автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Теплообменники на тепловых трубах в системах теплоснабжения компрессорных станций магистральных трубопроводов

¿МШСТ^РОТВО ОШШСШШ УКРАИНЫ ЙШСК1а СРДКНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАШШ ;1>ШЙ1ШЮ^ТРОПТШЫЦЙ ИНСТИТУТ

ТйМОСйМ'ДьШ НА ТШСШ ТРУБАХ В СИСТЕМАХ

ммсаш^ш кощр£ссор;Шх СТАНЦИЙ

;.№1СТРАЛЪ1Ж ТРУБОПРОВОДОВ

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

На правах рукописи

ВОРОБШз Олег Борисович

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1ШЪ - 1992

Работа выполнена в Харьковском инженерно-строительном институте.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор А.Ф.Редько Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Б.Ы.Михайленко

кандидат технических наук, доцэнт Б .й.Моисеев Ведущая организация - УМГ Чвркассытрансгаз Газового

концерна Укргазпром

Защита диссертации состоится " 24 " июня 1992г. в часов на заседании специализированного совета

К 068.05.08 при Киевском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте по адресу: 252037, Киэв-37, Воздухофлотокий проспект, 31, в аудитории • .

С диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке КНСЛ.

Автореферат разослан "_" мая_1992г.

Учены!! секретарь специализированного совета канд.тахн.наук, профессор

В.Ф .Накорчевокая

I оя.ля додавитдо работы

'Актуальность работы. Газовая промышленность располагает раз-■.:парком газоперекачивающих агрегатов (ША), выхлопные '~иШ*кЭгорых являются источнлком значительных объемов вторичных энергетических ресурсов (ЬоР). Утилизация тепловых БЭР - один из эффективных способов экономии топливного газа. Уровень использования 1ЙР во многом зависит от наличия специализированного оборудования, реализующего возможность утилизации сбросной энергии выхлопа газоперекачивающего агрегата. Серайю выпускаемые в настоящее время утилиза ционйю теплообменники (ПО) имеют низкий коэффициент надежности, малую ремонтопригодность, обладают значительными габаритами, металлоемки, установка их в выхлопном канале П1Л влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления выхлопного тракта газотурбинной установки (ГГУ), что сникает ее эффективную мощность. ' ■ >

'анализ основных тенденции развития трубопроводного транспорта показывает, что в блпяаГзюе десятилетие следует ояидать дальнейшего увеличения дальности транспорта газа, единичной а сукдар-ной мощности.П1А, используемых на компрессорных станциях (КС).

С росток единичной мощности ША стайоззтся очевидной'необходимость создания высокоэффективных-теплопередавдих устройств, об-ладанкдах больной теплопервдающай. способность» ш единицу кассы конструкции, способных работать в различных эксплуатационных уо-ловиях и лишенных недостатков серийно выпускаемых УТО.

Одним из перспективных направлений решения доставленной задачи представляется использование а теплообмекном оборудовании КС магистральных газопроводов специфического тзплсобменного элемента - тепловой грубы (ТТ). Теплообменники на тепловых трубах (ТОТТ) долины быть просты в изготовлении и эксплуатации, удобны в ремонте л надежны в работе, так как иэвостнкз конструкции их состоят из простых, одинаковых, легко заменяемых элементов - ТТ.

Нелып пабо-тч является разработка мэтедоз я конструкций, сбз-спечиЕающах повышенна эффективности эксплуатации утилизационного тедлообкеннсго 'оборудования на ,ко1.шресс<?рных станциях магистраль- ' ного газопровода.

Основные задачи'исследований в-настоящей работе: определение критериев качества функционирования утилиза®!-' онного тёплообкенняна на тепловых трубах (УТОК), установление

ыерц влияния различных физических величин и условий эксплуатации на показатели эффективности ЛОТТ; ...

