Информационно-измерительная система для исследования теплогидравлических характеристик трубных пучков Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

УДК 621.317

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБНЫХ ПУЧКОВ

© 2008 г. А.Г. Тумаков *, А.В. Кравцов *, А.В. Чернов * *

*«Энергомаш (ЮК) Лимитед», г. Волгодонск «Energomash Limited», Volgodonsk

**Волгодонский институт Южно-Российского Institute of South-Russian State

государственного технического университета Technical University

(Новочеркасского политехнического института) (Novocherkassk Polytechnic Institute), Volgodonsk

Рассмотрены состав и конфигурация автоматизированной системы измерения теплогидравлических характеристик фрагментов трубных пучков воздухоподогревателей газотурбинных установок (ГТУ) при их экспериментальном исследовании методом полного моделирования. В качестве основных характеристик, подлежащих исследованию, определены аэродинамическое сопротивление и теплоотдача при внешнем обтекании газом трубных пучков, что дало возможность сформировать перечень параметров, подлежащих измерениям автоматизированной системой измерения в процессе эксперимента. Выполнена оценка погрешностей косвенного измерения основных теплогидравлических характеристик трубного пучка данной автоматизированной системой измерения. Предложено включить в состав системы измерений программные продукты для численного моделирования процессов гидродинамики и теплообмена такие как, например, ANSYS CFX, StarCD.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, теплогидравлические характеристики, теплообмен-ное оборудование, измерительные преобразователи, погрешность косвенного измерения, численное моделирование.

The structure and configuration of the automated system of measurement thermal hydraulic characteristics of air-heaters bunch ofpipes fragments of gas-turbine installations (GTI) are considered at their experimental research by a method of complete modeling. The aerodynamic resistance and a convective heat exchange at an external flow by gas of bunch of pipes are defined as a basic characteristic subject to research. That has given the chance to generate the list of parameters subject to measurements by the automated system of measurement during the experiment. The estimation of inaccuracy of indirect measurement of basic bunch of pipes thermal hydraulic characteristics is executed by the automated system of measurement. For the purpose of informational increasing of experimental researches and transition from integrated to local thermal hydraulic characteristics of bunch of pipes it is offered to include to the system structure the software products for numerical modeling of processes of hydrodynamics and heat exchange such as, for example, ANSYS CFX, StarCD.

Keywords: information-measuring system, thermal hydraulic characteristics, heat-exchange equipment, measuring converters, inaccuracy of indirect measurement, numerical modeling.

Известно, что качество проектирования любого теплообменного аппарата зависит от достоверности и точности используемых уравнений подобия процессов тепломассообмена. В большой степени это относится и к проектированию регенеративных воздухоподогревателей (РВП) газотурбинных установок (ГТУ). Наличие воздухоподогревателя значительно повышает экономическую эффективность ГТУ (в пределе КПД может достигать 42 %), но приводит к существенному росту массогабаритных характеристик установок. Например, при использовании пластинчатых рекуперативных воздухоподогревателей удельная масса установки увеличивается в 2,5... 3,0 раза, а трубчатых -в 5. 8 раз [1].

В этой связи повышение эффективности с одновременным уменьшением массы и габаритов воздухоподогревателей ГТУ является весьма актуальной задачей.

Данная задача может решаться, как известно, за счет интенсификации теплообмена в трактах воздухоподогревателей [2]. Применение различных интенси-фикаторов теплообмена приводит не только к усложнению технологии и стоимости изготовления теплообменников, но и к увеличению гидравлического сопротивления в их трактах. Последнее повышает затраты энергии на собственные нужды ГТУ, снижает КПД установки.

С другой стороны, применение при проектировании теплообменных аппаратов более точных и достоверных данных по гидравлическому сопротивлению и теплообмену позволяет также с большей вероятностью обеспечить требуемые проектные характеристики эффективности ГТУ.

Воздухоподогреватели с гладкотрубными пучками относятся к группе поверхностных теплообменников, в которых теплообмен между охлаждаемой и нагреваемой средами происходит через стенку путем теплопередачи. Главная трудность при расчете коэффициента теплопередачи состоит в нахождении коэффициентов теплоотдачи для каждой из теплообмени-вающихся сред [3]. При выборе формы и размеров теплопередающей поверхности аппарата необходимо определить рациональное соотношение между требуемой площадью поверхности теплообмена и расходами энергии на перекачивание рабочих сред через аппарат. Эти расходы энергии, как правило, должны определяться при оптимизации всей теплоисполь-зующей установки и задаваться при расчете теплообменника как предельная величина.

