CC BY
11Устойчивость течения
при газификации жидких сред
■
В.А. Шишков, начальник технического отдела ООО «Палладио», г. Тольятти, академик РАЕ, д.т.н.
Цель исследования: повышение эффективности работы и устойчивости течения теплоносителя в парогенерирующем канале в энергетических машинах и установках. Разработаны конструкции теплообменных аппаратов и систем для газификации жидких сред, в том числе и криогенных, имеющие высокие показатели по устойчивой работе в широком диапазоне режимных параметров. За счет оптимального соотношения площадей проходных сечений парогенерирующих каналов, входных и выходных шайб, а также теплопередающих поверхностей повышена устойчивость течения в парогенерирующих каналах, кроме этого, снижена вероятность образования стержневого течения в каналах. За счет оптимизации площади теплопередачи парогенери-рующих каналов различной протяженности уменьшена их длина, а значит и линейные габариты всего теплообменника, а также повышена эффективность теплопередачи. За счет подвода охлаждающей среды и при отключении подачи рабочего продукта в парогенерирующие каналы повышена надежность конструкции теплообменника-парогенератора на всех режимах работы энергетической установки.
__Ключевые слова:
парогенерирующий канал, теплообменник, гидравлическое сопротивление, устойчивость течения.
настоящее время как в энергетическом машиностроении, так и при использовании криогенных видов топлива возникает проблема с устойчивостью его течения в системе топливоподачи, связанная с изменением фазового состояния.
В известных устройствах для повышения устойчивости системы используют дополнительные гидравлические сопротивления по длине трубопровода па-рогененирующего канала [1]. Недостатки этого способа в том, что он трудоемок в осуществлении из-за необходимости проведения значительного количества экспериментальных работ по определению места постановки гидравлического сопротивления для обеспечения устойчивости системы, а также в том, что не всегда можно добиться устойчивости течения теплоносителя без дополнительных мероприятий, например, увеличения гидравлического сопротивления на входе в парогенерирующий канал. В аналогичном устройстве [2] для повышения устойчивости системы применяют способ локализации процесса испарения жидкого продукта между двумя гидравлическими сопротивлениями. Недостаток способа в том, что не всегда возможно обеспечение устойчивости системы без значительного увеличения гидравлического сопротивления на входе и выходе парогенерирующе-го канала, что требует дополнительной мощности на прокачку рабочего продукта через этот канал.
Задача данного исследования: повышение эффективности работы и устойчивости течения теплоносителя в парогенерирующем канале.
На рис. 1 представлена схема парогенератора с каналами различной длины и разными площадями дроссельных шайб на входе и выходе [3]. 69
Площади проходных сечений входных шайб 2...5 парогенерирующих каналов большей длины превышают те, что у парогенерирующих каналов меньшей длины, то есть Р5>Р4>Р3>Р2. Площади проходных сечений выходных шайб 10.13 для парогенерирующих каналов большей длины также превышают те, что у парогенерирующих каналов меньшей длины, то есть Р13>Р12>Р11>Р10. Рабочий продукт поступает из входного коллектора 1 через шайбы 2.5 (см. рис. 1) в соответствующие па-рогенерирующие каналы 6.9 различной длины с одинаковой площадью проходного сечения, где испаряется за счет подводимой через его стенки внешней теплоты Q. Далее через выходные шайбы 10.13 газовая фаза рабочего продукта выходит в смесительный коллектор 14. Отношение площадей Fш¡/Fшj проходного сечения шайб 2...5 на входе в парогенерирующие каналы 6...9 прямо пропорционально отношению площадей FQ¡ / FQj теплопередающих поверхностей этих же каналов, или, например, диаметр шайбы 2 на входе в один из парогенерирующих каналов в зависимости от диаметра шайбы 3 на входе в другой канал прямо пропорционален корню квадратному из отношения длин этих парогенерирующих каналов:
-0,5
где и Ь, соответственно длина i и. парогенерирующих каналов.