математическое моделирование процесса передачи тепла с использованием УТ0Т1, разработка методики теплового и гидравлического расчета;

экспериментальные исследования процесса теплообмена в ТТ для утилизации тепла отходящих газов ГГУ КС;

оптимизация геометрических, теплотехнических и 'аэродинамических характеристик УТОТТ;

разработка конструктивных схем аппаратов на ТТ для компрессорных станций магистральных газопроводов;

разработка рекомендаций по созданию и внедрению утилизационных тэллообкошшков на тепловых трубах в системах теплофикации КО {,Ш.

Научная ноаизно работа:

в.результате анализа топлошх схем и конструкций ресурсосберегающего оборудования на базо тепловых труб а тошшвопотребляга-щих и таплогенерпрующих отраслях промышленности сформулированы основные подходы к созданию УГОТТ для систем теплофикации КС МГ;

срадстваьш вычислительного эксперимента установлены характер и степень влияния конструктивных и режимных параметров на теплотехнические характеристики утилизационного теплообменника па термосифонах (ГС.);

проведена экспераменталыия оценка различных средств и способов повышения единичной тепловой мощности натурных термосифонов;

разработаны унифицированная математическая модель, вычислительный модуль, составлена программа расчета процессов теплообмена отходящие газов ГГУ и воды системы теплофикации КС в утилизаторе на термосифонах;

по результатам вычислительного эксперимента произведена оп~ типизация геометрических и теплотехнических характеристик утилизатора на ТС;

на основа экспериментального исследования разработаны рекомендации по созданию и внедрению УГОН в системах теплофикации компрессорных станций магистральных газопроводов.

Практическая ценность работы состоит во' внедрении в производство рекомендаций по созданию утилизационных испаритольно-конденсационных систем на КС ЦТ.- Ьыявление основных факторов и

установление их влияния на интенсивность теплообмена-сребренных гравитационных тепловых труб при использовании в качества промежуточного теплоносителя водного дпстшшга с добавками антикоррозионного и антишризного характера дая интервала тешератур грающего те'плоносителя 250-500°С позволило разработать, изготовить и осуществить на ГЮЗ.Талыюе управления магистральных газопроводов "Чаркасснтрансгаз" пуск в' эксплуатацию опытно-промышленного образца утилизатора на ТС тепловой мощностью 2 ¡ЛБт.

Разработанные унифицированный вычи- ¡штзльнцй. модуль, алгоритм и программа теплового расчета и оптимизации УТО ТС на ЭВМ реализованы в практике создания сериШого образца утилизационного теплообменника на тармооиф^чах.

Диссертационная работа выполнена ь. соответствии с Комплексной целевой научно-технической программой по экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях Уингазпроыэ на 198С-90гг. и на период до 20ь0г., подпрограммой "Топливо" Харьковской областной комплексно!! научно-технической програмш "Ресурсы" на 1230-лОЮг. • - '

Апробация заботы. Основные гасериалы н результаты докладывались на Всесоюзно!: научно-технической конференции "Проблемы научно-технического прогресса в трубопроводном транспорте газа Западной Сибири" (Тюмегь, 1УЬ7), научно-техническом'семинара "Повышен!:; энергетической эф-]ектиЕНОсти систем теплоснабжения и вентиляции зданий и сооружений" (Челябинск, 19В8), Всесоюзной конференции "Энергоснабжение в транспорте газа" (Мпква, 1У89), конференции "Проблемы проектирования, изготовления и эксплуатации судового геллообмзнного оборудования" (Севастополь, 1285), Всесоюзной конференции "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологии" (Москва, 1990).

ПубликацииПо тепе диссертационно;! работы опубликовано У печатных работ. •

Структура и обтам работа. Диссертационная работа состоит из кьаденш, четырех глав, обцих ¿иводов, списка использованных источников, включающего <~?^накг,:знован-'и.

Работа содергспт С""~стрзнцц иагашоппсяого текста, рисунков, /'/ таблиц, приложений о'/ стр., всего /¿\0 стран.и.

2-У-5?

содашнив РАБОТЫ

Анализ существующих конструкций ресурсосберегающего оборудования на база тепловых труб по материалам публикаций в нашей • стране п за рубеяом показал, что специфические свойства тепловых труб (оэерхгвплопрозодность, термостатичность,- высокоэффективная теплопередача) наиболее успешно реализуются при использовании их в качестве конструктивных элементов при создании 'новых типов те-плоперодающих и тврмостагарующих устройств (теплопроводов, термостатов, теплообменников).