Расчет коэффициента теплоотдачи по воздуху (обычно это трубное пространство), как правило, не вызывает затруднений, так как применяются надежные, полученные экспериментальным путем уравнения теплового и гидродинамического подобия, справедливые для широкого диапазона изменения параметров теплоносителя на входе в теплообменный аппарат и обеспечивающие необходимую точность вычислений (погрешность не хуже ±10 % [4]).

Несмотря на большое количество рекомендаций по расчету теплоотдачи при поперечном обтекании гладкотрубных пучков труб погрешность определения числа Нуссельта и, соответственно, коэффициента теплоотдачи велика и составляет, например, не менее ±15 % для рекомендуемых в [4, 5] и наиболее часто используемых зависимостей при шахматном расположения труб и треугольной их компоновке. В то же время для очень плотных пучков труб практически отсутствуют достоверные расчетные зависимости [6]. То же самое можно сказать и о расчетной оценке потерь давления в трубном пучке.

Таким образом, для обеспечения требуемых параметров эффективности проектируемого воздухоподогревателя необходимы надежные, с погрешностью не хуже ±10 %, зависимости для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления при поперечном обтекании трубных пучков.

Наиболее точные и достоверные сведения о теплоотдаче и гидравлическом сопротивлении получают экспериментальным исследованием, построенным на основе теории подобия и законах, установленных фундаментальной наукой [3].

Перепад давления при течении газа сквозь пучок труб зависит от его конфигурации, описываемой параметрами а1, а2 и й2 (рис. 1 и 2), числа рядов в пучке 2 , скорости потока и в узком сечении и физических свойств жидкости (динамической вязкости лг и плотности рг) [7, 8]:

Ар = / (и, ^ ^ й 2,2, р г ) = I Ф,Яе), (1) где ф = , а' =— и Яе = ий2Р - число Рейнольдса.

а

1 + а? -1

Zi

Рис. 1. Схема трубного пучка: а1 = s1/й2 - относительный поперечный шаг; а2 = s1/й2 - относительный продольный шаг; й2 - наружный диаметр труб; 21 - число ширм (панелей); 22 - число рядов труб в одном ходе пучка

3

4

Воздух

Воздух

Газ

i\ 1111 \ 111

ш

\\

I 1 1 I I I I 1 1

2

Рис. 2. Ширма (панель) из Ж-образных труб, закрепленных в воздушных раздаточном и сборных коллекторах: 1 - Ж-образная трубка; 2, 3 - раздаточный и сборный воздушные коллектора; 4 - разделительные перегородки

Средний коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании трубного пучка газом определяется аналогичной (1) зависимостью, причем теплофизиче-ские параметры газа (лг - динамическая вязкость, рг - плотность, срг - изобарная теплоемкость, Xг -

теплопроводность берутся при средней его температуре и давлении):

Л

S

1

Nur Хг

= y(ur, CTj, СТ2, d2, г, Рг' Cpг, ^г ) =

= У(СТ!, ф^ег,Ргг,Ргст )'

(2)

где Pr =

ПгСрг

к

- число Прандтля (Ргг,Ргст - при

средней температуре газа и стенки теплообменной трубы соответственно); Шг - число Нуссельта.

Конечной целью экспериментальных исследований является получение уравнений подобия для теплообмена и гидравлического сопротивления в форме (1) и (2). Исходя из количества переменных, входящих в зависимости (1) и (2), при проведении теплофизиче-ского эксперимента необходимо измерять следующие параметры:

- температуры сред и элементов поверхностей экспериментального трубного пучка;

- расходы сред;

- давления сред;

- перепады давлений.

Для исследования аэродинамического сопротивления и теплоотдачи в моделях трубных пучков методом полного моделирования была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка в виде аэродинамической трубы открытого типа. Схема установки представлена на рис. 3. Точность конечных результатов, получаемых при экспериментальном исследовании, как известно, зависит от типа испытываемой модели, диапазона скоростей (расхода) движения и температур теплоносителей.

Экспериментальная установка позволяет проводить исследования трубных пучков в следующих диапазонах изменения параметров теплоносителей:

- расхода воздуха от 0,03 до 0,5 кг/с;

- расхода воды до 6,0 кг/с;

- температуры воздуха на входе в модель до 250 °С;

- температуры воды на выходе из модели до 50 °С;

- перепадов давления до 1,6 кПа.

Указанные диапазоны изменения параметров соответствуют моделированию процессов теплообмена моделей трубных пучков по числу Рейнольдса от 103 до 5-103. Типичные значения числа Рейнольдса для воздухоподогревателей ГТУ находятся в пределах 6-103 - 104.

