CC BY
72
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.6.036.
А.В. Рулев, А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, Т.А. Усачева
ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ: ТРУБЧАТЫЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛИ - ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ ЗМЕЕВИК СУГ, ЗАПЛАВЛЕННЫЕ В АЛЮМИНИЕВЫЙ МАССИВ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТЬЮ В ЕГО ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ
Приводятся результаты электротеплового моделирования
теплового взаимодействия испарительного трубопроводного змеевика (ИТЗ) сжиженного углеводородного газа (СУГ) и трубчатых
электронагревателей (ТЭН), заплавленных в массив из алюминия.
Теплообмен, электротепловое моделирование, испарительный
змеевик, алюминий.
A.V. Rulev, A.P. Usachev, A.L. Shurayts, T.A. Usacheva
HEAT EXCHANGE ELECTRO HEAT MODELING WITHIN THE SYSTEM: TUBULAR ELECTROHEATER - EVAPORATING COIL LHG, FUSED IN ALUMINUM BODY WITH CYLINDRICAL CAVITY IN ITS CENTRAL PART
The results of electro heat modeling of heat interaction of evaporating tubular coil, liquefied carbureted hydrogen gas and tubular electro heaters fused in aluminum body are given in the article.
Heat exchange, electro heat modeling, evaporating coil, aluminum.
Существующие электрические регазификаторы (ЭР) сжиженного углеводородного газа с твердотельным промежуточным теплоносителем (ТПТ) из алюминия характеризуются высокой металлоемкостью ТПТ [1,2].
С целью снижения металлоемкости твердотельного промежуточного теплоносителя, согласно патенту RU № 73717 U1 [3], было предложено исключить заливку алюминием его центральной цилиндрической части; при этом толщина слоя алюминиевой заливки в свету между боковой поверхностью образовавшейся цилиндрической полости и группой трубчатых электронагревателей выбрана таким образом, чтобы не повысить температуру указанного слоя в радиальном направлении сверх требуемой для данного типа ТЭН. Обоснование новых технических решений по снижению материалоемкости ТПТ электрических регазификаторов СУГ приведено в работе [4].
Важной характеристикой электрических регазификаторов СУГ с цилиндрической полостью (ЦП) в твердотельном промежуточном теплоносителе является их паропроизводительность, которая обусловливается величиной теплопритока от трубчатых электронагревателей к испарительному трубопроводному змеевику через слой алюминиевой заливки с учетом ЦП.
В этой связи изучение теплообмена от ТЭНов к ИТЗ через слой алюминиевой заливки является важнейшей предпосылкой эффективной работы электрических регазификаторов СУГ с цилиндрической полостью в ТПТ.
Наиболее простым, для решения пространственных задач стационарной теплопроводности в цилиндрическом массиве с внутренними источниками тепла, является метод электротепловой аналогии.
Наиболее близкой, по механизму передачи тепловой энергии и граничным условиям, является задача теплообмена в системе «трубчатые электронагреватели - испарительный змеевик», расположенные в монолитном цилиндрическом массиве из алюминия, решенная в
[5].
В работе [5] задача теплообмена в системе ТЭН-испарительный змеевик через слой алюминия решалась в предположении, что: 1) цилиндрический массив является однородным и не содержит воздушных пустот и иных теплопроводных включений; 2) тепловая проводимость алюминиевой заливки и интенсивность теплообмена в системе «ТЭН - ИТЗ» зависит от трех геометрических параметров: расстояния 51 между боковыми поверхностями ТЭНов и испарительного трубопроводного змеевика; шага £ между соседними витками ИТЗ; расстояния 52 между наружными боковыми поверхностями заливки и испарительного змеевика.
Вместе с тем, в данной работе массив из алюминия не является однородным и содержит воздушную полость в его центральной части.
