автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Повышение эффективности суперкавитационных испарителей

На правах рукописи

0055386Э& /

пьяных

Татьяна Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУПЕРКАВИТАЦИОННЫХ

ИСПАРИТЕЛЕЙ

05.14.01 - энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Красноярск - 2013

005538695

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» на кафедре Теплотехники и гидрогазодинамики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кулагин Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

Журавлёв Валентин Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор; ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности, заведующий кафедрой.

Дектерёв Александр Анатольевич, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, лаборатория физических основ энергетических технологий, старший научный сотрудник.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторско-техноло-гическое бюро «Наука» КНЦ СО РАН (Красноярск)

Защита диссертации состоится 11.12.2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета

Автореферат разослан 11 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Чупак Татьяна Михайловна

Актуальность работы обусловлена требованием совершенствования во-доподготовительных установок энергетических систем и комплексов с минимизацией их вредного воздействия на окружающую среду на базе новых наукоёмких энергоэффективных технологий преобразования энергии.

Согласно Водной стратегии России на период до 2020 года, необходимо обеспечить комплексное решение проблем, связанных с нерациональным использованием водных ресурсов и наличием их дефицита в отдельных регионах. Современное производство тепловой и электрической энергии сопровождается потреблением значительного количества пресной воды из природных источников, содержащих различные примеси, и сбросом больших объёмов сточных вод. По данным ОАО РАО «ЕЭС России» на долю предприятий электроэнергетики приходится около 70 % общего использования воды в промышленных целях, основная часть которой (около 90 %) сбрасывается в поверхностные водоёмы в виде сточных вод, в том числе 4 % загрязненных. В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года гарантированное удовлетворение внутреннего спроса на энергоресурсы должно быть обеспечено с учётом последовательного ограничения нагрузки топливно-энергетического комплекса на окружающую среду.

Количество сточных вод напрямую зависит от применяемой технологии водоподготовки. Использование суперкавитационных испарителей (СК испарителей) для реализации процессов очистки и коррекции свойств воды благодаря их заметным экологическим преимуществам и возможности переработки с их помощью минерализованных сточных вод позволяет снизить вредное воздействие энергетических систем и комплексов на окружающую среду. Данные установки являются перспективными с точки зрения интенсивности протекающих в них процессов, компактности, значительного снижения накипи и т.п.

В этой связи требуется изучение тепломассообменных и гидродинамических процессов, происходящих в СК испарителях, с целью нахождения энергоэффективных режимов обработки воды, определения влияния кавитационно-го воздействия на физико-химические характеристики воды и др., а также совершенствование методик их расчёта на базе научных подходов, методов, алгоритмов, программ и технологий, учитывающих снижение вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

Объект исследования: СК испарители для кондиционирования свойств воды энергетических систем и комплексов.

Предмет исследования: характеристики процессов тепломассообмена, гидрогазодинамики и рабочих режимов суперкавитационных испарителей.

Целью работы является повышение эффективности суперкавитационных испарителей на базе усовершенствованной методики расчёта режимных и конструктивных параметров с учётом снижения вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

изучение и анализ существующих методов оценки технологических режимов в СК испарителях на базе феноменологических моделей процессов тепломассообмена и гидроаэромеханики преобразования энергии в энергетических системах и комплексах;

разработка математической модели процессов тепломассообмена и гидродинамики в суперкавитационных потоках жидкости с учётом пароотбора, позволяющей на этапе проектирования и в период эксплуатации исследовать элементы энергетических систем;

определение аналитических зависимостей максимального паросъёма и коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных параметров СК испарителя;

разработка методики расчёта режимных и конструктивных параметров одно- и многоступенчатых суперкавитационных испарительных установок;

проведение численного анализа режимов работы СК испарителей на базе разработанных моделей с целью выработки рекомендаций для проектирования и эксплуатации энергоэффективных промышленных процессов и установок с учётом снижения вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

Основная идея диссертации заключается в разработке: новых технологий преобразования энергии в энергетических системах и комплексах на базе эффектов кавитации, методов расчёта режимных и конструктивных параметров СК испарителей на основе результатов многопараметрического исследования тепломассообменных и гидродинамических процессов, протекающих в них. Разработанный в итоге программный инструмент представляет собой вычислительную экспериментальную установку, эффективность и экономичность которой заведомо повышает эффективность и экономичность лабораторных и промышленных исследований, обеспечивая безотказность, надёжность, гибкость, модифицируемость, простоту освоения и эксплуатации.

Методика исследований. Для моделирования рабочих процессов в СК испарителе использовалась разработанная модель двухфазного гомогенного потока. Численный анализ проводился с применением метода контрольного объёма при помощи программы АКГБУЗ СРХ.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованы математические модели тепломассообменных и гидродинамических процессов в СК испарителях, в отличие от известных, позволяющие на этапе проектирования и в период эксплуатации элементов энергетических систем комплексно оценивать влияние управляющих воздействий (концентрация примесей; степень стеснения потока; количество отбираемого из каверны пара; скорость, плотность и температура потока) на режимы обработки и обеспечивающие повышение точности расчётов характеристик процесса.

2. Установлены аналитические зависимости максимального паросъёма и коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных параметров СК испарителя, что позволяет совершенствовать технологию кондиционирования воды с целью снижения вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

3. Предложена новая методика расчёта СК испарителей, позволяющая использовать на этапе проектирования и в период эксплуатации методы математического моделирования с целью изучения структуры и параметров энергетических систем и происходящих в них тепломассообменных процессов, а также определены рациональные режимные и конструктивные параметры одно- и

многоступенчатых испарительных установок суперкавитирующего типа.

Значение для теории. Предложенные математические модели тепломас-сообменных и гидродинамических процессов в СК испарителях создают теоретическую основу для проектирования и разработки энергоэффективных технологий и оборудования энергетических систем и комплексов.