Система измерений, структурная схема которой представлена на рис. 4, построена по модульному принципу на основе измерительного преобразователя I-7018P/ I-7018P [9] аналогового сигнала в цифровой код (рис. 5) для дальнейшей его обработки с помощью компьютера. На рис. 6 приведены схемы подключения к измерительному преобразователю используемых датчиков.

Включение в систему измерений программных средств численного моделирования, например ANSYS CFX, позволяет полученные опытные данные по теплоотдаче и гидродинамике использовать в качестве опорных для численного моделирования исследуемых процессов и тем самым перейти от интегральных к локальным характеристикам исследуемых трубных пучков, а также уменьшить объем экспериментальных работ.

В качестве «АРМ испытателя» используется notebook «Toshiba», а в качестве «АРМ исследователя» -стационарный компьютер, имеющий следующие характеристики: Intel Pentium 4, 3 GHz/ DDR2 4 Gb/ NVIDIA GF 6600 GTPCI-E 128 Mb/HDD SATA 250 Gb.

Измерение избыточных давлений осуществляется с помощью образцовых пружинных манометров модели 1227 (кл. точности 0,15), а перепадов давлений -преобразователями разности давлений «Сапфир 22МП» моделей 2410, 2420, 2430 с предельной относительной погрешностью 0,25 %.

Использование преобразователей Сапфир-22МП с цифровым выходным сигналом на базе интерфейса RS-485 позволяет осуществлять настройку параметров, управление и калибровку с помощью компьютера через модем RS-485/RS-232 (рис. 5, 7018/7018Р).

Тех. вода Р ~ 0,4 МПа

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 - клапан редукционный; 2 - ресивер; 3 - расходомерный участок; 4 - электроподогреватель воздуха; 5 - источник питания; 6 - рабочий участок; 7 - модель пучка; 8,10 - клапана регулирующие; 9 - расходомерный участок воды; 11 - сосуд мерный; 12 - в атмосферу; 13 - слив конденсата

аг =

d

2

Для измерения расходов воздуха и воды применены стандартные сужающие устройства, рассчитанные и изготовленные в соответствии с [10, 11] и обеспечивающие погрешность измерения не хуже ±3,1 % (табл. 1 и 2).

Для снижения погрешности измерение расходов сред должно выполняться, как правило, на верхней границе каждого поддиапазона преобразователей «Сапфир-22МП» за счет использования параллельных ветвей подачи теплоносителей с установленными в них сужающими устройствами.

Измерение температур сред производится лабораторными термометрами типа ТЛ-4 (абсолютная погрешность ±0,1 °С), термоэлектрическими преобразователями (термопарами) и термометрами сопротивления [12]. Применение термометров, несмотря на их высокую точность, в принципе исключает автоматическую обработку результатов измерений, и они используются только в качестве дополнительного источника информации. С целью снижения погрешности измерения температуры воды были применены бата-

реи пятиспайных термопар ТХК (Ъ) типа ТХК1-2088 [13] индивидуальной тарировки, что позволило снизить предел допускаемых отклонений номинальной статической характеристики (НСХ [14]) с 2,5 (стандартный термоэлектрический преобразователь) до 0,9 °С.

Отклонения статических характеристик примененных пятиспайных термопар от НСХ приведены на рис. 7. Применение термометров сопротивления типа ТСМУ Метран-274МП [15] позволяет еще снизить и довести до уровня 0,25 % в диапазоне измерений от минус 50 до плюс 50 °С предельную относительную погрешность измерения температуры воды, т.е. практически до значений термометров типа ТЛ-4. Существенное отличие данных преобразователей состоит в том, что они, также как и термопары, позволяют производить измерения по двухпроводной схеме. Датчики

Погрешность изме

имеют выходной токовый сигнал 4-20 мА и наложенный цифровой сигнал в стандарте HART. В отличие от них термометры сопротивления типа ТСМ при использовании в классах А, АА (т.е. с погрешностью ±(0,15 + 0,0021/|) [16]) требуют применения только

четырехпроводной схемы включения, что приводит к увеличению необходимого количества измерительных преобразователей I-7018/I-7018P.

Для измерения температуры воздуха на входе и выходе были применены взаимно перпендикулярно расположенные блоки четырехзонных термопар индивидуального изготовления типа ТХК1-9802 [13], что позволило снизить погрешность измерения температуры воздуха за счет осреднения показаний в четырех зонах (по 4 датчика в трех зонах и один - в центральной).

