.
  59. И.Я., Цветков Э. И. Анализ и синтез измерительных систем. JL: Энергия, 1974.
Заполнить форму текущей работой