CC BY
28
В Забайкальском государственном университете также разрабатывается технология, позволяющая объединить достоинства всех вышеизложенных решений. Сезонный способ горячего водоснабжения, предложенный университетом, позволяет получать горячую воду вне зависимости от централизованного источника на протяжении всего неотопительного периода [6]. В качестве источника тепла для теплового насоса типа «вода-вода» используется теплоноситель, циркулирующий в замкнутом контуре системы отопления здания. Способ позволяет получить высокие значения коэффициента преобразования, которые свойственны водяным тепловым насосам, при минимальных затратах на внедрение, которые свойственны воздушным тепловым насосов. При этом способ обеспечивает утилизацию избыточного тепла в летний период, что характерно для зарубежных комплексных проектов теплохладоснабжения. На сегодняшний день способ проходит тестовые испытания и рассматривается возможность всесезонного использования с сохранением основных преимуществ.
В заключении стоит отметить, что внедрение тепловых насосов для компенсации нагрузки горячего водоснабжения позволит с минимальными затратами заложить основу для дальнейшего развития энергосберегающих технологий теплохладоснабжения, и даст стимул отечественным исследователям к развитию данной отрасли.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ (МК-1184-214.8).
Литература
1. Берзан В.П. Аспекты проблемы стимулирования внедрения тепловых насосов / В.П. Берзан, С.Г. Робу, М.Л. Шит // Проблемы региональной энергетики. -2011. -№ 1. -С. 91-94.
2. Филиппов С.П. Эффективность использования тепловых насосов для теплоснабжения малоэтажной застройки / С.П. Филиппов, М.Д. Дильман, М.С. Ионов // Теплоэнергетика. -2011. -№ 11. -С. 12-19.
3. Чемеков В.В. Система теплоснабжения автономного жилого дома на основе теплового насоса и ветроэлектрической установки / В.В. Чемеков, В.В. Харченко // Теплоэнергетика. -2013. -№ 3. -С. 58.
4. Филиппов С.П. Перспективы применения воздушных тепловых насосов для теплоснабжения жилых зданий в различных климатических условиях / С.П. Филиппов, М.С. Ионов, М.Д. Дильман // Теплоэнергетика. -2012. -№ 11. -С. 11.
5. Николаев Ю.Е. Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ / Ю.Е. Николаев, А.Ю. Бакшеев // Промышленная энергетика. -2007. -№ 9. -С. 14-17.
6. Батухтин А.Г. Повышение эффективности современных систем теплоснабжения / А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, М.В. Кобылкин, А.В. Миткус. // Вестник Забайкальского государственного университета. -2013. -№ 09. С. 112-120.
Кондратюк В. А.1, Терех А. М.2, Руденко А. И.3, Гайдаренко В. С.4
1 Младший научный сотрудник, 2кандидат технических наук, старший научный сотрудник, 3кандидат технических наук, доцент, 4студент, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТВЛЕНИЕ МАЛОРЯДНЫХ ПАКЕТОВ ПЛОСКООВАЛЬНЫХ
ТРУБ
Аннотация
Приведены результаты экспериментальных исследований теплообмена и аэродинамического сопротивления малорядных шахматных пакетов плоскоовальных труб в диапазоне изменения чисел Рейнольдса от 3000 до 30000. Полученные данные показали увеличение интесивности теплообмена при переходе от первого ко второму - третьему рядам пакета, что можно обьяснить ростом степени турбулентности потока по мере продвижения его вглубь пучка. Аэродинамическое сопротивление пакетов увеличивается по мере возрастания количества поперечных рядов труб. Получены зависимости для расчета поправок, учитывающих влияние числа поперечных рядов труб в пакете на его теплообмен и аеродинамическое сопротивление.
Ключевые слова: плоскоовальная труба, пакет, малорядный, теплообмен, аэродинамическое сопротивление, расчет, поправка.
Kondratyuk V. A.1 , Terekh A. M.2, Rudenko A. I.3, Gaydarenko V. S.4
'Junior researcher, 2PhD in Technical sciences, Senior Researcher, 3PhD in Technical sciences, associate professor, 4student, National
technical university of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute"
HEAT TRASFER OF SINGLE FLAT OVAL TUDES IN CROSS FLOW
Abstract
Results of experimental researches of heat exchange and aerodynamic resistance few row bundles chess packages flat oval tubes in a range of variation of numbers of Reynolds from 3000 up to 30000. Obtained data are resulted have shown an increase intensity heat exchange at transition from the first in the second - to the third numbers of a package that it is possible to explain growth of a degree of turbulence of a stream in process of its promotion deep into a bunch. Aerodynamic resistance ofpackages increases in process of increase of quantity of cross-section numbers of tubes. Dependences for calculation of the corrections considering influence of number of cross-section numbers of pipes in a package on its heat exchange and aerodynamic resistance are received.