Таблица 1

шя расхода воды

Определяемый параметр (по ГОСТ 8.586.5-2005) Обозначение СУ1, СУ2 СУ3 СУ4

Относительный диаметр ß 0,601 0,437 0,312

Коэффициент истечения 51С 2,95 2,95 2,95

а 51d 0,07 0,07 0,07

D 81D 0,04 0,04 0,04

Коэффициент расширения 8 81е 0,795 0,795 0,795

Перепад давления S1Ap 0,51 0,51 0,51

Расчет плотности (методическая погрешность) S1p0 0,2 0,2 0,2

Расчет плотности (методическая погрешность) 81pc 0,2 0,2 0,2

Температура среды 81T 0,1 0,1 0,1

Давление среды 81p 0,212 0,212 0,212

Плотность среды 81p 0,367 0.367 0,367

Расход (относительная погрешность) 8q 3,08 3,07 3,07

Таблица 2

Погрешность измерения расхода воздуха

Определяемый параметр (по ГОСТ 8.586.5-2005) Обозначение СУ5, СУ6 СУ6 СУ6 СУ6

Относительный диаметр ß 0.578 0,42 0.3 0,251

Коэффициент истечения 81С 2,95 2,95 2,95 2,95

а 81d 0,07 0,07 0,07 0,07

D 81D 0,04 0,04 0,04 0,04

Перепад давления 81Ap 0,51 0,51 0,51 0,51

Расчет плотности (методическая погрешность) 81p0 0,2 0,2 0,2 0,2

Расчет плотности (методическая погрешность) 81pc 0,2 0,2 0,2 0,2

Температура среды 81T 0,1 0,1 0,1 0,1

Давление среды 81p 0,212 0,212 0,212 0,212

Плотность среды 81p 0,367 0.367 0,367 0,367

Расход (относительная погрешность) 8q 2,97 2,97 2,97 2,97

Рис. 5. Схема измерительного преобразователя I-7018/7018Р

Поверхностные термопары типа КТХКС [13] (температура корпуса модели и теплообменных труб) были изготовлены из специального кабеля в оболочке из нержавеющей стали.

Абсолютные погрешности примененных термопреобразователей приведены в табл. 3

Оценка среднеквадратических погрешностей косвенного измерения параметров трубного пучка дополнительно к Мит и Яег выполнена согласно следующим зависимостям [5, 7, 8, 11]:

1) для коэффициента теплопередачи k = д / FАт , где д - тепловой поток, отданный воздухом в модели, Вт; F - полная поверхность модели, участвующая в теплообмене, м2; Ат - средний температурный напор, °С;

At =

/.вх -вых ч /.вых -вх ч W - в ) - W - tв )

ln

вх вых (tг - tв )

вых вх (tг - tв )

где ?ввых - температуры воды на выходе и входе из модели, замеряемые в опыте, подогрев воды на основании расчетов принят равным 0,8 и 2,5 °С, соответственно при минимальном и максимальном расходах воздуха; ^ых - температуры воздуха на выходе и входе из модели, замеряемые в опыте, температура воздуха на основании расчетов принята равной 20 и 40 °С соответственно при минимальном и максимальном расходах воздуха; р - поправка к температурному напору, вычисляемая на основании рекомендаций [7];

Таблица 3

Абсолютные погрешности термопреобразователей

Тип датчика Абсолютная погрешность, °С Абсолютная средняя квадратическая, °С

Датчик I-701/I-7018P Холодный спай

ТХК (L), ТХК1-9802 2,5 0,28 0,7 2,611

ТХК (L), ТХК1-2088 0,9 0,238 0,7 1,165

ТСМУ Метран-274МП 0,25 0,1 - 0,269

Схема подключения одного датчика Сапфир 22МП или термопреобразователя ТСМУ

G1

Сапфир 22МП или ТСМ

1

и

1

Vin+ +Vs

I 7018P

Vin- ND

G2

Схема подключения одного термопреобразователя ТХК

Рис. 6. Схемы подключения датчиков к измерительным преобразователям I-7018/7018P

ß

2) для коэффициента теплоотдачи по воздуху (при оценке принят равным 30 и 150 В/м-град, соответственно при минимальном и максимальном расходах воздуха)

=- 1

d„

d„

- + -

ln

1

коэффициент теплоотдачи по воздуху, Вт/м-град; ав -коэффициент теплоотдачи по воде (по расчету принят минимальным и равным 2000) Вт/м-град;

3) для коэффициента гидравлического сопротив-

2Др

ления одного ряда труб % = -

грг«

где Ар - заме-

где ан и авн - наружный и внутренний диаметр теп-лообменной трубы, м; X ст - коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, Вт/м-град; аг -

ренный перепад давлений (по воздуху) пучка (при оценке принят равным 5 и 300 Па для минимального и максимального расходов воздуха соответственно), Па; г - число рядов труб в пучке, принято минимальное значение - 4.