Отечественная практика создания теплообменников на тепловых трубах представляется работами Института тепло- и ыаосообмена АН БССР (Васильев Ji.Ji., Киселев В.Г.), Киевского политехнического института (Безродны!! U.K., Семена M .Г., Герцуни А.И.), Института газа Ail УССР (Пиоро Л .С.), Института технической теплофизики АН УССР (Голубинскяп В .И., Пиоро Л.Л.), Северо-Западного отделения ШШИэнаргшроь,а (Виноградов О.С.).

Значительный интерес- к утилизационным теплообменникам на тепловых трубах проявляется в США, Японии, 4РГ, Чехословакии.

К теплообменникам газоперекачивающих агрегатов в система утилизация тепла отходящих газов предъявляются как традиционные требования (иметь оптимальные энергетические и конструктивные характеристики, обладать минимальной металлоемкостью и трудоемкостью изготовления при заданной теплопроизводительности, иметь широкий диапазон регулирования параметров, в первую очередь тэ-плопроизводательностя, обладать высокой степеныз надежности и ■ ремонтопригодности), так и требования, обусловленные спецификой эксплуатации в условиях'КС. Являясь вспомогательным оборудованием, утилизационные теплообменники не должны шнать основному технологическому процессу - транспортировке.газа, а поэтому долины иметь минимальное количество технологических- и конструктивных связей с П1А, не оказывать- сущзств8ЕН01 о влияния на ре-яим работа агрегатов, то есть обладать минимальным аэродинамическим сопротивлением.

' Анализ литературных данных, зарубежного и отечественного , опыта в части создания высокоэффективного теплообменного оборудования показал, что наиболее перспективным для использования в системах подготовки и транспорта газа типом теплообменника являются теплообменники на тепловых трубах'(ТОТТ), обладающие по-

вишенной по сравнешш с градационными теплолередащвй способностью на единицу массы конструкции.

Применение в качества твплопврздаэдэго элемента ТО тепловых труб позволяет благодаря чрезвичайю большой эквивалентной теплопроводности- тепловой трубы создать высокоразвитую, компактную jj эффективную поверхность теплообмена, обуславливающую заметное уменьшение массы и габаритов TDTT а сравнении с традиционным! при одинаковых мощностях передаваемого теплового потока.

Несмотря на конструктивную простоту тецлотередаицэго элемен- • та и теплообменника в целой, создание новой конструкции ТОТТ для утилизации тепла различных технологических потоков требует прове- ' дэнля широгарс исследований и практической отработки принимаемых • решений о учетом условий эксплуатации теплообменника в реальном технологическом процесса.

Как правило, при создании УГОТТ целью исследований являются: получение надежна зависимостей для расчета теплопередачи при клпании п конденсации промежуточного теплоносителя в галловой труба с учетом влияния геометрических, тедлофизичзских и термодинамических параметров;

определение предельных теплопорэдающих характернотак ТГ; изыскание методов и способов повышения рабочих и предельных характеристик ,ТТ;

поисю. промежуточных теплоносителей, удовлетворяющих различны!/. условиям работы топлообмендш устройств и совместимых с материалом корпуса И;

разработка или вибор методик теплового и гидравлического Расчетов первичного и вторичного контуров тэялообм'енкого устрой-ïTsa и соответствующих расчетных з-висимоогеЗ о учетом возможных гаособов инт9нси$акедаи тзплообкана;

поиск конструкторских ранений ТО, удовлетворяющих трэбова-шда иадекности, экономичности, условиям компоновки о энарготех-. юлогическим оборудованием.

Создание УТОТТ для КС магистральных газопроводов осложнено )тсутстг '.ем надежных количйсгвенных зависимостей, описывающих ¡роцессц теплообмена в интенсифицированных тепловых трубах иовы-lenHOfi тепловой мощности, практической невоспроизводител-лосгью щтодак расчетов предельных плотностей тепловых потоков, проти-оречивостьи мнений различных авторов о характере влияния на те-лообман различных факторов, значителъным разбросом опытных и

расчетных данных, представленных в изученных публикациях.