Keywords: flat-oval tube, bundles, few row, heat transfer, aerodynamic drag, calculation, amendment.
1. Введение
Малорядные пакеты труб применяют в калориферах для лесосушильных камер, предварительного подогрева воздуха в котлах, в системах вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления общественных зданий и промышленных предприятий. Число поперечных рядов труб z2 по направлению движения потока в таких устройствах обычно составляет z2 = (2-5).
Отсутствие рекомендаций по определению влияния количества поперечных рядов труб на теплообмен и аэродинамическое сопротивление пакетов способствует принятию противоречивых конструкторских решений при проектировании теплообменных устройств.
В связи с этим актуальными являются вопросы создания надежных обобщенных зависимостей для расчета поправочных коэффициентов, которые учитывают влияние количества поперечных рядов труб z2 на теплообмен и аэродинамическое сопротивление пакетов из плоскоовальных труб. Неучет влияния этого фактора приводит к неоправданному занижению или завышению площади теплообменной поверхности.
В НТУУ „КПИ” проведены экспериментальные исследования по определению влияния на теплообмен и аэродинамическое сопротивление числа поперечных рядов шахматных компоновок плоскоовальных труб (рис.1) [1, 2] по методикам, которые подробно описаны в работах [3-5].
75
2. Теплообмен малорядных пакетов плоскоовальных труб
Влияние числа поперечных рядов труб на теплообмен пакетов обычно учитывается поправкой Cz в уравнении (1)
Nu = CC Rem.
z 4 (1)
Экспериментальные исследования теплообмена во входных рядах пакетов проведены путем последовательного удаления поперечных рядов многорядного пучка (z2 =6-7). Таким образом определялись значения чисел Нуссельта для 1-го, 2-х, 3-х, 4-х, 5-и, 6-и и 7-и рядных компоновок пучка. В таблице 1 приведены геометрические характеристики плоскоовальных труб и пакетов для которых проведены исследования влияния на теплообмен числа поперечных рядов труб. Значения поправки Cz вычислялись относительно средних коэффициентов теплоотдачи десятирядных пакетов.
Номер размещ. dj мм d2 мм S1 1, мм S2 2 , мм SJ d S2/ d, SJ S2
1 15 51 42.0 70 2.80 4.67 0.60
2 15 51 52.5 70 3.5 4.67 0.75
Обработка экспериментальных данных для шахматных компоновок показала увеличение интенсивности теплообмена при переходе от первого ко второму- третьему рядам пучка, что можно объяснить ростом степени турбулентности потока по мере его продвижения вглубь пучка (рис.2, 3).
Nu
гт
юо
ю
юоо
- ■ ■ - - -
1 1 1 1
■ ' 1 1 1 1 Л-
- ■ • 0-1 * - 2 —0—-3 ■ ■ ■
. , 1 1 1 1
тт
Re,
Рис.2 - Теплообмен входных рядов шахматного пакета труб № 1 (табл.1) 1 - первый ряд; 2 - второй; 3 - пятый
Рис.3 - Теплообмен входных рядов шахматного пакета труб № 2 (табл.1)
1 - первый ряд; 2 - второй; 3 - пятый
На рис. 4 представлена усредненная по экспериментальным точкам 1, 2 кривая поправки Cz от числа рядов z2 (кривая 5) для шахматных пакетов плоскоовальных труб.
76
На рис.4 для сравнения полученных результатов нанесены и кривые для шахматных (кривая 3 с S^d < 3, кривая 4 S^d > 3 ) пакетов круглых труб [5]. Значения Cz в этих случаях при увеличении z2 растут, как и для пакетов плоскоовальных труб, однако входные ряды круглых труб имеют более сильное влияние на интенсивность теплообмена, а значения Cz для шахматных пакетов круглых труб изменяется от 0.62 до 1 при изменении z2 от 1 до 10 для S^d <3 и от 0.8 до 1 для S^d > 3. Такая достаточно большая разница в кривизне кривых 3 и 4 можно объяснить тем, что для шахматных пакетов с S^d > 3 стабилизация течения и теплообмена происходит значительно быстрее, чем для пакетов с S^d < 3.