й . = й . (Ь. / Ь)
ш . ш. V . ]'
Рис. 1. Парогенератор с каналами различной длины и разными площадями дроссельных шайб на входе и выходе:
1 - входной коллектор; 2...5 - дроссельные шайбы; 6...9 - парогенерирующие каналы; 10...13 - дросселирующие шайбы; 14 - выходной коллектор
Расход рабочего тела на входе, например, в парогенерирующий канал 6 пропорционален площади проходного сечения шайбы 2 на его входе: О. = pWFш .. Из-за того, что площадь проходных сечений дросселирующих шайб 3...5 для парогенерирующих каналов 7...9 большей длины превышает ту, что у парогенерирующего канала 6 меньшей длины, и прямо пропорциональна отношению соответствующей
70
площади теплопередающей поверхности парогенерирующих каналов 7...9 большей длины к соответствующей площади теплопередающей поверхности парогенерирующих каналов 6...8 меньшей длины, количество теплоты, подводимой к единице расхода рабочего тела в парогенерирующих каналах 6...9 различной длины, будет примерно одинаковым. Идентичное количество подводимой теплоты к рабочему телу в парогенераторе, во-первых, снизит пульсацион-ную составляющую давления и расхода рабочего тела в параллельных парогене-рирующих каналах 6... 9 различной длины, во-вторых, исключит вероятность образования стержневого режима течения рабочего продукта в коротких парогенерирующих каналах 6...8, при котором жидкая фаза рабочего продукта достигает соответствующих шайб 10...12 на выходе из парогенерирующих каналов 6...8, что в свою очередь приводит к возрастанию гидравлического сопротивления на его выходе, а значит и к неустойчивости работы парогенератора.
На рис. 2 представлена схема парогенератора с каналами различной длины и различного диаметра проходного сечения, у которого площади проходных сечений шайб на входе одинаковы для всех парогенерирующих каналов [3].
Рис. 2. Парогенератор с каналами различной длины и различного диаметра проходного сечения, у которого площади проходных сечений шайб на входе одинаковы для всех каналов:
1 - входной коллектор; 2...5 - дроссельные шайбы; 6...9 - парогенерирующие каналы разной площади проходного сечения; 10...13 - дросселирующие шайбы; 14 - выходной коллектор
Площади проходных сечений парогенерирующих каналов большей длины меньше, чем для парогенерирующих каналов меньшей длины, то есть Р6>Р7>Р8>Р9. Площади проходных сечений входных шайб 2...5 для всех парогенерирующих каналов одинаковы, то есть Р5=Р4=Р3=Р2. Площади проходных сечений выходных шайб 10...13 для всех парогенерирующих каналов одинаковы, то есть Р13=Р12=Р11=Р10. При этом теплопередающие площади всех парогенерирующих каналов 6...9 одинаковы, то есть Реб=Ре7=Ре8=Ре9. Рабочий продукт поступает
11
12 13
4
5
из входного коллектора 1 через шайбы 2...5, имеющие одинаковое проходное сечение (см. рис. 2), в парогенерирующие каналы 6...9 различной длины парогенератора, где испаряется за счет подводимой через его стенки внешней теплоты Q, а далее через выходные шайбы 10...13 газовая фаза рабочего продукта выходит 71
в смесительный коллектор 14.
Площади проходного сечения парогенерирующих каналов 7... 9 большей длины меньше площади проходного сечения парогенерирующего канала 6 меньшей длины: F9<F8<F7<F6, при этом площади теплопередающих поверхностей этих парогенерирующих каналов одинаковы: FQ5=FQ4=FQ3=FQ2, или диаметр паро-генерирующего канала . большей длины Ь. в зависимости от диаметра пароге-нерирующего канала . меньшей длины Ь. обратно пропорционален отношению длин этих каналов: йк.=йк. (Ь. /Ь). Через входные шайбы 2...5, имеющие одинаковое проходное сечение, в парогенерирующие каналы 6... 9 поступает одинаковый расход рабочего продукта. Из-за того, что площадь поперечного сечения паро-генерирующих каналов большей длины меньше, чем парогенерирующих каналов меньшей длины, а площади теплопередающей поверхности парогенерирую-щих каналов 6...9 одинаковы, то подвод теплоты к рабочему продукту во всех парогенерирующих каналах различной длины примерно одинаков. Это позволяет, во-первых, уравнять линейное гидравлическое сопротивление парогенериру-ющих каналов всех длин, что снижает пульсационные составляющие давления и расхода рабочего продукта в различных парогенерирующих каналах 6...9 парогенератора, во-вторых, исключить вероятность образования стержневого режима течения рабочего продукта в коротких парогенерирующих каналах 6...8, при котором жидкая фаза рабочего продукта может достигать шайб 10...12 на выходе из парогенерирующих каналов 6, 7 или 8, что в свою очередь приводит к возрастанию гидравлического сопротивления на их выходе, а значит и к неустойчивости работы парогенератора.