Слокность задачи создания УТОТТ для КС LIT увеличивается за счет необходимости-учета ограниченных технологических возможностей предприятия-изготовителя (наличие труб соответствующих типоразмеров, проката и других материалов, поэможюстеЗ металлообрабатывающего, сварочного и прочего оборудования, систем контроля) и предприятия, внедряющего разработку (наличие необходимого оборудования, производственных площадей, мощности подъемно-транспортных средств)

С целью ограничить разумно необходимым уровнем объем исследований и практической отработки решении в условиях эксплуатации в работе сформулированы, основные подходи к созданию УТОТТ дай систем теплофикации КС ЫГ;

1. Учитывая условия размещения и эксплуатации ТО на КС припять в качестве теплопередакздего элемента, теплообменника гравитационные тепловые трубu-тврмо«фоны.

2. Ь качестве промежуточного теплоносителя рассмотреть химически чистую воду, обеспечивающую наибольший теплоперенос из всех известных теплоносителей за исключением яидких металлов и обладавшую рядом безусловные достоинств {таких как дешевизна, нетоксичность, покаробезопасность) дая использования на КС МГ.

3. Обеспечить высокую тепловую эффективность УТО за счет: ■ оребрения по всей дайне корпуса термосифонов (ТС);

использование разделяющих н сепарирующих вставок внутри ТС;

поперечного обтекания термосифонов;

перекрестной схемы течения теплоносителей вдоль поверхности теплообмена;

шахматного расположения ТС в теплообшнном пучке.

4. предусмотреть в разрабатываемой конструкции возможность интенсификация теплообмена в зоне конденсации чутем использования псевдоокижжецного слоя дисперсных частиц.

Б соответствии с требованиями эксплуатации ТО в схема теплофикации КС 1Д? УТОТТ для 111л. должен:

иметь технические характеристики, удовлетворяющие требования!,'. надежности, экономичности (тепловоГ: эффективности), условия; иоудоновки с I'UA КС;

обладать минимальной металлоемкостью (компактностью) и высо' кой технологичность© изготовления;

обладать высокой степенью надежности эксплуатации и ремонт-

G

юпригодноота в условиях КС;

обладать миюшадьним аэродинамическим сопротивлением. Удовлетворение вышеперечисленных требований реализуется в заботе использованием процедур оптимального проектирования, )снов!шм этапом проактной оптимизации УГОТТ является формирова-ще достаточно полной математической модели, представляющей возможность получения наделших количественных характеристик УТОТТ з исследуемого топового процесса.

Математическое описание утилизатора на термосифонах втиго-?аот уравнение теплового баланса и уравнения теплоотдачи, тепло-юродачи и теплопроводности, для каядой из элементарных стадий зроцесоа теплообмена мзаду гррюащм и нагреваемым теплоносителем

Q -fe - tsj/^ fe*, GJ, ' а)

у . _ / ¿-¿/г? /

гда , г

(2)

p ¿2 ' ' fe ~ J

^J^ ~ ^czkJ (3)

y¿3 - ^ • ¿-¿sjj (4)

где K-jat температура внутренней и наружной поверхности

термосифона в зонэ конденсации; Q - количество передаваемой теплота; 7ÍS - средняя темизратура термосифона"; ¿y ~ág - температура газа и вода; внутренняя и наружная поверхность термосифона в зоне l^парэиня; - внутренняя я наружная ' поверхность термосифона а зоне конденсации; сх^. - коэффициент теплоотдачи от ТС к нагреваемой воде в зоне конденсации; ofzu-коэффщаент теплоотдачи от уходящих газе к наружной поверхности труб в зоне испарения; - коэффициент теплоотдачи от внутренне;: поверхности термосифона к промежуточному тэплоносите- -лю; - ЩЦ термосифона,

Система уравнений (1-0 содержит неизвестные ,.

3-У-S8 ?