Значение для практики. За счёт применения разработанных математических моделей повышается эффективность (скорость, достоверность и точность) расчётов при проектировании режимов работы СК испарителей с учётом аналитических зависимостей паросъёма и коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных характеристик установки. Данные численного анализа могут быть использованы при разработке рациональных режимов работы СК испарителей, что позволяет повысить энергоэффективность производства и уменьшить количество вредных сбросов в окружающую среду за счёт совершенствования рабочих процессов. Разработанный метод может быть использован при проектировании новых конструкций СК испарителей. Методы и подходы являются новыми в прикладной сфере и могут быть применены в других областях техники и технологии.

Использование полученных результатов. Разработанные алгоритмы и программы прошли проверку сравнением с результатами эксперимента.

Результаты диссертации использованы при выполнении проекта «Проект программы реконструкции и развития высоконапорной гидравлической лаборатории при плотине Красноярской ГЭС и формирования научного кластера «Чистая энергия Дивногорска», утверждённого Наблюдательным советом КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (Протокол № 22 от 26 июня 2012 г.) в рамках проведения конкурса научно-технических исследований, разработок, инновационных программ и проектов для обеспечения конкурентных преимуществ экономики Красноярского края в соответствии с приоритетными направлениями государственной поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности в Красноярском крае, утверждёнными постановлением Законодательного Собрания Красноярского края от 07.07.2009 № 8-3635П.

Полученные научные и практические результаты используются в Сибирском федеральном университете при подготовке студентов по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» в бакалаврских и магистерских программах «Энергетика теплотехнологии» и «Промышленная теплоэнергетика», а также в научно-исследовательской деятельности Факультета энергетики Политехнического института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». Все приводимые сведения подтверждены актами об использовании.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе базирующихся на фундаментальных уравнениях математической физики современных методов анализа процессов тепломассообмена и гидродинамики, а также согласованием результатов расчёта с экспериментальными данными в ходе апробации расчётных моделей.

Личный вклад автора. Автору принадлежат формализация поставленных задач, разработка математических моделей, проведение численных экспериментов, разработка инженерных методик, обобщение, анализ результатов. Научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на

защиту, разработаны и получены автором. Разработка и реализация общей научной идеи, формулирование основных выводов и пунктов научной новизны выполнены при участии научного руководителя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI Всероссийской конференции молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2010); Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010); VII Школе-семинаре молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2010, 2011); Международной заочной научно-практической конференции «Наука и техника XXI века» (Новосибирск,

2011); Всероссийской научной конференции «VII Всесибирский конгресс женщин-математиков (посвящается Софье Васильевне Ковалевской)» (Красноярск,

2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них: 1 учебно-методическое пособие; 4 статьи в изданиях по списку ВАК; 2 статьи в других изданиях и за рубежом; 8 работ, опубликованных в материалах всероссийских и международных конференций.

Объём и структура работы. Материалы диссертации изложены на 126 страницах основного текста, включающего 51 рисунок и 6 таблиц. Работа состоит из введения, четырёх разделов, основных выводов и рекомендаций и списка литературы из 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, поставлена цель и определены задачи исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе приведена оценка существующих методов водоподго-товки в энергетических системах и комплексах, а также рассмотрены современные возможности численного исследования тепломассообменных и гидродинамических процессов.

Процесс обессоливания воды в настоящее время осуществляется преимущественно ионообменным и мембранными методами, недостатками которых являются: экологические проблемы, связанные с образованием значительных объёмов сточных вод с большим солесодержанием; высокая себестоимость обессоленной воды, обусловленная стоимостью реагентов и мембран; трудозатраты при транспортировании химических реактивов, перезагрузке и регенерации фильтров; зависимость от поставок импортного оборудования, комплектующих и материалов.

Альтернативой ионообменному и мембранным методам выступает термическое обессоливание воды. Существенное снижение использования химических реагентов и возможность работы на минерализованных сточных водах значительно повысили интерес к этому методу водоподготовки. Однако несовершенство процессов теплообмена и испарения, накипеобразование, большие

габариты, необходимость предварительной водоподготовки и ряд других недостатков требуют совершенствования существующих и создания новых установок для обессоливания с более высокими технико-экономическими характеристиками.

В отличие от известных методов процесс испарения в аппаратах суперка-витирующего типа осуществляется за счёт создания развитого кавитационного течения при обтекании недогретой жидкостью кавитатора с последующим отбором пара из образовавшихся каверн. Высокая интенсивность тепломассообмена по сравнению с другими способами генерирования пара объясняется особенностями процесса испарения с поверхности каверны за счёт растягивающих напряжений, обусловленных силами инерции при обтекании кавитатора. При суперкавитационном испарении возникает также разность парциальных давлений водяного пара в жидкости и в каверне, что усиливает испарение с поверхности каверны.

Технологическое применение эффектов кавитации, а также описание различного оборудования отражено в работах В.М. Ивченко, В.А. Кулагина, Л.И. Мальцева, A.C. Мачинского, А.Ф. Немчина, А. Шёргера и др.

Одновременное существование граничной динамики, фазового перехода и сильного изменения плотности значительно затрудняет задачу исследования рабочих процессов суперкавитационных испарителей. Физическое моделирование кавитационных течений и воздействий основано на идеях и исследованиях Т. Биркгофа, В.М. Ивченко, В.А. Кулагина, Ю.Л. Левковского, Э. Сарантелло, В.Л. Поздюнина, Ф. Хэммита, А. Эпштейна и др. Выбор математических моделей суперкавитационных двухфазных течений и соответствующих систем уравнений в настоящей работе проводился на основе результатов теоретических исследований по гидродинамике смесей, содержащихся в трудах Г.К. Бет-челора, В.М. Ивченко, Г.В. Логвиновича, С.Г. Телетова, Y. Utturkar, P.J. Zwart, N.H. Singhai, A.G. Gerber, I. Senocak, W. Shyy и др.

Однако при проектировании технологических аппаратов для различных производств с применением гидротермодинамических эффектов кавитации и необходимости учёта специфических особенностей конкретного технологического процесса не всегда удаётся воспользоваться предложенными формулами и методами.

Результаты анализа обзора литературных источников подтверждают актуальность работы и целесообразность постановки решаемых в диссертации задач.

Во втором разделе представлена разработанная математическая модель, предложенная для исследования тепломассообменных и гидродинамических процессов, протекающих в суперкавитационном испарителе. Приведено сопоставление полученных результатов расчёта с данными лабораторного эксперимента.