Таблица 4

Среднеквадратические погрешности оценки косвенных измерений параметров трубных пучков

н

+

а

г

Параметр Датчик температуры по воде Расход воздуха Температура Среднеквадратическая погрешность

воздуха на входе воды на входе

Gг, кг/с tf, °С гвх , °С 5, %

Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Мин. Макс.

Коэффициент теплопередачи кг ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 8,95 2,03

ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 8,35 1,56

Коэффициент теплоотдачи по воздуху аг ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 9,09 2,22

ТСМУ 0,030 0,350 90 200 7 8,49 1,17

Число Нуссельта Мит ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 9,69 2,70

ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 9,13 2,30

Число Рейнольдса Reг ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 3,12 3,12

ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 3,12 3,12

Коэффициент гидравлического сопротивления ТХК1-2088 0,040 0,350 90 200 7 10,1 6,01

ТСМУ 0,040 0,350 90 200 7 10,1 6,01

И 0,1 В

о

СС

о -

—

о Н

0,05

[ \ : < < [ *

( > <

[ : i с 3

'-50

0

50 100 150

Температура, °С

200 250

Рис. 7. Отклонения термоЭДС различных батарей пятиспайных термопар от НСХ

Результаты оценки максимальных среднеквадра-тических погрешностей косвенных измерений приведены в табл. 4.

В общем случае при анализе погрешностей косвенного измерения параметров трубного пучка в работе [7] рекомендуется дополнительно учитывать следующие вероятные источники ошибок:

1) погрешности, связанные с неточностями при расчете и определении параметров экспериментальной установки;

2) ошибки в определении размеров испытываемой модели.

Таким образом, разработанная информационно-измерительная система обеспечивает погрешность косвенного измерения основных параметров исследуемых трубных пучков в диапазоне от ±1,56 до ±10,1 % и, соответственно, позволяет решить задачу уменьшения массы и габаритов воздухоподогревателей ГТУ.

Литература

1. Арсеньев Л.В. и др. Стационарные ГТУ: Справочник. Л., С. 31 - 32.

2. Дрейцер Г.А. Проблемы создания компактных трубчатых теплообменных аппаратов // Теплоэнергетика. 1995. № 3. С. 11 - 18.

3. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М., 1986. С. 31 - 34, 48, 62.

4. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам: (Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы) / Под общ. ред. П.Л. Кириллова. М., 1984.

5. Оборудование теплообменное АЭС: Расчет тепловой и гидравлический. РТМ 108.031.05-84.

6. Беленький М.Я., Готовский М.А., Фокин Б.С. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поперечно обтекаемых суперплотных шахматных пучков труб // Теплоэнергетика. 2000. № 10.

7. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т.1: Пер. с англ./ Под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикоева. М., 1987.

8. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т.2: Пер. с англ./ Под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикоева. М., 1987.

9. User's manual. ICP DAS. 1999.

10. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия. ГОСТ 8.563.1 - 97.

11. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. ГОСТ 8.563.2-97.

12. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под. общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. 3-е изд., перераб. и доп. М., 2001.

13. Генеральный каталог. Термометры сопротивления, термопары, термопреобразователи кабельные, взрывозащи-щенные, для теплосчетчиков, провода компенсационные. Приборы для измерения и регулирования температуры, приборы пожарной сигнализации взрывозащищенные. Эталон. Волгодонск, 2001.

14. Номинальная статическая характеристика преобразования термопары ТХК (тип L) ГОСТ Р 8.585-2001.

15. Каталог «МЕТРАН».

16. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний. ГОСТ Р 8.625-2006.

Поступила в редакцию 10 сентября 2008 г.

Тумаков Алексей Григорьевич - инженер-расчетчик «Энергомаш (ЮК) Лимитед». Тел. (863 92) 92013. E-mail: alexey_tumakov@energomash.ru

Кравцов Александр Викторович - начальник отдела ТК и ЕО «Энергомаш (ЮК) Лимитед». Тел. (863 92) 92008. E-mail: kravtsov@energomash.ru

Чернов Александр Викторович - докт. техн. наук, директор Волгодонского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (863 92) 25438. E-mail: npi1@vttc.donpac.ru