^ и S , Она нелинейна, гаи как коэффициент теплоотдачи от уходящих газов к наружной поверхности ТС является функцией теплового истока. Используя специфическую структуру системы (I 4-4), она ■ сведена к системе -двух уравнений о неизвестными , .

£

с/к

£

C/J¿

-Я СГУ

= 4

■/L

'S.K

ж.

-4

' 'у>. -с- •

(5)

где й определяется итерационным катодом из уравнения (I).

Решением системы (5) является точка разного нулю минимума функции ¿¿сгк-^«) ' ) *

где - оценки дед температур внутренней и наружной по-

верхности термосифона в зоне конденсации. Минимизация функция ££¿¿¡1,, "¿с,*) предполагает введение ограничений на аргументы -температуры и , так как они при оптимизации не могут принимать произвольные значения.

^<3#оеС

(6)

¿Л < <

^ /

Для обеспечения выполнения ограничения (6) введены новые не ременные и варьируемые во всем пространстве и связанные с ¿л и гТоркула'ки (7) в (6):

^ J (?)

= ^ ¿Г?* ' J 08)

ГД9 Лгу/^^у ¿'-¿-г

Проведенная замена переменных позволяет реаать нелинейную систему (5), используя безусловную минимизацию сумма квадратов неаязок . ^ ¿'¿ь, ).

Тепловой расчет УТОИ с использованием унифицированной ма--текатнчзской .подели осуществляется вычислительным блоком (модулей) и имеет ступенчатый характер, что определяется ступенчатостью теплообмена кевду газом и жидкостью. Ступенью контакта является ряд термосифонов. Расчэт аппарата сводится к определение

г.

температур газа, здцкости и передаваемого количества теплогц в последовательно расположенных рядах труб. На кандой ступени контакта предполагается идеальное смещение каждого из потоков, что позволяет считать, что температура потока на ступени контакта _£>авна температура на ее еыходз.

Указанная идеализация представляется допустимой ввиду небольшого перепада текиаратур на ступени, позволяя существенно упростить тепловой расчет, поскольку отпадает необходимость итерационного вычисления температур потоков на выходе ряда. Яри рао-чете аппарата задаются температура и объемный расход входящего газа, температура и объемный расход нагреваемой годы, а такие требуемая температура води на выходе из аппарата.

Основными результатами расчета УГОТТ явлштся количество ступеней контакта (рядов ГС), необходимое дая нагревания теплофикационной воды до заданной температуры, потеря давления газа, а такае полная площадь поверхности теплообмена, последовательный расчет аппарата по ступеням производится до тех пор, пока температура води, входящей в ступень, не станет низа заданного ее значения на входе аппарата. Для определения коэффициентов теплоотдачи с(2</> и с/2к используются известные расчетные соотношения.

Вычислителпш мо.пуль представляет возможность определения коэффициентов теплоотдачи от нарукчой поверхности ГС вазоне конденсации к сетевой воде и в случае использования дая интенсификации теплообмена лс^вдоошшгенного слоя, а такяе позволяет рассчитывать критические и текущие потоки тапла, передаваемые поперечным сечением термосифона в зонах испарения и конденсации.

Тепловой расчет УТОТТ реализуемся прогрг.шшм модулем (язык программирования 1и1/1), содержащим внутренние программные блоки расчета коэффлодшнтов- теплоотдачи, вспомогательных величин и значений теплоргаических свойств газа и вода.

Одиночные расчеты осуществляются загрузочным модулем РГТД^б, представляющим собой локальную программу расчета о вводом данных а выводом результатов.

Ьля получения информации о процессах, лротекаюцих в аппарате, адаптации параметров, определяющих ход теплопередача от грз-юцего теплоносителя к нагреваемому через специфически:'! теплопе-рэдающий элемент-термосифон, использованы средства бычколитоль-ного эксперимента. При этом утилизационный теплообменник на

термосифонах рассматривается как слошая стохастическая система, к входным параметрам которой отнесены: - дайна термосифона;

отношение длины зоны испарения, к дайне грубы ¿те ; с/^ - наружный диаметр ТС; т - количество ТС в раду УТО; - ко -личеотво рядов ТС; шаг ребер на термосифоне; ф,- высота

ребра; - расход отходящих газов; £„— температура отходящих газов; & - расход теплофикационной воды; температура воды системы теплофикации.