Устройство (см. рис. 1 и 2) в дополнение может содержать входные 2...5 и выходные 10...13 шайбы с одинаковым отношением соответствующих площадей проходных сечений этих шайб, то есть F5 / F13 = F4 / Fn = F3 / F11 = F2 / Одинаковое отношение площадей проходных сечений входных шайб к соответствующим площадям проходных сечений выходных шайб для длинных 8, 9 и коротких 6, 7 парогенерирующих каналов позволяет оптимально подводить жидкую фазу рабочего продукта к каждому из парогенерирующих каналов, а также оптимально отводить из них газовую фазу рабочего продукта. Это позволяет уменьшить пульсацию давления рабочего продукта в парогенерирующих каналах различной длины.
Устройство (см. рис. 1 и 2) может содержать все парогенерирующие каналы 6...9 (с соответствующими им шайбами) равного гидравлического сопротивления, то есть:
ДР2 + ДР6 + ДР10 = ДР3 + ДР7 + ДРП = ДР4 + ДР8 + ДР12 = ДР5 + ДР9 + ДР13.
Гидравлическое сопротивление каждого из парогенерирующих каналов 6...9 парогенератора вместе с соответствующими входными 2...5 и выходными 10...13 шайбами одинаково для всех парогенерирующих каналов. Одинаковое гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов позволяет иметь расход рабочего продукта пропорциональный количеству подводимой через стенку парогене-рирующих каналов теплоты Q, что снижает пульсации плотности рабочего продукта в парогенерирующих каналах 6...9, а значит повышает устойчивость работы парогенератора.
На рис. 3 представлена схема парогенератора с каналами различной длины.
Короткие парогенерирующие каналы имеют наружные ребра, при этом для каждого короткого парогенерирующего канала сумма теплопередающей площади ребер и теплопередающей площади парогенерирующего канала равна площади теплопередающей поверхности длинного парогенерирующего канала без ребер [3].
Рис. 3. Парогенератор с каналами различной длины, короткие парогенерирующие каналы имеют наружные ребра:
1 - входной коллектор; 2...5 - дроссельные шайбы; 6...8 - короткие парогенерирующие каналы; 15 - наружные ребра; 9 - длинный парогенерирующий канал, не имеющий наружных ребер; 10.13 - дросселирующие шайбы; 14 - выходной коллектор
Соответствующие суммы теплопередающей площади ребер 15 (рис. 3) и теплопередающей площади парогенерирующих каналов 6.8 одинаковы и равны теплопередающей площади парогенерирующего канала 9, то есть:
Рдв + ^ребра^б — + ^ребраб7 — —е8 + -^ребра^ — —е9.
Рабочий продукт поступает из входного коллектора 1 через шайбы 2.5 в парогенерирующие каналы 6.9 различной длины парогенератора, где испаряется за счет подводимой через его стенки и ребра 15 внешней теплоты б, а далее через выходные шайбы 10.13 газовая фаза рабочего продукта выходит в смесительный коллектор 14. Площади теплопередающих поверхностей парогенерирующих каналов 6.8 в сумме с теплопередающей площадью ребер и парогенерирую-щего канала 9 одинаковы, то есть:
Рдб + ^ребра^б — ^67 + ^ребраб7 — -88 + -^ребра^- ^69.
Из-за того, что площади теплопередающей поверхности вместе с ребрами 15 парогенерирующих каналов 6.8 и парогенерирующего канала 9 без ребер одинаковы, то и подвод теплоты к рабочему продукту во всех парогенерирующих каналах различной длины одинаков. Это позволяет, во-первых, уравнять линейное гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 6.9 всех длин, что снижает пульсационные составляющие давления и расхода рабочего продукта в различных парогенерирующих каналах 6.9 парогенератора, во-вторых, исключить вероятность образования стержневого режима течения рабочего продукта в коротких парогенерирующих каналах 6.8, при котором жидкая фаза рабочего
продукта может достигать шайб 10.12 на выходе из парогенерирующих каналов 6, 7 или 8, что в свою очередь приводит к возрастанию гидравлического сопротивления на их выходе, а значит и к неустойчивости работы парогенератора.
Устройство также может иметь (см. рис. 1, 2, 3) поперечное направление внешнего горячего теплоносителя Q со стороны короткого парогенерирующего канала 6 в сторону длинного парогенерирующего канала 9. При подводе внешней теплоты Q в поперечном направлении со стороны парогенерирующего канала 6 меньшей длины в сторону парогенерирующего канала 9 большей длины часть теплоты Q горячего теплоносителя затрачивается на подогрев рабочего продукта в коротких парогенерирующих каналах 6.8. Это, во-первых, позволяет уменьшить вероятность стержневого течения рабочего продукта в коротких парогенерирующих каналах 6, 7, во-вторых, снизить температуру горячего теплоносителя при его движении от короткого 6 к длинным парогенерирующим каналам 8 и 9, что в свою очередь позволяет уменьшить тепловой поток к рабочему продукту в длинных парогенерирующих каналах 8 и 9. Но из-за их большей длины и большей площади теплопередачи эффективность теплопередачи во всех парогенерирующих каналах 6.9 парогенератора примерно одинакова. Кроме этого, снижается вероятность образования стержневого режима течения во всех парогенерирующих каналах 6.9, так как при подаче горячего теплоносителя со стороны длинного парогенерирующего канала 9 в сторону короткого парогенерирующего канала 6 он охлаждается в большей степени, чем если бы его подача была в обратном направлении, и количества теплоты было бы недостаточно для испарения жидкой фазы в коротких парогенерирую-щих каналах 6 и 7.