Предлагаемая математическая модель наряду с уравнениями гидродинамики двухфазного потока включает уравнение сохранения энергии. Необходимость в дополнительном уравнении объясняется существенным влиянием тепломассообменных процессов на размеры и форму кавитационных полостей с увеличением температуры жидкости.

Для изотермических случаев интенсивность кавитации при течении жид-

костей определяется числом кавитации сгш = -Ркав(Гкт))/0,5р, которое включает постоянное давление насыщения при заданной температуре жидкости на входе в рабочий участок Ркт{Т„)- Для неизотермических случаев число кавитации с = (Ра -Ркае(Т))/0,5р, игкав включает давление насыщения, выраженное в виде функции от локальной температуры Ргав(г). Принимая функцию Ршш(г) в рассматриваемом интервале ДТ непрерывной и ограничиваясь двумя первыми членами ряда Тейлора, получим уравнение:

дР 2АТ

^ = АТ = Т-Твх <0. 1

дТ р,ию

Производная дР/дТ в уравнении может быть получена из уравнения Кпапейрона-Клаузиуса, связывающего теплоту парообразования, плотности жидкой и паровой фазы воды и давление, тогда:

с = о

НА Т

(2)

где V" У — удельный объём сухого насыщенного пара и кипящей жидкости соответственно; Ь— теплота парообразования; £/„ — скорость жидкости на входе в рабочий участок. Как видно из этого уравнения, местное понижение температуры приведет к повышению числа кавитации и, следовательно, понизит её интенсивность.

Для стационарных условий математическая модель теплового и гидродинамического полей в суперкавитационном испарителе состоит из дифференциального уравнения неразрывности, сохранения момента импульса, уравнения сохранения энергии с внутренними источниками теплоты и уравнения переноса жидкой фазы. Влияние турбулентности учитывалось представлением мгновенных значений гидродинамических характеристик как суммы статистических средних значений и пульсационных составляющих. Таким образом, скорости в уравнениях движения являются усредненными по Рейнольдсу:

дх,

:0;

дх,.

дР д --+ —

ох. дх,

+ Иг

ом, | дцу 2 дик дх, дх. 3 дх, "

дх} т л ' п дх,

Рг„,

Ргт

дк

дх,

дх,

= т +т

(3)

(4)

(5)

(6)

гДе Рт ~ плотность смеси; цт- коэффициент динамической вязкости смеси; Р — давление; к — удельная энтальпия жидкости; Рг — число Прандтля.

Теплофизические параметры смеси ср т и массовая доля пара fv определяются соответствующими выражениями:

Ф,„ = «,Ф/ + 0-а/>р; (7)

Ру(1~а>)

(8)

где а, - объёмная доля жидкости, рг, рш- плотность пара и смеси соответственно.

Источниковый т и стоковый т члены в уравнении (6) определяют скорости испарения и конденсации. Здесь предполагается вычисление источнико-вого и стокового членов с помощью полуэмпирических зависимостей, полученных из уравнения Рэлея-Плессета:

„ За а,о 2 т+ = -р, —""с . - шах

Я.

Р -Р(Т)

,0

V У!

т = Р

3(1-а,)р„ 2

Д.

1ШП

Р-Р(Т)

Р/

,0

(9) (10)

Эмпирические постоянные ^ и в этих уравнениях учитывают тот факт, что процессы конденсации и испарения имеют различные временные масштабы, процесс конденсации протекает медленнее испарения. Для расчётов принимались следующие значения: Яв =10"6, аш,с=10"5, ^ =50 и Р[ =0,01.

Для учёта турбулентности использовалась к —г модель турбулентности. Уравнения переноса кинетической энергии турбулентности к и её диссипации е имеют следующий вид:

д(рмЦ/)_ д

дх1 дх]

(г

цг

дк

дх,

дх] дх]

Нг

л 5е Л

>л

(11)

(12)

где скорость генерации турбулентности б и тензор напряжений Рейнольдса определяются соответствующими уравнениями:

ди,

С = т.

" дх ,

ди, ди

удх) дх, ,

I

Турбулентная вязкость определяется по формуле:

I

рЛ*2

(13)

(14)

Эмпирические константы имеют следующие значения: о4=1,0; сгЕ=1,3;

С,=1,44; С2 =1,92; Сц=0,09.

Объёмная доля фазы может изменяться от нуля до единицы, в зависимости от занимаемого объёма в двухфазном потоке. Согласно тому, что фазы должны полностью заполнять весь объём, имеем

1а, =1. (16)

Для замыкания системы уравнений принимались следующие граничные условия (рисунок 2): на поверхности рабочего участка задавалась адиабатическая поверхность с условием непротекания и отсутствия скольжения. На входе в рабочий участок была задана скорость и температура исходной жидкости, объёмная доля пара и воды 0,0 и 1,0 соответственно, значения линейного масштаба и интенсивности турбулентности. На выходе задавалось давление, нулевые градиенты скорости, температуры, кинетической энергии турбулентности и её диссипации по горизонтальной координате. На основании кавитатора был задан равномерно распределённый по пароотводящей трубке массовый расход.

Численное решение задачи проводилось с использованием метода контрольного объёма при помощи программы АЫ8У8 СБХ. На рисунке 1 представлена расчётная сетка, которая состоит из гексаэдрических элементов и имеет специальное сгущение в месте предполагаемого образования каверны.

Рисунок 1 - Конечно-объёмная расчётная сетка ступени испарения СК испарителя

Рисунок 2 - Расчётная область ступени испарения: 1,2- вход и выход ступени испарения; 3 - внутренняя стенка корпуса СК испарителя; 4 отбор пара из каверны; 5 - пароотводящая трубка; 6 - кавитатор

С целью апробации математической модели было проведено сопоставление результатов расчёта с экспериментальными данными, полученными В.М. Ивченко, В.А. Кулагиным и А.Ф. Немчиным на холодной (20 °С) и горячей (1 Ю°С, 120 °С) воде. В качестве кавитаторов использовались конусы. Эксперименты проводились без пароотбора. На рисунке 3 приведена объёмная доля паровой фазы. Сопоставление расчётных и экспериментальных значений относительной длины каверны (отношение длины каверны к диаметру кавитато-ра) представлено для холодной и горячей воды на рисунках 4 и 5.