Ьыходные параметры системы включают: <5 - тепловую мощност! 10; ¿Р - аэродинамическое сопротивление теплообменника; ¿г,— те мпературу отходящих газов на выхода из аппарата; - температ^ ру нагреваемой вода на выходе из водяной камеры УТО.

11лан вычислительного эксперимента ¿оршруетоя специальным программным комплексом, которым генерирует наборы входных параметров в 63 равномерно-распределенных точках последоватол: носги. Целью -вычислительного эксперимента являлось определенна вляяеия вариаций» 12 входных параметров га тепловую мощность теп лообмаыника, аэродинамическое сопротивление УТО, выходные теша ратуры газа и тепдофисадаониой воды.

Анализ результатов опыта в центре плана определил иешсоку степень нзлинвШоати полученных моделей, что позволило ограничиться пра моделировании процесса теплопередачи в ¡ЛОТТ линейны ыа уравнонияма регрессии.

Уравнения регреосии, полученные, по результатам рехресионнс го анализа данных вычимштагьного-эксшришнта, икавт следуют! вид ^ ^ -¿993 * '22, ^ ■ ^ ¿Г^ /

Анадаз значимости гюэффацавнтов уравнений (9-12) позволил установить, что на величину тепловой модности теплообменника С наибольшее влияние оказывают вариации параметров ,

4о

¿y , Аэродинамическое сопротивление наиболее "чувствительно" . к изменениям 3- , , ¿i ¿/ т , конечная температура газа-

t¿r- к изменению , » £ , и конечная температура воды к

изменению , >7*/ Результаты регрессионного анализа

данных вычислительного эксперимента представлены в табл. 1. Влияние входных параметров на тепловую моцность, Еыходаую температуру ваДа, аэродинамическое сопротивление и выходную температуру газа представлены на рис. I»

дашше о степени влияния входных параметров на показателя процесса теплопередачи в УТОГГ использованы в качества исходной информация при выборе методики и реализаций проектной оптимизации конструктивов а режимных параметров утилизационного теплообменника на ТС для HJ магистрального газопровода.

Оптимизация конструктивных характеристик ПО IliA ПК ЮИ реализуется комплексом программ многокритериальной оптимизации йСОР (разработка ШШ Карбонат, г. ларьке j). tí качестве критериев оптимизации были выбраны:

(У - взс трубного оснащения теплообменника;

лр - аэродинамическое сопротивление теплообменника по. газу.

С помощью замени переменных осуществлен переход от оптпот-зац&и с ограничениями на парацетры к безусловной оптимизации.

Upa stoia; • ' '

'M^^J-fa^faJ (13)

/ а I, г, Ó.

Когда , i.e. для новых перемен-

ных , ограничения на установлены.

t "тг'ч

¿ ~ X, 2, О.

.пра оптимизации конструктивных характеристик варьируются длина термосифона, отношение наружный диаметр термосифона, ширина ряда трубного пучка, расстояние иеаду трубами в ряду, зазор казду трубами. Таким парамеграм, гак расстояние кезду рзбра-..л, высота ребра, расстояние между рядаци ТО, толщина ребра присваиваются ^шкеяроваящэ значения. Одт-миэацая- осуществляется

-И

Таблица I

Отклики -

Параметр Тешмяая кода ость Лэродинаки-ческое сопротивление) Конечная тешаратура газа конвчгшя .температура вода