На рис. 4 представлен поперечный разрез парогенератора, у которого на пути внешнего горячего теплоносителя установлен дефлектор, распределяющий расход горячего теплоносителя по парогенерирующим каналам прямо пропорционально площадям теплопередающих поверхностей этих каналов [3].
Рис. 4. Парогенератор с внешним отводящим дефлектором: 16 - распределяющий дефлектор
Дефлектор 16 распределяет внешний горячий теплоноситель Q со стороны длинного парогенерирующего канала 9 в сторону короткого парогенерирую-щего канала 6, причем на короткий парогенерирующий канал 6 поступает наименьшее количество внешнего горячего теплоносителя Q, то есть Q9>Q8>Q7>Q6. Дефлектор 16 позволяет распределить теплоту Q от внешнего теплоносителя в поперечном направлении к парогенерирующим каналам 6.9 различной длины пропорционально площадям их теплопередающей поверхности. Теплота, подведенная к парогенерирующим каналам различной длины пропорционально расходу рабочего тела, протекающему в них, позволяет снизить пульсации давления
ГПк \
между каналами, а также повысить эффективность теплопередачи в каждом из парогенерирующих каналов.
На рис. 5 представлен поперечный разрез парогенератора, у которого на пути внешнего горячего теплоносителя установлен направляющий дефлектор, распределяющий расход горячего теплоносителя по парогенерирующим каналам обратно пропорционально площадям теплопередающих поверхностей этих каналов [3].
Рис. 5. Парогенератор с внешним направляющим дефлектором: 17 - направляющий дефлектор
Направляющий дефлектор 17 (рис. 5) служит для поперечного распределения внешнего горячего теплоносителя Q со стороны длинного парогенерирующего канала 9 (см. рис. 1) в сторону короткого парогенерирующего канала 6 (см. рис. 1), причем на короткий парогенерирующий канал 6 поступает наибольшее количество внешнего горячего теплоносителя Q, то есть Q6>Q7>Q8>Q!).
Дефлектор 17 позволяет распределить теплоту Q от внешнего теплоносителя в поперечном направлении к парогенерирующим каналам 6.9 (см. рис. 1) различной длины обратно пропорционально площадям их теплопередающей поверхности. Теплота, подведенная к парогенерирующим каналам меньшей длины 6 и 7, будет больше, чем для парогенерирующих каналов большей длины 8 и 9. Это позволяет устранить вероятность образования стержневого режима течения в коротких парогенерирующих каналах 6.8.
На рис. 6 представлен поперечный разрез парогенератора, у которого параллельно перед дефлектором и парогенерирующими каналами на входе горячего теплоносителя установлены перфорированные теплоизолированные каналы для подачи охлаждающей среды на дефлектор и парогенерирующие каналы [3].
Рис. 6. Парогенератор с каналами для подачи охлаждающей среды: 16 - дефлектор; 18 - теплоизолированные каналы с отверстиями в направлении дефлектора и парогенерирующих каналов; С - расход охлаждающей среды; Q - горячий теплоноситель
При прекращении или снижении подачи рабочего тела в парогенерирующие каналы 6.9 (см. рис. 1), но при подаче снаружи теплоносителя Q, через перфорированные теплоизолированные каналы 18 (см. рис. 6) на наружную поверхность парогенерирующего канала 9 и на наружную поверхность дефлекторов 16 (см. рис. 6) или 17 (см. рис. 5) подают охлаждающую среду С. Это позволяет повысить надежность конструкции парогенерирующих каналов 6.9 (см. рис. 1) и дефлекторов 16 (см. рис. 6) или 17 (см. рис. 5) за счет создания пленочной завесы охлаждающей среды С (защита от прогорания стенок парогенерирую-щих каналов 6.9 и дефлекторов 16 или 17, а также их коробления под воздействием высокой наружной температуры при прекращении или снижении расхода рабочего продукта в парогенерирующих каналах 6.9). Кроме этого, за счет смешения горячего теплоносителя Q с охлаждающей средой С снижается суммарная температура среды снаружи парогенерирующих каналов 6.9 (см. рис. 1) и на поверхности дефлекторов 16 или 17.
