CC BY
34
УДК 621.1
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМАХ СМАЗКИ
НАСОСНО-СИЛОВЫХ АГРЕГАТОВ
Хайбуллина А.И., ассистент Ильин В.К., д-р техн. наук, профессор
ФГБОУ ВО "КГЭУ"
Контакты: ЬауЬиШпа.87(а)таИ.ги.
В статье предложена модернизированная схема системы смазки и охлаждения подшипников насосно-силовых агрегатов нефтеперекачивающей станции (НПС) путем применения устройств для создания пульсаций теплоносителей в маслоохладителях для повышения эффективности теплообмена. Показано, что наложение низкочастотных несимметричных пульсаций на поток масла приводит к интенсификации теплообмена до 10-30 %.
Ключевые слова: теплообмен, маслоохладитель, пульсация, низкочастотные несимметричные пульсации, коэффициент теплоотдачи, математическая модель.
Необходимость повышения эффективности маслоохладителей насосных агрегатов особенно возрастает в настоящий период, характеризующийся постоянным ростом стоимости энергоносителей, оборудования, а также повышенным вниманием к вопросам энерго- и ресурсосбережения. Маслоохладители должны не только выполнять требуемые функции по охлаждению и смазки масла в подшипниках, но и быть максимально надежными и экологически безопасными. Вопросы разработки перспективных конструкций маслоохладителей и уточнение методик их расчета являются, несомненно, актуальными как для модернизации действующих, так и для разработки новых аппаратов.
Перспективным направлением повышения тепловой эффективности маслоохладителей является интенсификация в них процессов теплообмена [1; 2]. При интенсификации теплообмена в
103
маслоохладителях на данный момент чаще применяются пассивные методы [1; 2]. Минусами пассивных методов, является то, что высота ребер, шаг навивки и т.п. выбираются для номинального режима работы теплообменника, но энергетическая эффективность интенсификаторов при режимах, отличных от номинального режима работы теплообменника, может быть отрицательна. Также применение пассивных методов приводит к увеличению гидравлического сопротивления теплообменных аппаратов и к более интенсивному загрязнению поверхности теплообмена, что является вероятней в случае высоковязких жидкостей.
Основным преимуществом активных способов интенсификации теплоотдачи является возможность настройки их в любом режиме работы теплообменника на оптимальные параметры. Одним из наиболее перспективных путей интенсификации теплообмена является создание принудительных пульсаций теплоносителей [3; 4]. Для интенсификации теплообмена в маслоохладителях проведены исследования возможности применения противоточных низкочастотных несимметричных пульсаций (ПННП), (под против о-точными пульсациями понимаются такие пульсации, при которых теплоноситель меняет свое направления, т.е. совершается возвратно поступательное движение в пучке труб теплообменника). Далее приведен расчет пульсационной системы и эффективности теплообмена в маслоохладителе типа МБ-63-90.
На рис. 1 показана модернизированная схема системы смазки и охлаждения подшипников насосно-силовых агрегатов нефтеперекачивающей станции (НПС) оснащенная устройством для генераций пульсаций потока [5^-7] масла в маслоохладителе МБ-63-90. На выходном трубопроводе маслоохладителя 5 устанавливается пульсационная камера (ПК) 9, на входном - гидроаккумулятор (ГА) 8. Генератор пневматических импульсов 10 соединен с ПК маслоохладителя. Для гашения импульсов в системе смазки воз-
104
никающих от пульсаций на выходном коллекторе маслоохладителя установлен ГА 8.
Рис. 1. Модернизированная схема системы смазки и охлаждения подшипников насос-но-силовых агрегатов нефтеперекачивающей станции (НПС) оснащенная устройством для генераций пульсаций потока масла в маслоохладителе МБ-63-90: 1-насос; 2-масляный бак; 3-основной насос; 4-фильтр; 5-маслоохладитель типа МБ-63-90; 6-емкость; 7-аккумулирующий бак; 8-ГА; 9-ПК; 10-пульсатор
При работе пульсационной системы генератор пневматических импульсов на заданный период времени подает давление в пульсационную камеру маслоохладителя. При этом газовая подушка пульсационной камеры сжимается и передает энергию сжатия воздуха потоку масла, в результате чего масло в межтрубном пространстве пучка труб маслоохладителя меняет свое направление и начинает заполнять гидроаккумулятор, который служит для осуществления обратного хода теплоносителя и аккумулирования гидравлической энергии жидкости. Далее следует период времени, когда подача импульса прекращается, в этот период происходит сброс давления из пульсационной камеры, а энергия жидкости, накопленная в гидроаккумуляторе, воздействует, на поток масла межтрубного пространства маслоохладителя ускоряя его течение.