Рисунок 3 - Объёмная доля паровой фазы: вверху результаты экспериментов; внизу результаты расчётов; температура воды 110 °С; степень стеснения потока - 0,24: а - I!т = 4,9 м/с, а = 1,4; б - Цт = 5,8 м/с, а = 0,84

0,42 0,44

-Эксперимент ---Расчет

Рисунок 4 - Зависимость относительной длины каверны от числа кавитации: температура воды - 20 °С; степень стеснения потока - 0,29; число Фруда - 41,9

-Эксперимент

Рисунок 5 - Зависимость относительной длины каверны от числа кавитации: степень стеснения потока - 0,24; число Фруда - 13,6

Из графиков видно довольно точное согласование полученных расчётных результатов с экспериментальными данными. Расчётные значения были близки к измеренным, максимальное расхождение не превышало 6,0 %. Таким образом, математическая модель может быть использована для анализа рабочих процессов суперкавитационпых испарителей.

Третий раздел посвящен численному исследованию тепломассообмен-ных и гидродинамических процессов, протекающих в суперкавитационном испарителе, на которые оказывает влияние большое количество параметров, таких как: степень стеснения потока, температура, скорость и давление жидкости, поступающей в рабочий участок, расход отбираемого из каверны пара. Получены аналитические зависимости между этими параметрами.

Анализ исследований по развитым кавитационным течениям показал, что для получения устойчивых каверн больших размеров лучше всего применять кавитаторы, имеющие форму конуса. В настоящей работе исследовались режимы кавитационного испарения при обтекании конусов с различными углами раствора и диаметром основания. Численные эксперименты проводились при следующих степенях стеснения потока (сШ) - 0,2; 0,328; 0,457; 0,586; 0,714, различных давлениях и скоростях воды, температура которой принималась в диапазоне 110... 120 °С в соответствии с максимальной температурой воды на входе в первую ступень испарения большинства современных испарительных установок.

Пароотбор из каверны осуществлялся при достижении режимов течения с устойчивой границей раздела пар-жидкость. С увеличением пароотбора из каверны её длина и объём уменьшаются (рисунок 6). При этом наибольший интерес вызывало максимально возможное значение пароотбора из каверны при заданном режиме. Определено, что максимальный паросъём с поверхности каверны соответствует значению её безразмерной длины, равному 1,7 (рисунок 7). При дальнейшем увеличении паросъёма возрастает активность обратной струйки, поверхность раздела пар-жидкость становится нестабильной, наблюдается сильный брызгоунос.

8„апа, КГ/М2Ч

Рисунок 6 - Зависимость безразмерной длины каверны от удельного массового паросъёма с поверхности каверны: температура воды - 110 °С; степень стеснения потока - 0,457;

число Фруда - 12,49

В результате проведения многопараметрических расчётов были определены зависимости безразмерного максимального паросъёма от режимных и конструктивных параметров суперкавитационного испарителя (рисунок 8). При температуре 120 °С расчётные величины максимально возможного удельного

паросъёма достигают 2732 кг/м2ч. По сравнению с характеристиками современных испарителей этот параметр в 5-6 раз выше.

Скорость, м/с

о

Объемная доля пара

Рисунок 7 - Объёмная доля паровой фазы и поле скоростей: температура воды 110 °С; степень стеснения потока - 0,457

1,9-104 1,7-1<Н 1,5-Ю-1 1,3-ИИ 1.1-10"» 9,0-Ю5 7,0- Ю-5 5,0-10-'

\\\

(1/Р=0,457

\ \

■'Ч(1/Р=0,328

0.4

0,9

Рг=8,92; Т-383 К

- Рг=8,92; Т=393 К -Гг=7,88; Т=383 К -Рг=7,88; Т=393 К

- Кг=10,53; Т=383 К -рг=10,53; 1=393 К

1.4

\\ \

1.9

- Гг=12,49;Т=383 К

- -Рг=12,49; Т=393 К

--Рг=11,04; Т=383 К

- *Рг=11,04; Т=393 К

---Гг= 14,74; 1=383 К

---Г г—14,74; Т=393 К

2.4

Рг=17,85; Т=383 К •• Гг=17,85; Т=393 К Рг=15,77; *Г=383 К ■■ Рг=15,77; Т=393 К Рг=21,05; Т=383 К •■ Рг=21,05; Г=393 К

2,9

Рисунок 8 - Зависимости безразмерного максимального паросъёма от режимных и конструктивных параметров суперкавитационного испарителя

Установлено, что при степенях стеснения ниже 0,2, при Иг < 26,98 и 1 < 120 °С работа суперкавитационного испарителя становится невозможной из-

за разрушения каверны при незначительных величинах паросъёма (< 90 кг/м2ч). На этих режимах образовавшиеся каверны имеют небольшие размеры и неустойчивы, что объясняется невысокими значениями инерционных сил потока жидкости после отрыва от кромок кавитатора (рисунок 9).

О' О' о о- \- О ^ V V Л

^■и ' ' ' а ' ^ ' 1

Рисунок 9 - Расчётные значения объёмной доли пара и поля скоростей: степень стеснения потока - 0,2; температура воды - 110 °С; число Фруда - 18,89

Также обнаружено, что при степени стеснения выше 0,714, при Рг< 14,28 и 1< 120 °С происходит разрушение каверны вследствие интенсивных вихревых течений за кавитатором (рисунок 10). При увеличении чисел Фруда, как показали расчёты, наблюдается вскипание жидкости на внутренней поверхности трубы рабочего участка, что вызывает накипеобразование и является неприемлемым.

Рисунок 10 - Расчётные значения объёмной доли пара и поля скоростей (векторное поле): степень стеснения потока - 0,714, температура воды - 383 К, число Фруда - 9,994

Важным элементом при расчёте конструктивных элементов СК испарителей является определение величины гидродинамического сопротивления его ступеней испарения. При различных степенях стеснения потока и режимах обтекания был определен коэффициент сопротивления, равный отношению перепада статических давлений на входе и выходе ступени испарения к кинетиче-

ской энергии, приходящейся на единицу объёма воды, поступающей на вход в рабочий участок:

Р -Р

_2-вл' —~х

ри*

(17)

где Рш - давление на входе в ступень испарения, Рвш - давление на выходе из ступени испарения.