На рис. 7 представлен поперечный разрез парогенератора, у которого перфорированные теплоизолированные каналы 18 соединены с регулятором расхода
19 охлаждающей среды, который в свою очередь соединен с блоком управления
20 [3].
Рис. 7. Парогенератор с регулируемой подачей охлаждающей среды:
16 - дефлектор; 18 - теплоизолированные каналы с отверстиями в направлении
дефлектора и парогенерирующих каналов; 19 - регулятор расхода;
20 - блок управления; С - расход охлаждающей среды; Q - горячий теплоноситель
При увеличении количества внешней подводимой теплоты Q к парогенери-рующим каналам 6.9 (см. рис. 1) и при прекращении подачи или снижении расхода рабочего продукта увеличивают расход охлаждающей среды С с помощью регулятора расхода 19, которым управляют от блока управления 20 (см. рис. 7) в зависимости от режима работы энергетической установки. Это повышает надежность конструкции парогенерирующих каналов 6.9 и дефлекторов 17 или 16 во всем диапазоне режимных параметров.
За счет оптимального соотношения площадей проходных сечений паро-генерирующих каналов, входных и выходных шайб, а также теплопередаю-щих поверхностей повышается устойчивость течения в парогенерирующих каналах, кроме этого, снижается вероятность образования стержневого течения в каналах. Благодаря оптимизации площади теплопередачи парогенерирующих каналов различной длины уменьшается их длина, а значит и линейные габариты
ГПк \
всего теплообменника, а также повышается эффективность теплопередачи. За счет подвода охлаждающей среды при отключении подачи рабочего продукта в парогенерирующие каналы повышена надежность конструкции теплообменника-76 парогенератора на всех режимах работы энергетической установки.
Таким образом, усовершенствован парогенератор, в котором изменены и оптимизированы характеристики парогенерирующего канала, входных и выходных дроссельных шайб.
_Использованные источники
1. Теплопередача в двухфазном потоке. Под ред. Д. Баттервороса и Г. Хьюитта: пер. с англ. - М.: Энергия, 1980. - 328 с.
2. Устойчивость кипящих аппаратов. И.И. Морозов, В.А. Герлига. - М.: Атомиз-дат, 1969. - С. 39.
3. Парогенератор: патент на изобретение № 2664038: МКИ6 F 22 В 1/06, F 22 D 1/12, F 28 D 7/10 / Шишков В.А.; заявитель Шишков В.А. - №2017127938/06(048128); заявл. 3.08.2017.
Лукшо Владислав Анатольевич
15 сентября 2018 г. после тяжелой болезни на 70-м году жизни скончался Лукшо Владислав Анатольевич, один из старейших сотрудников ФГУП НАМИ.
В.А. Лукшо окончил Московский автодорожный институт (МАДИ) и работал в ФГУП «НАМИ» с 1973 г. Доктор технических наук, Заслуженный машиностроитель Российской Федерации, Лукшо В.А. за время работы в институте прошел путь от инженера до начальника управления энергосберегающих технологий и альтернативных топлив. Под его руководством и при непосредственном участии было проведено множество работ по газовой тематике. Он был признанным лидером в области научных и инженерных разработок двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразных и жидких альтернативных моторных топливах, систем хранения топлива на борту автомобилей и их подачи в двигатель.
Наиболее значимые разработки, выполненные под руководством Владислава Анатольевича: создание автономных автомобильных заправщиков природным газом сельскохозяйственной техники для министерства сельского хозяйства России; разработка, испытание и подготовка к серийному производству автомобильных газовых двигателей с искровым зажиганием на базе современных и перспективных двигателей семейств ЯМЗ-530 и КАМАЗ-910; разработка битопливных силовых установок на базе двигателей семейств ЯМЗ-656 и КАМАЗ-910.
За время работы в НАМИ Владислав Анатольевич зарекомендовал себя высококвалифицированным специалистом, успешным организатором работ, способным решать любые задачи. Будучи известным ученым, он находился в постоянном научном поиске, собрав вокруг себя учеников и специалистов, создал в НАМИ научную школу по газомоторной тематике, являющейся ведущей в России.
Он был постоянным автором научных статей в журнале «Транспорт на альтернативном топливе». Коллектив Национальной газомоторной ассоциации и журнала выражают искреннее соболезнование родным, друзьям и коллегам.