105
Режим пульсаций в межтрубном пространстве теплообменника характеризуется частотой/Гц и амплитудой пульсаций А м.
Частота пульсации/рассчитывается следующим образом
1 (1)
1 V
где каждый период пульсации Тп, с состоит из двух полупериодов
тп = ти + Тс. (2)
Здесь полупериод подачи импульса в ПК Тй = 0,5 с постоянная величина, полупериод сброса давления из ПК Гс, задается в зависимости от необходимой / .
Амплитуда пульсаций А представляет собой смещение теплоносителя в пучке труб за время Ги в обратном направлении (рис. 2)
А = х\-х2 (3)
"Го о д_ _
х, м /"""Ч / стационарный
V___) Ч^^ч^У^ поток
О ПГЗ"
Рис. 2. Условная схема пучка труб
Для расчёта технических параметров пульсационной системы при заданных режимах пульсаций использовалась пневмо-гидравлическая модель системы пульсатор-теплообменник (рис. 3). Данная модель позволяет рассчитывать изменения уровней г во времени в ПК, ГА, а также изменения объемных расходов
106
V и давлений Н в ее узлах при ПННП. Для нахождения г, V и Н была составлена дифференциально-алгебраическая система уравнений, состоящая из алгебраических уравнений материального баланса и обыкновенных дифференциальных уравнений Бернулли. Полученная система уравнений решалась итерационным методом Ньютона [8]
t
(1)
Z1
(2)
<
з 1
дЛтч (4) J.T
(5)
(6)
чх—►
Рис. 3. Принципиальная пневмогидравлическая схема системы для создания пульсаций: 1 - ГА; 2,4- трубопроводы; 3 - теплообменник; 5 - ПК; 6 - кран
На рис. 4 приведена зависимость необходимого давления в пульсационной камере от расхода масла, при /= 0,5 Гц и безразмерной амплитуды относительно диаметра D, м трубки пучка AID = 3, при этом технические параметры пульсационной системы сведены в табл. 1.
Р. атм
20
V, мЗ/ч
40
60
80
100
120
Рис. 4. Зависимость давления в пульсационной камере от расхода масла при/=0,5 Гц, AID = 3
107
Таблица 1
Технические параметры пульсационной системы
Обозначение Объем, л Рабочее Ду, мм
на рис. 1 давление, МПа
Пульсационная камера 2 2 1,6 100
Гидроаккумулятор 3 30 1,6 300
Гидроаккумулятор 5 12 1,6 -
Пульсационная система: 4
клапан - - 1,6 15
ресивер - 24 1,6 -
Для оценки теплообмена в маслоохладителе в новых условиях было произведено моделирование гидродинамики и теплообмена в пучке труб при ПННП [9]. На рис. 5 представлена расчетная область модели с граничными условиями. Геометрические параметры пучка соответствуют пучку маслоохладителя МБ-63-90. Трубки расположены в шахматном порядке по вершинам равностороннего треугольника. Относительный продольный шаг трубок =0,625 , относительный поперечный шаг 82Ю = 2,16, диаметр трубки Б =0,016, м.
Рис. 5. Расчетная область модели
Течение несжимаемой жидкости описывалось системой уравнений Навье-Стокса осредненных по методу Рейнольдса с
108
применением теории турбулентной вязкости предложенной Ж. Буссинеском и уравнением несжимаемости
дрЩ дри^щ д +— дх.