Рис.4 - Зависимость поправки Cz от числа поперечных рядов труб z2 1 - шахматный пакет плоскоовальных труб №1; 2 - шахматный пакет плоскоовальных труб №2; 3 - шахматные пакеты круглых труб при S/d<3 [5]; 4 - шахматные пакеты круглых труб при S^d> 3 [5]; 5 - расчет по (2)
Математическое описание опытного массива данных (кривая 5, рис. 4) с точностью ±4% дает следующую зависимость для расчета поправки на малорядность шахматных пакетов плоскоовальных труб в формуле (1)
Cz =[1.21 - 0.16 • ln (z2) + 0.016 • z2 J1
. (2)
Расчетные зависимости для поправки Cz пакетов из круглых труб имеют вид [5] при z2 < 10 и Sx/d < 3
Cz = 3.12 • z20,05 - 2,5, (3)
z2 < 10 и S\/d > 3
C = 4 • z0,02 - 3 2
^z ^ z2 (4)
Для всех рассмотренных компоновок пакетов из различных типов труб при z2 > 10 поправка Cz = 1.
3. Аэродинамическое сопротивление малорядных пакетов плоскоовальных труб
Поправка на малорядность в формуле подобия (5) представлена как функция отношения чисел Эйлера, отнесенным к одному ряду малорядного ппакета Eu0, к числам Эйлера, отнесенным также к одному ряду, но многорядного пакета (z2 > 6) для которого при последующем увеличении количества поперечных рядов труб числа Eu0 достигают своего предельного значения [3, 4]
Eu = CC Re-”. (5)
с = = f (z2)
EV z2
(6)
В таблице 1 приведены геометрические характеристики плоскоовальных труб и пакетов, для которых проведены исследования влияния на потери давления числа поперечных рядов труб.
На рис.5, 6 представлены в логарифмических координатах зависимости чисел Эйлера Eu0 от чисел Рейнольдса при изменении числа поперечных рядов шахматных пакетов плоскоовальных труб (пакета №1, № 2, табл. 1).
Рис.5 - Аэродинамическое сопротивление входных рядов пакета №1 z2=1; 2- z2=2; 3- z2=3; 4- z2=4; 5- z2=6; 6- z2=7
77
Рис.5 - Аэродинамическое сопротивление входных рядов пакета №2 z2=1; 2- z2=2; 3- z2=3; 4- z2=4; 5- z2=6; 6- z2=7
С уменьшением z2, как свидетельствуют данные на рис.5, 6 для исследованных шахматных пакетов наблюдается уменьшение чисел Эйлера. В нормативном методе [6] не приведены соотношения поправки на малорядность пакетов гладких круглых труб. Для шахматных поперечно ребристых труб наблюдается увеличение сопротивления при уменьшении числа рядов труб пакета [3, 4, 6].
C'
На рис. 7 представлены экспериментальные данные зависимости поправки z от числа рядов z2 (точки 1,2) для шахматных пакетов плоскоовальних труб.
3 - расчет по зависимости (6)
Математическое описание опытных данных с точностью ±8% дает следующую зависимость для расчета поправки на малорядность шахматных пакетов плоскоовальных труб в формуле (5)
C = 7.75 • Z0028 - 7.18
z 2
(7)
4. Выводы
• Входные ряды существенно влияют на интенсивность теплообмена и аэродинамическое сопротивление пучков. Это влияние проявляется тем больше, чем меньше число поперечных рядов труб в пучке.
• Величину поправки Cz, учитывающую влияние на теплообмен числа поперечных рядов плоскоовальных труб для шахматной компоновки предлагается определять по формуле (2).
C
• Величину поправки z , учитывающую влияние на сопротивление числа поперечных рядов плоскоовальных труб для шахматной компоновки предлагается определять по зависимости (7).
Литература
1. Письменный Е. Н., Кондратюк В. А., Жукова Ю. В., Терех А. М. Конвективный теплообмен поперечно-омываемых шахматных пакетов плоскоовальных труб// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - №23/8 (50). - С. 4-8.
2. Кондратюк В. А., Туз В. Е., Терех А. М., Жукова Ю. В., Мейрис А. Ж. Аэродинамическое сопротивление поперечноомываемых шахматных пакетов плоско-овальных труб//Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - №3/8 (57). - С. 39-42.
3. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечно оребренных труб / В.Ф. Юдин. - Л.: Машиностроение, 1982. - 189 с.
4. Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб / Е. Н. Письменный. - Киев: Альтерпрес.- 2004.- 244 с.
78
5. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). Издание 3-е, переработанное и дополненное. - СПб: НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.
6. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод). Изд. 3, под редакцией С.И. Мочана - Л.: Энергия, 1977. - 256 с.
Громаков Е.И.1, Кравчук Д.Е2, Лиепиньш А.В.3,
'Доцент кафедры УК ТГУ; 2студент каф ТХНГ, ТПУ; 3доцент кафедры ИКСУ ТПУ МНОГОКОНТУРНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ В МАГИСТРАЛЬНОМ НЕФТЕПРОВОДЕ
Аннотация
Целью данной работы является совершенствование системы автоматического регулирования давления (САРД) в магистральном нефтепроводе. Ее объектом управления (ОУ) является подача нефти в магистральном нефтепроводе. САРД обеспечивает поддержание постоянства давления в магистральном нефтепроводе в процессе его эксплуатации. Для регулирования давления при транспортирования нефти предлагается использовать продвинутую (advanced) двухконтурную автоматическую систему регулирования, включающую в себя частотно-регулируемых насос и дроссельную задвижку на его выходе.