На рисунке 11 представлены зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных параметров СК испарителя.

С, 0,9 0,8 0,7 0,6 0.5 0.4 0,3 0,2 0.1

--- <1/1 )=0,586

N ^ \

/

V / Л /

с /0=0,328

\ ' У ч ' /'

0.4

0,9

1.4

1,9

2,4

2,9

= Рг=8,92; Т-383 К

- Рг=8,92; Т—393 К

■ Рг=7,88; Т=383 К

- Рг=7,88; Т-393 К

■ Рг=10,53; Т=383 К -Рп»10,53; Т-393 К

=== Рг=12,49; Т=383 К

---рг= 12,49; Т=393 К'

---Рг=11,04;Т=383 К

---Рг—11,04; Т-393 К

— - Гг=14,74; Т=383 К ---Рг» 14,74; Т-393 К

■"■« Рг=17,85; Г 3X3 К

......Рг-17,85; Т-393 К

......К1-15,77; Т-383 К

......Р г—15,77; Т-393 К

■■■■■■ Рг—21,05; Т=383 К ......Рг—21,05; Г-393 К

Рисунок 1 I - Зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных параметров суперкавитационного испарителя

Для проведения инженерных расчётов СК испарителей была выполнена аппроксимация полученных расчётных значений производительности, коэффициентов сопротивлений, давлений в каверне аналитическими зависимостями. При этом погрешность аппроксимации не превышала 1 %.

Четвертый раздел посвящён разработке методики расчёта режимных и конструктивных параметров одно- и многоступенчатых суперкавитационных испарительных установок. Здесь представлены перспективы применения суперкавитационных аппаратов в энергетических системах и комплексах.

На рисунке 12 представлена технологическая схема испарительной установки суперкавитирующего типа с циркуляционным контуром. Методика расчёта режимных и конструктивных параметров рабочего участка данной схемы приведена в таблице 1.

Рисунок 12 - Технологическая схема испарительной установки суперкавитирующего типа с циркуляционным контуром: 1 - теплообменник; 2 - рабочий участок; 3 - циркуляционный насос; 4 - конденсатор; 5 - сепаратор; 6 - сборник дистиллята; 7 - сборник рабочей жидкости

Таблица 1 - Методика расчёта режимных и конструктивных параметров рабочего участка испарительной установки суперкавитирующего типа

Наименование Расчётная формула или источник

температура, Т, скорость, 11 вх, жидкости на входе в рабочий участок исходные данные

значение безразмерного расхода, й , число Фруда, Рг, степень стеснения потока, с! / £> , число кавитации, а зависимости безразмерного расхода от числа кавитации

по числу кавитации определить коэффициент гидродинамического сопротивления, Сх зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления от числа кавитации

по числу кавитации определить значение давления в каверне, Ршв зависимости давления в каверне от числа кавитации

диаметр кавитатора ¿=

диаметр рабочего участка о= " с!/й

массовый расход жидкости на входе в рабочий участок 0,=р,и1кО42

пароотбор о=аав

перепад давлений на входе в рабочий участок и в каверне др = р Р - вх-кав вх кав ^

давление на входе в рабочий участок Р =ДР +Р вх ^^ вх—кав кав

перепад давлений в рабочем участке др =Р Р -С*р'и™ вх-вых вх вых 2

давление на выходе из рабочего участка Р =Р -АР вых вх вх-кав

В технологической схеме испарительной установки суперкавитирующего типа с циркуляционным контуром рабочий участок может включать несколько ступеней испарения. Схема рабочего участка многоступенчатой испарительной установки показана на рисунке 13.

Рисунок 13 - Схема рабочего участка трехступенчатой испарительной установки: 1 - корпус рабочего участка; 2 - конфузор; 3 - кавитатор

Расчёт режимных и конструктивных параметров первой ступени испарения рабочего участка многоступенчатой испарительной установки суперкави-тирующего типа аналогичен расчёту режимных и конструктивных параметров рабочего участка одноступенчатой испарительной установки, приведённому выше. Расчёт последующих ступеней испарения представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Методика расчёта режимных и конструктивных параметров ступеней многоступенчатой испарительной установки

Наименование Расчётная формула или источник

скорость во всех ступенях испарения задаётся равной скорости в первой ступени испарения = = и^,

давление на входе в последующую ступень принимается равным давлению на выходе из предыдущей ступени Р - Р

расход жидкости на входе в /-тую ступени испарения с„, -

число кавитации в первом приближении р —Р Ф _ вхЛ кав,!-\ ' 0,5 Р,Г£,

по числу кавитации определить значение давления в каверне, Ркае, зависимости давления в каверне от числа кавитации

число кавитации во втором приближении Р -Р 0,5

значение безразмерного расхода, Ст, , степень стеснения, (с! / Бдля /-той ступени испарения зависимости безразмерного расхода от числа кавитации

коэффициент гидродинамического сопротивления, Сх,, ¡-той ступени испарения зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления от числа кавитации

диаметр рабочего участка /-той ступени испарения О, = - V ЛР/

диаметр кавитатора /-той ступени испарения (1, = Ц(г?/Д),

число Фруда для /-той ступени испарения 3? II

пароотбор в /-той ступени испарения

перепад давлений в /-той ступени испарения лр р Р - ' ' вх-вых,1 вх,1 вых,1 2

давление на выходе из /-той ступени испарения Р =Р -АР вых,{ 1 вх,1 вх-кав,1

Сравнительные расчёты режимных и конструктивных параметров одноступенчатых и многоступенчатых испарительных установок по предложенной методике показали, что в последних расход электроэнергии, приходящийся на 1 кг получаемого пара, будет ниже. В этой связи рекомендуется, прежде всего, рассматривать варианты многоступенчатых СК испарителей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

¡.Усовершенствованы математические модели тепломассообменных и гидродинамических процессов в СК испарителях, в отличие от известных, позволяющие на этапе проектирования и в период эксплуатации элементов энергетических систем комплексно оценивать влияние управляющих воздействий (концентрация примесей; степень стеснения потока; количество отбираемого из каверны пара; скорость, плотность и температура потока) на режимы обработки и обеспечивающие повышение точности расчётов характеристик процесса. Проведённая оценка адекватности используемой математической модели суперкавитационного испарителя показала удовлетворительное согласование результатов моделирования с экспериментальными данными. Расчётные значения близки к измеренным, максимальное расхождение не превышает 6,0 %. Таким образом, математическая модель может быть использована для анализа рабочих процессов суперкавитационных испарителей.