дх] дх
(ц + ц,)
дх 7- ск,-ч У '
8II ;
Ох; )
] = О'
(4)
(5)
где И], Му-компоненты осредненной скорости; р— плотность жидкости;
- динамическая вязкость; р — давление; Щ - турбулентная вязкость; (/=1,27=1,2).
Теплоперенос описывается уравнением конвективного теплообмена (Фурье-Кирхгофа)
- д -рТ+—(рщТ) 1/1
д_
дх,-
дТ
дх!
(6)
где - теплоемкость жидкости; ^ = турбулентная теп-
Рг,
лопроводность; Рг? = 0,85 - турбулентное число Прандтля;
Т— температура.
В качестве модели турбулентности была выбрана модель Спаларта-Аллмараса (8ра1аг1-А11тага8, БА) с включенной поправкой на кривизну линии тока. В данной модели дополнительно к (4) решается уравнение переноса для величины V , которая совпадает с турбулентной вязкостью всюду, кроме пристеночных областей.
109
ару | Ф и у у _ д
dt dxj dxj
f ~ ^
p(v + v) dv
a v dxjj
Chop dv dv
Oy OTy OXj
где Ру —скорость генерации турбулентной вязкости, а £у~ скорость её диссипации, С-Ь2 = 0,622 , Оу = 2 / 3- модельные константы.
При стационарном течении на входе в пучок задавалась постоянная скорость масла г/м соответствующая необходимым числам Рейнольдса Ле
Re = ^—, (8)
v
где V - кинематическая вязкость масла, м~/с.
При наложении ПННП на поток масла в пучке на входе задавался профиль скорости (рис. 6) соответствующий необходимым A/D, /, Re. Профиль скорости рассчитывался с помощью пневмо-гидравлической модели системы пульсатор-теплообменник (см. рис.3) . Решение системы уравнений (4-7) выполнено с помощью программного обеспечения Ansys Fluent 14.0. Для повышения точности вычислений расчетная сетка состояла из 64856 контрольных объемов со средним размером 2x10"4 м из условия для безразмерной координаты в пограничном слое у+ = 1.
110
нм, м/с
—Re= ■100
—•—Re= =500
Re= =300
Re= = 100
Рис. 6. Профили скоростей при частоте пульсаций/=0,5 Гц, AID =3, числа Re соответствуют диапазону расходов Г-[16; 112] м3/ч
Интенсивность теплообмена в стационарном течении и при ПННП оценивалась числами Нуссельта
Nu =
где а - коэффициент теплоотдачи, образом
аР X ' Вт м2-К
(9)
определялся следующим
Ч
а = -—AT
(10)
Здесь ц- количество тепла, Вт/м" осреднялось по поверхности стенки центрального цилиндра в пучке; АТ = Тм—Тст-
температурный напор, К, где Тм- температура потока масла ос-
реднялась по области вокруг центральной трубки. При нестацио-
111
нарном режиме величины q и Тш осреднялись за период пульсаций Тп при достижении квазистационарного решения.
Полученные значения Nu при стационарном течении сравнивались с известными данными [10], при этом отличие значений Nu составило не более 20%.
На рис. 7. приведено сравнение чисел Nu со стороны масла при стационарном течении и при наложении пульсаций на поток масла при У=0,5 Гц, AID =3 от чисел Re. Видно, что при наложении пульсаций на поток масла происходит увеличение теплоотдачи во всем диапазоне чисел Re.
Nu
160 -
120 80 40
о I-lRc
0 200 400 600 800
Рис. 7. Зависимость теплоотдачи от чисел Re при Pr=294: 1 - стационарное течение; 2
-при/=0,5 Гц,ЖО =3
Проведенные исследования показывают, что низкочастотные несимметричные пульсации могут быть применены для интенсификации теплообмена со стороны масла в маслоохладителях типа МБ-63-90.
При наложении на поток масла низкочастотных несимметричных пульсаций /=0,5 Гц и AID = 3 увеличение теплоотдачи для диапазона чисел Re < 700 в среднем составило 18%. Максималь-
112
ное увеличение теплоотдачи в 31% зафиксировано при числах Re = 100, минимальное в 10% при Re = 700.
Ниже представлено уравнение кривой 2 на рис. 8.