Кроме того, согласно результатам тепловых испытаний промышленных электрических регазификаторов с ТПТ, значительная доля тепловой энергии поступает от ТЭН к тыльной боковой поверхности ИТЗ через слой алюминиевой заливки над верхним витком ИТЗ, а также через слой алюминиевой заливки под нижним витком ИТЗ.
Таким образом, на величину тепловой проводимости алюминиевой заливки, кроме трех геометрических параметров: расстояния 51 и 52 и шаг £ (см. рисунок), существенное влияние оказывают также следующие геометрические параметры:
- толщина заливки Ь2 под нижним витком ИТЗ;
- толщина заливки с2 над верхним витком ИТЗ;
- расстояние 5о по нормали от боковой поверхности полости до боковой поверхности ТЭНов.
Решение задачи теплового взаимодействия в системе ТЭН - ИТЗ через слой ТПТ с цилиндрической полостью в центральной части методами математического моделирования представляет большие технические трудности. В то же время задачи подобного типа относительно просто решаются аналоговыми методами и, в частности, методом электротепловой аналогии [5].
Целью исследований на установке электротеплового моделирования, представленной на рисунке, является определение величин теплового потока от группы И-образных источников тепла, расположенных по окружности, удаленной на расстояние 51 от оси симметрии испарительного змеевика диаметром С в зависимости от шага £ между соседними витками и расстояния 52 между наружными боковыми поверхностями испарительного змеевика и алюминиевой заливки, толщин заливки под нижним Ь2 и над верхним с2 витками ИТЗ, расстояния по нормали 50 от боковой поверхности ЦП до боковой поверхности ТЭНов.
Количество тепла, передающееся от источника к стоку тепловой энергии через слой промежуточного теплоносителя, определяется по уравнению Фурье:
0 = ^ - О Ф(50; 8,; 82; Ь2; с2) • Ь, (1)
где Ф - величина формфактора, как функция от 80, 8,, 82, £, Ь2, с2; Ь - характерный размер теплообменника.
Схема установки электротеплового моделирования: 1 - промежуточный теплоноситель; 2 - постоянно действующие источники тепла; 3 - испарительный трубный змеевик;
4 - теплоизоляция; 5 -воздушная полость
Предположим, что электрическая модель изготовлена геометрически подобной исследуемому теплообменнику. При этом размеру Ь теплообменника соответствует размер Ьт электрической модели, разности температур t1-t0 соответствует разность электрических потенциалов У1-У0.
Разности потенциалов ¥1-¥0 соответствует величина электрического тока в системе «нагревательный элемент - испарительный змеевик», определяемая как:
где Ф - формфактор электрического поля, численно равный формфактору в случае теплового поля в формуле (1); т - коэффициент подобия модели.
Таким образом, исследование на модели сводится, в конечном счете, к определению величины формфактора:
Зная электропроводность среды и размеры модели, разность потенциалов ¥,-¥0, приложенную к модели, и величину полученного тока I, вычисляется значение формфактора Ф. Тогда результирующее значение теплового потока применительно к электрической модели испарителя с твердотельным промежуточным теплоносителем можно получить по формуле (1).
Экспериментальная установка была выполнена с коэффициентом подобия т = 2,2. Исследования проводились в электролитической ванне, выполненной из полиэтилена марки ПЭ-80 диаметром 159 мм, с толщиной стенки 15 мм и высотой 145 мм. Аналоги испарительного змеевика и трубчатых электронагревателей были
выполнены из медной трубки диаметром 10 мм и 5 мм соответственно. Исследуемые электроды, имитирующие трубчатые электронагреватели, располагались радиально на заданном расстоянии 81 от испарительного змеевика. Величина размера 81 принималась с учетом коэффициента подобия модели.