2. Найдены аналитические зависимости безразмерного максимального паросъёма и коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных параметров СК испарителя, что позволяет совершенствовать технологию кондиционирования воды с целью снижения вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

3. В результате проведения многопараметрических расчётов были определены зависимости максимального паросъёма от режимных и конструктивных параметров суперкавитационного испарителя. При температуре 120 °С расчётные величины максимально возможного удельного паросъёма достигают 2732 кг/м ч, что в 5-6 раз больше этого показателя у современных испарителей.

4. Предложена новая методика расчёта СК испарителей, позволяющая использовать на этапе проектирования и в период эксплуатации методы математического моделирования с целью исследования и оптимизации структуры и параметров энергетических систем и комплексов и происходящих в системах энергетических процессов. Определены рациональные режимные и конструктивные параметры одно- и многоступенчатых испарительных установок супер-кавитирующего типа, сравнительные расчёты которых по данной методике показали, что в многоступенчатых СК испарителях расход электроэнергии, приходящийся на 1 кг получаемого пара, будет ниже.

5. Установлены допустимые пределы работы суперкавитационных испарителей. Выявлено, что при степенях стеснения ниже 0,2, при Fr < 26,98 и t < 120 °С и при степенях стеснения выше 0,714, при Fr < 14,28 и t < 120 °С работа суперкавитационного испарителя становится невозможной.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кулагин, В.А. Определение расчётных зависимостей рабочих параметров суперкавитационного испарителя / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 1 (2013 6) 44-49.

2. Кулагин, В.А. Моделирование процессов в суперкавитационном испарителе с учётом термодинамических эффектов / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2013. — № 11. — С. 25-27.

3. Кулагин, В.А. Исследование кавитационных течений средствами математического моделирования / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 1 (2012 5) 57-62.

4. Кулагин, В.А. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе с учётом термодинамических эффектов / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 5 (2013 6) 498-505;

статьи, опубликованные в других изданиях и за рубежом

5. Kulagin, V.A. Evolution of Supercavitation Evaporator Taking into Account the Thermodynamic Effects / V.A. Kulagin, T.A. Pyanikh // Chemical and Petroleum engineering. New-York: Kluwer Academic, 2013. - Vol. 49. - № 3-4. -Pp. 128-130.

6. Кулагин, В.А. Применение модели смеси для исследования суперкавитационного испарителя / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Вестник Ассоциации выпускников КГТУ. - Красноярск: ПИК «Офсет», 2011. - Вып. 20. - С. 87-91; материалы научно-технических конференций

7. Кулагин, В.А. Применение суперкавитационных испарителей для получения пресной воды / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Матер. XI Всеросс. НПК. — Красноярск: МВДЦ «Сибирь», 2010. - С. 272-275.

8. Кулагин, В.А. Использование развитой кавитации для интенсификации тепломассопереноса в термических установках обессоливания / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Матер. XII Всеросс. НПК. -Красноярск: МВДЦ «Сибирь», 2011. -С. 231-233.

9. Кулагин, В.А. Моделирование гидродинамических процессов в суперкавитационном испарителе / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // «Наука и техника XXI века»: Материалы международной заочной научно-практической конференции. -Новосибирск: Изд. «Априори», 2011. -С. 105-110.

10. Пьяных, Т.А. Применение математического моделирования для исследования рабочих процессов суперкавитационного испарителя / Т.А. Пьяных // VII Всесибирский конгресс женщин-математиков (посвящается Софье Васильевне Ковалевской): Материалы Всероссийской научной конференции. — Красноярск: СибГТУ, 2012. - С. 187-191.

П.Кулагин, В.А. Математическая модель суперкавитационного испарения в опреснительной установке / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: Материалы до-

кладов VII школы-семинара молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. - Казань: Изд. Казанск. ун-та, 2010. - С. 188-190.

12. Кулагин, В.А. Математическое моделирование процессов в суперка-витирующем испарителе / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Энергетика в глобальном мире: сб. тезисов докладов первого международного научно-технического конгресса. - Красноярск: ООО «Версо», 2010. - С. 417-419.

13. Кулагин, В.А. Расчёт режимных параметров суперкавитационного испарителя / В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных // Research Journal of International Studies: сб. по результатам XVIII заочной научной конференции. - Екатеринбург: ООО «Европринт», 2013. - С. 56-59.

14. Пьяных, Т.А. Использование суперкавитационных аппаратов как одно из перспективных направлений в водоподготовке / Т.А. Пьяных, М.В. Ар-шукова // Молодежь и наука: сборник материалов IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием, посвященной 385-летию со дня основания г. Красноярска [Электронный ресурс], отв. ред. O.A. Краев - Красноярск: Сиб. федер. ун-т.,2013. URL: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2013/thesis/s024/s024-008.pdf (дата обращения: 30.09.2013);

учебное пособие

15.Истягина, Е.Б. Математическое моделирование и алгоритмизация задач теплоэнергетики [Электронный ресурс]: учеб .-метод, пособие [для студентов программы подг. 140100.68.01 «Энергетика теплотехнологий»] / Сиб. федерал. ун-т ; сост.: Е.Б. Истягина, A.A. Пьяных, Т.А. Пьяных. - Электрон, текстовые дан. - Красноярск: СФУ, 2013. - 105 с. URL: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn 2013/thesis/s024/s024-008.pdf (дата обращения: 25.09.2013).

Подписано в печать 07.11.2013. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2 Тираж 110 экз. Заказ № 3669

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

На правах рукописи

/

04201 453028

ПЬЯНЫХ Татьяна Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУПЕРКАВИТАЦИОННЫХ

ИСПАРИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.01 - энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Кулагин В.А.