Ключевые слова: система автоматического регулирования давления, магистральный нефтепровод, автоматические системы, частотно-регулируемый насос, дроссельная задвижка
Gromakov E.I.1 Kravchuk D.E2 Liepinsh A.V.3
'Assistant professor of management quality, Tomsk State University; 2Student of Tomsk Polytechnic University;
^Assistant professor of integrated computer control systems, Tomsk Polytechnic University;
MULTILOOP CONTROL OF PRESSURE OF MAIN OIL PIPELINE
Abstract
The purpose of this work is to improve the system of automatic pressure control in the main oil pipeline. Its object of is to control the oil in the pipeline. The pipeline pressure control system provides maintenance to stabilize pressure in the main oil pipeline in its operation. For pressure regulation of oil transportation it is offered to use double output automatic system including two control loops pump control variable with frequency drive and a throttle-valve.
Keywords: system of automatic pressure control, the main oil pipeline, automatic systems, pump control variable with frequency, throttle-valve
Магистральные насосные агрегаты (МНА) представляют собой сложные технические сооружения и играют ключевую роль в трубопроводном транспортировании нефти. Одни из них предназначены для подачи нефти из подпорных насосов в магистральный нефтепровод, другие служат для восполнения энергетических потерь в магистральном нефтепроводе, а также для обеспечения гидродинамического разделения магистралей на заданные проектом участки с целью облегчения перекачки и локализации гидроударных эффектов в магистральном нефтепроводе [6].
Целью данной работы является совершенствование системы автоматического регулирования давления (САРД) в магистральном нефтепроводе. Ее объектом управления (ОУ) является подача нефти в магистральном нефтепроводе. Примем для определенности вариант функционирования насосов - «из насоса в насос».
Для решения задачи автоматического регулирования давления применяются следующие основные способы: регулирование скорости вращения насосов, дросселирование магистрального нефтепровода и байпасная перекачка нефти. В любом из этих способов насос формирует основные параметры нефтяного потока - подачу нефти Q и напор H в трубе.
Для обеспечения необходимого эксплуатационного режима работы магистральные насосные станции (МНС) включают в себя последовательно соединенные насосы, управляемые частотно регулируемым электроприводом с высоким потреблением электрической энергии [1-5]. Мощность, потребляемая насосом, зависит от объемов подачи нефти по нефтепроводу Q и установленного в нем проектной величины напора H :
р = QHgp
н ЛнасПэлПпч ,
где g и Р - соответственно ускорение свободного падения и плотность нефти;
1нас, 1эл , 1пч - к.п.д. насоса, устройств электрического питания, преобразователя частоты; и может достигать мегаватт потребления электрической энергии.
Поэтому актуальным является решение задачи снижения ее потребления [6, 7].
Центральной проблемой является поддержание постоянства давления в магистральном нефтепроводе в процессе его эксплуатации.
Неустановившиеся течения жидкости в магистральных нефтепроводах вызываются рядом причин, к числу которых относятся нарушения технологического процесса приема нефти от промысла, пуск и остановка одного или нескольких насосных агрегатов на МНС, резкое открытие или закрытие задвижек, включение и отключение сброса и подкачки нефти по трассе нефтепровода, срабатывание автоматической системы защиты и др.
Это может вызвать, опасные, часто резкие колебания давления и расхода перекачиваемой нефти, создающие в магистральном нефтепроводе аварийные ситуации: нарушение герметичности трубопровода, разрушение технологического оборудования.
Проблема иногда усугубляется поступлением и движением в трубопроводе разносортных нефтепродуктов. При этом характер изменения параметров ОУ, при прочих равных условиях, зависит не только от свойств этих сортов нефти, но и от порядка их следования и местонахождения насосной станции относительно источника возмущения-границы раздела нефтепродуктопроводов.
Для регулирования давления при таких условиях транспортирования нефти стремятся использовать продвинутые (advanced) автоматические системы регулирования с самонастройкой, прогнозированием и упреждением, в основе алгоритмов которых устанавливаются модели объекта управления.
Однако из-за непрерывного изменения факторов, влияющих на величину давления, применение таких алгоритмов оказывается затрудненным, так как перенастройка параметров регулятора может просто не успевать за изменениями давления в трубопроводе или быть недостаточно корректной.
Как правило, САРД реализуется в виде контуров с обратной связью по измеренным значениям давления (рис.1).
79