Поскольку интенсивность внутреннего теплообмена к перегретому пару апер =52,4 Вт/м К, значительно ниже интенсивности внутреннего теплообмена к кипящей смеси СУГ аж = 1350 Вт/м2К, при проведении электротеплового
моделирования было принято допущение с точностью 3,5%, что тепловой поток от нагревательных элементов к перегревательному участку равен нулю. С целью
реализации сложившегося обстоятельства медная трубка, имитирующая
перегревательный участок, составляющий 25% от общей длины трубопроводного змеевика, при проведении электротеплового моделирования была покрыта
диэлектрическим составом на основе эпоксидного лака. В этом случае электрический ток к медной трубке, имитирующей перегревательный участок, будет также равен нулю.
Для определения электропроводности воды применялись медные сферические электроды диаметром 19 и 30 мм.
К исследуемым электродам и медному испарительному змеевику подводилось сетевое напряжение через лабораторный автотрансформатор.
В процессе проведения опытов выявлено следующее:
1. Незначительное влияние с2 на Ф обусловлено низким значением коэффициента теплоотдачи от стенки ИТР, расположенной в верхней части алюминиевой отливки, к перегретой паровой фазе, равным апер = 52,4 Вт/м2К.
3. Изменение толщины Ь2 в диапазоне от 8 до 50 мм не оказывает заметного влияния на величину формфактора.
В результате исследований, проводимых на установке электротеплового моделирования, установлено, что величины формфактора Ф и теплового потока 0 изменяются от 0,2 до 4,2 при изменении определяющих параметров в следующих пределах: £ = 6^24 мм; 82 = 8^30 мм; Ь2 = 8^50 мм.
I = у(¥1 - ¥0)• О • I• т,
ф = -1/У (¥ - ¥0) • I • т .
(3)
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент на полезную модель ЯИ № 59773 И1. Испарительное устройство сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, А.В. Рулев, А.А. Феоктистов и др. Опубликовано 14.09.2006 г.
2. Технико-экономическое обоснование применения электрического испарителя сжиженного углеводородного газа с твердотельным промежуточным теплоносителем / А.П. Усачев, А.В. Рулев, А.Ю. Фролов, Т.А. Усачева // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2006. С. 150-161.
3. Патент на полезную модель ЯИ № 73717 И1. Испарительное устройство сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.А. Феоктистов и др. Опубликовано 27.05.2008 г.
4. Шурайц А.Л. Обоснование новых технических решений по снижению
материалоемкости электрических промышленных регазификаторов сжиженного
углеводородного газа с твердотельным промежуточным теплоносителем / А.Л. Шурайц, Т.А. Усачева, М.В. Костерева // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 80-88.
5. Электротепловая аналогия и ее применение к решению задач теплообмена в
змеевиковом испарителе сжиженного углеводородного газа с твердотельным промежуточным теплоносителем / А. П. Усачев, А. В. Фролов, А. В. Рулев,
Т.А. Усачева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. № 2(24). Вып. 1. С. 128-132.
Рулев Александр Владимирович - Rulev Aleksandr Vladimirovich -
кандидат технических наук, ассистент Candidate of Technical Sciences,
кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Assistant of the Department of Саратовского государственного «Heat & Gas Supply, and Ventilation»
технического университета of Saratov State Technical University
Усачев Александр Прокофьевич - Usachyov Aleksandr Prokofyevich -
доктор технических наук, профессор Doctor of Technical Sciences,
кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Professor of the Department Саратовского государственного of «Heat & Gas Supply, and Ventilation»
технического университета of Saratov State Technical University
Шурайц Александр Лазеревич - Shurayts Aleksandr Lazerevich
доктор технических наук, профессор Doctor of Technical Sciences,
кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Professor of the Department
Саратовского государственного технического университета, генеральный директор ОАО «Гипрониигаз»
of «Heat & Gas Supply, and Ventilation» of Saratov State Technical University, General Manager of JS Co «Giproniigaz»
Усачева Татьяна Александровна -
аспирант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного
Usachyova Tatyana Aleksandrovna -
Graduate Student of the Department of «Heat & Gas Supply, and Ventilation» of Saratov State Technical University
технического университета
Статья поступила в редакцию 07.10.08, принята к опубликованию 10.12.08