Красноярск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................5

1 Существующие методы водоиодготовки в энергетических системах и комплексах и современные возможности исследования рабочих процессов вод ©подготовительных установок...............................................11

1.1 Ионообменные технологии..........................................................................11

1.2 Мембранные технологии.............................................................................14

1.2.1 Установки обратного осмоса....................................................................14

1.2.2 Электродиализные установки...................................................................17

1.3 Термодистилляционные технологии...........................................................19

1.3.1 Обессоливающие установки на базе испарителей кипящего типа

с естественной циркуляций раствора................................................................21

1.3.2 Обессоливающие установки на базе испарителей с принудительной циркуляцией раствора........................................................................................27

1.3.3 Обессоливающие установки мгновенного вскипания.............................29

1.3.4 Обессоливающие установки на базе вертикально-трубных плёночных испарителей.....................................................................................32

1.3.5 Обессоливающие установки на базе горизонтально-трубных плёночных испарителей.....................................................................................34

1.3.6 Обессоливающие установки с применением парокомпрессионных аппаратов............................................................................................................35

1.4 Кристаллизационные технологии...............................................................36

1.5 Обессоливающие установки на базе суперкавитационных испарителей........................................................................................................37

1.6 Возможности исследования рабочих процессов суперкавитационных испарителей........................................................................................................39

2 Разработка математической модели рабочих процессов

суперкавитационного испарителя.................................................................46

2.1 Термодинамические эффекты при развитой кавитации............................46

2.2 Математическая модель рабочих процессов суперкавитационного испарителя..........................................................................................................48

2.3 Геометрия и граничные условия.................................................................51

2.4 Метод численного решения поставленной задачи.....................................54

2.5 Апробация разработанной математической модели..................................60

2.5.1 Сопоставление результатов расчёта с экспериментальными данными на холодной воде................................................................................61

2.5.2 Сопоставление результатов расчёта с экспериментальными

данными на горячей воде...................................................................................64

3 Расчётное исследование рабочих процессов суперкавитационного испарителя........................................................................................................70

3.1 Исходные данные для проведения численных экспериментов.................70

3.2 Зависимость пароотбора от режимных и конструктивных параметров суперкавитационного испарителя.....................................................................74

3.3 Зависимость сопротивления рабочего модуля суперкавитационного испарителя от режимных и конструктивных параметров................................84

3.4 Зависимость давления в каверне рабочего модуля суперкавитационного испарителя от режимных и конструктивных параметров..........................................................................................................89

4 Методика расчёта режимных и конструктивных параметров суперкавитационных испарительных установок и перспективы практического использования развитой кавитации..................................93

4.1 Технологическая схема испарительной установки

суперкавитирующего типа.................................................................................93

4.2 Методика расчёта режимных и конструктивных параметров рабочего участка испарительной установки суперкавитирующего типа с циркуляционным контуром...............................................................................96

4.3 Методика расчёта режимных и конструктивных параметров рабочего участка многоступенчатой испарительной установки

суперкавитирующего типа с циркуляционным контуром...............................97

3

4.4 Сравнительный анализ режимных и конструктивных параметров одно- и многоступенчатых испарительных установок

суперкавитирующего типа...............................................................................99

4.5 Предложения по совершенствованию конструкции

суперкавитационного испарителя вращающегося типа.................................101

4.6 Перспективы практического использования развитой кавитации для

выпаривания, контактного теплообмена и дегазации жидкостей.................104

Заключение......................................................................................................109

Список литературы........................................................................................111

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена требованием совершенствования водоподготовительных установок энергетических систем и комплексов с минимизацией их вредного воздействия на окружающую среду на базе новых наукоёмких энергоэффективных технологий преобразования энергии.

Согласно Водной стратегии России на период до 2020 года, необходимо обеспечить комплексное решение проблем, связанных с нерациональным использованием водных ресурсов и наличием их дефицита в отдельных регионах [1]. Современное производство тепловой и электрической энергии сопровождается потреблением значительного количества пресной воды из природных источников, содержащих различные примеси, и сбросом больших объёмов сточных вод. По данным ОАО РАО «ЕЭС России» на долю предприятий электроэнергетики приходится около 70 % общего использования воды в промышленных целях, основная часть которой (около 90 %) сбрасывается в поверхностные водоёмы в виде сточных вод, в том числе 4 % загрязнённых [2]. В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года гарантированное удовлетворение внутреннего спроса на энергоресурсы должно быть обеспечено с учётом последовательного ограничения нагрузки топливно-энергетического комплекса на окружающую среду [3].

Количество сточных вод напрямую зависит от применяемой технологии водоподготовки. Использование суперкавитационных испарителей (СК испарителей) для реализации процессов очистки и коррекции свойств воды благодаря их заметным экологическим преимуществам и возможности переработки с их помощью минерализованных сточных вод позволяет снизить вредное воздействие энергетических систем и комплексов на окружающую среду. Данные установки являются перспективными с точки зрения интенсивности протекающих в них процессов, компактности, значительного снижения накипи и т.п.

В этой связи требуется изучение тепломассообменных и гидродинамических процессов, происходящих в СК испарителях, с целью нахождения энергоэффективных режимов обработки воды, определения влияния кавита-ционного воздействия на физико-химические характеристики воды и др., а также совершенствование методик их расчёта на базе научных подходов, методов, алгоритмов, программ и технологий, учитывающих снижение вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

Объект исследования: СК испарители для кондиционирования свойств воды энергетических систем и комплексов.

Предмет исследования: характеристики процессов тепломассообмена, гидрогазодинамики и рабочих режимов суперкавитационных испарителей.