Nu = 8,99 • Re0"41, (R2 = 0,983). (11)
Уравнение (11) справедливо для диапазона чисел 100 < Re < < 700, при Ргм=294,/=0,5 Гц, AID =3.
Таким образом, применение пульсационного метода для интенсификации теплообмена в маслоохладителях позволяет увеличить теплоотдачу на 10-30%, также может повысить стабильность системы маслоснабжения насосных агрегатов. При этом во время плановых остановов и ремонтов устройства для генерации пульсаций могут быть использованы для очистки межтрубного пространства маслоохладителей от загрязнений, в т.ч. с использованием реагентов. Кроме того, периодические пульсационные циклы также могут быть использованы для профилактики межтрубного пространства от застойных явлений (образование устойчивых загрязняющих пленок, отстаивание шлама в тупиковых областях межтрубного пространства и т.п.).
Источники
1. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Олимпиев В.В., Щелчков A.B., Каськов С.И. Теплогид-равлпческая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена: монография / под общ. ред. Ю.Ф.Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 531 с.
2. Лаптев А.Г., Николаев H.A., Башаров М.М. Методы интенсификации и моделирования тепломассообменных процессов. Учебно-справочное пособие. М.: «Теплотехник», 2011, 335 с.
3. Молочников В.М., Михеев Н.И., Михеев А.Н. Поперечное обтекание и теплообмен цилиндра в пульсирующем потоке // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках, тезисы докладов, пятая международная конференция. Санкт-Петербург, 2015, С. 217-218.
113
4. Мусаева Д.А., Гурьянов А.И., Сннявнн А.А. Исследование влияния низкочастотных пульсаций потока жидкости на процессы теплообмена при поперечном обтекании коридорного пучка труб // Х-ая Международная научная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Украина, г. Алушта: Институт теплофизики. С. 183-186.
5. Патент на полезную модель № 146381 Российская Федерация, МПК F28F13/10. Устройство для создания пульсаций теплоносителей в теплообменных аппаратах// Хай-буллина А.И. Хайруллин А.Р., Синявин А.А., Ильин В.К.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» -№2014123226/06; заявл. 06.06.2014; опубл. 10.10.2014, Бюл. № 28.
6. Патент на полезную модель № 146722 Российская Федерация, МПК F28F13/10. Устройство для создания пульсаций теплоносителей в теплообменных аппаратах// Хай-буллина А.И. Хайруллин А.Р., Синявин А.А., Ильин В.К.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» -№2014123223/06; заявл. 06.06.2014; опубл. 20.10.2014, Бюл. № 29.
7. Патент на полезную модель № 147387 Российская Федерация, МПК F28F13/10. Устройство для создания пульсаций теплоносителей в теплообменных аппаратах// Хай-буллина А.И. Хайруллин А.Р., Синявин А.А., Ильин В.К.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» -№2014123224/06; заявл. 06.06.2014; опубл. 10.11.2014, Бюл. № 31.
8. Гагоск, Bruce Е. Hydraulics of pipeline systems / Bruce E. Гагоск, Roland W. Jeppson, Gary Z. Watters. 1940, 533 p.
9. Хайбуллина А.П., Ильин В.К. Интенсификация теплоотдачи в пучке труб при их поперечном обтекании потоком с противоточными низкочастотными несимметричными пульсациями//Вестник МЭИ, 2016 г., № 4, С. 116-121.
10. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты ТЭС // М.: Энергоатомиз-дат-1988.288 с.
IMPROVING THE HEAT TRANSFER EFFICIENCY IN LUBRICATION SYSTEMS
OF PUMP-POWER UNITS Khaibullina A.I., Ilin V.K.
This paper provide improved lubrication and cooling system of pump-power units in oil transfer station (OTS) by using flow pulsation in oil coolers for Improving the heat transfer efficiency. It is show, that applying low-frequency asymmetrical oil flow pulsations give heat transfer enhancement up to 10-30 %.
Keywords: heat transfer, oil cooler, pulsation, low-frequency asymmetrical impulses, the heat transfer coefficient, mathematical model.
Дата поступления 15.08.2016.
114