Целыо работы является повышение эффективности суперкавитационных испарителей на базе усовершенствованной методики расчёта режимных и конструктивных параметров с учётом снижения вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

изучение и анализ существующих методов оценки технологических режимов в СК испарителях на базе феноменологических моделей процессов тепломассообмена и гидроаэромеханики преобразования энергии в энергетических системах и комплексах;

разработка математической модели процессов тепломассообмена и гидродинамики в суперкавитационных потоках жидкости с учётом пароотбо-ра, позволяющей на этапе проектирования и в период эксплуатации исследовать элементы энергетических систем;

определение аналитических зависимостей максимального паросъёма и коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных параметров СК испарителя;

разработка методики расчёта режимных и конструктивных параметров одно- и многоступенчатых суперкавитационных испарительных установок;

проведение численного анализа режимов работы СК испарителей на базе разработанных моделей с целью выработки рекомендаций для проектирования и эксплуатации энергоэффективных промышленных процессов и установок с учётом снижения вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

Основная идея диссертации заключается в разработке: новых технологий преобразования энергии в энергетических системах и комплексах на базе эффектов кавитации, методов расчёта режимных и конструктивных параметров СК испарителей на основе результатов многопараметрического исследования тепломассообменных и гидродинамических процессов, протекающих в них. Разработанный в итоге программный инструмент представляет собой вычислительную экспериментальную установку, эффективность и экономичность которой заведомо повышает эффективность и экономичность лабораторных и промышленных исследований, обеспечивая безотказность, надёжность, гибкость, модифицируемость, простоту освоения и эксплуатации.

Методика исследований. Для моделирования рабочих процессов в СК испарителе использовалась разработанная модель двухфазного гомогенного потока. Численный анализ проводился с применением метода контрольного объёма при помощи программы А^УБ СРХ.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованы математические модели тепломассообменных и гидродинамических процессов в СК испарителях, в отличие от известных, позволяющие на этапе проектирования и в период эксплуатации элементов энергетических систем комплексно оценивать влияние управляющих воздействий (концентрация примесей; степень стеснения потока; количество отбираемого из каверны пара; скорость, плотность и температура потока) на режимы обработки и обеспечивающие повышение точности расчётов характеристик процесса.

2. Установлены аналитические зависимости максимального паросъёма

и коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и кон-

7

структивных параметров СК испарителя, что позволяет совершенствовать технологию кондиционирования воды с целью снижения вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду.

3. Предложена новая методика расчёта СК испарителей, позволяющая использовать на этапе проектирования и в период эксплуатации методы математического моделирования с целью изучения структуры и параметров энергетических систем и происходящих в них тепломассообменных процессов, а также определены рациональные режимные и конструктивные параметры одно- и многоступенчатых испарительных установок суперкавитиру-ющего типа.

Значение для теории. Предложенные математические модели тепломассообменных и гидродинамических процессов в СК испарителях создают теоретическую основу для проектирования и разработки энергоэффективных технологий и оборудования энергетических систем и комплексов.

Значение для практики. За счёт применения разработанных математических моделей повышается эффективность (скорость, достоверность и точность) расчётов при проектировании режимов работы СК испарителей с учётом аналитических зависимостей паросъёма и коэффициента гидродинамического сопротивления от режимных и конструктивных характеристик установки. Данные численного анализа могут быть использованы при разработке рациональных режимов работы СК испарителей, что позволяет повысить энергоэффективность производства и уменьшить количество вредных сбросов в окружающую среду за счёт совершенствования рабочих процессов. Разработанный метод может быть использован при проектировании новых конструкций СК испарителей. Методы и подходы являются новыми в прикладной сфере и могут быть применены в других областях техники и технологии.

Использование полученных результатов. Разработанные алгоритмы и программы прошли проверку сравнением с результатами эксперимента.

Результаты диссертации использованы при выполнении проекта «Проект программы реконструкции и развития высоконапорной гидравлической лаборатории при плотине Красноярской ГЭС и формирования научного кластера «Чистая энергия Дивногорска», утверждённого Наблюдательным советом КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (Протокол № 22 от 26 июня 2012 г.) в рамках проведения конкурса научно-технических исследований, разработок, инновационных программ и проектов для обеспечения конкурентных преимуществ экономики Красноярского края в соответствии с приоритетными направлениями государственной поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности в Красноярском крас, утверждёнными постановлением Законодательного Собрания Красноярского края от 07.07.2009 № 8-3635П.

Полученные научные и практические результаты используются в Сибирском федеральном университете при подготовке студентов по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» в бакалаврских и магистерских программах «Энергетика теплотехнологии» и «Промышленная теплоэнергетика», а также в научно-исследовательской деятельности Факультета энергетики Политехнического института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». Все приводимые сведения подтверждены актами об использовании.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе базирующихся на фундаментальных уравнениях математической физики современных методов анализа процессов тепломассообмена и гидродинамики, а также согласованием результатов расчёта с экспериментальными данными в ходе апробации расчётных моделей.

Личный вклад автора. Автору принадлежат формализация поставленных задач, разработка математических моделей, проведение численных экспериментов, разработка инженерных методик, обобщение, анализ результатов. Научные и практические результаты диссертации, положения, выно-

9

симые на защиту, разработаны и получены автором. Разработка и реализация общей научной идеи, формулирование основных выводов и пунктов научной новизны выполнены при участии научного руководителя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI Всероссийской конференции молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2010); Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010); VIT Школс-семинаре молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2010, 2011); Международной заочной научно-практической конференции «Наука и техника XXI века» (Новосибирск, 2011); Всероссийской научной конференции «VII Все-сибирский конгресс женщин-математиков (посвящается Софье Васильевне Ковалевской)» (Красноярск, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них: 1 учебно-методическое пособие; 4 статьи в изданиях по списку ВАК; 2 статьи в других изданиях и за рубежом; 8 работ, опубликованных в материалах всероссийских и международных конференций.

Объём и структура работы. Материалы диссертации изложены на 126 страницах основного текста, включающего 51 рисунок и 6 таблиц. Работа состоит из введения, четырёх разделов, основных выводов и рекомендаций и списка литературы из 137 наименований.

1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ВОДОПОДГОТОВКИ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И КОМПЛЕКСАХ И СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ

ПРОЦЕССОВ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Существуют различные методы водоподготовки в энергетических системах и комплексах. Все методы можно разделить на безреагентные или физические и методы, в которых используются химические реактивы. Последние представляют собой ионообменные технологии [4].

Безреагентные методы применяются как отдельные этапы в общем технологическом процессе