козф, |раыг ксоф» (ранг k0s&. ранг ранг

Длина трубы, 10 -227 , 6 -36,5 8. -2,82 а

Отношаниа 2673 - -I&7I 2 т 35,14 2

НаруанкЯ циаыэтр трубы, атс , ш 6,0 7 1,642 9 -1,31 7 0,0166 II

Количество труб в раду, гп 9 -63 ,S 4 -3,44 fc -0,24 9

¿азор иавду трубами z , ш, -3,49 .5 -0,69 I 0,78 3 -0,042 7

bar padpa на бе <Sp , ш -42,7 4 -b.S а 10,9 2 -0,35 6

Высота рзбра mm j 6,54 В -0,74 5 -1,68 5 -0,036 10

Расход газа, £ , ш3/о 270 3 220 з 4,0 10 2,4В 5

•Температура газа, 3,64' x 0,117 10 0,13 6 0,(kQ 4

Расход вода, кг/с -0,34 II -0,043 II 0,31 II ~0,Ь21 3

Температура вода, 4?» 00 4,67 6 -2,17 7 -I.I& 4 i

СвободHilii чд9в -3^3 2369 765 -21,4

0? ,4. 35,6 14,9 1,23

0,Ш1 0,333

\г

Рис. I Влияние вариагий входных параметров на тепловую

мощность и аэродинамическое сопротивление З^ТОТТ—2

1Ъ

методом прямого поиска Хука и Ддавоа. из всех допустимых решений ЭВМ выбирается доданоааство сриблиденно-эу&вктивнцх наборов конструктивных характеристик, обзслачллакдих развитую орабрешую поверхность ПО, заданную таалшрошаодательность- при заданной ограничении на величину аэродинамического сопротивления.

Хадловг i мощность высокоэффективного УЮТЕ, обдающего большой удельной тэдлоперэдащей способностью (на едеишо» меооа конструкции), прямо зависит от • величины тепловой вдцаоста локального терцосафона.

В самом общей случае ташопередающая способность '10 сдсашьи образш определяется теплопроводностью материала стенок, геомат-р.ласкши разиералш и конструкцией термосифона, вддоч л стензнхю заполненности IV промежуточным теплоносителей, уралнзи вакууиа внутренней полости, режимом теплопередачи ь зонах дод-ода, транспортировки и отвода ташн, способов оргашзацаи вджуляцпи паровоза и гшдкой рз пршзедточного теплоносителя, оризнтацаай l'ü в пространства.

Наибольшее влияние на величину ташюиоредаадаа способности ТС оказывают ракш теплопередача. в зонах подвода, транспортировки и отвода тепла, а такзэ способ орханизащи цдркулявдд паровой и аадкбй промежуточного теплоносителя.

Аналитический учат паяния на предельный т8шюаереаос в TG большого количества дртшх и. коовенянх факторов связан со зиачитальные слоашстяма в связи с яш в практика создания ТОТТ обычно используются эширичосиш сценки уровня предельного хеядодерз-носа, получаемые на основе исследования тормозящих ¡¿издчэсшзх эффектов, веду идах к нарушай® ароцаееоз теддоиассопореносэ в УС конкретного назначения, возникновение которых определяется сочетание: конструктивных характеристик и мракетричэских условий работа термосифона в конкретном тедлоосщонном устройство.

- Д'тя выявления'факторов, оиазывгвдих оцухааов воздействие на величину предельного гедломреноса термосифонов в У ТО КС мГ проведет стендовые исследования рабочих и предельных характеристик натурных двухфазных тзрыоси^опоз четырех различных исполнении, отличающихся -способом организации взаимодействия встречных потоков пара и стекающей пленка конденсата, стелены, чаладщения ТС промежуточным теплоносителей, характеристическим параметром х. качества эталона сравнения принят термосифон 1-го исполнения км без раздалаталы.оп. вставки.

Геометрические параметры исследованных термосифонов представлены в табл. '¿.

Анализ полученных результатов показывает, что: I) установка в IX! 22 ии. разделяющей вставки приводит к увеличению тепловой мощности '1С.в 2,5 * 4,5>аза на тешера-турном уровне отходящих газов 400°С.

Таблица 2

Параметры Обозначе- г ¡Размерность 1 .„ . ________ Исполнение

......■ ........ ния 1.0 11 1 ВГ

Ънутренний диаметр 18,0 32,0 18/32 "

Мина зоны испарения К ы и,а ■ 0,9 1,31 0,9

Алина зоны кон-, денсации & ы 0,45 0,45 0,56 0,45

Шружный диаметр вставка ХО"3!.! — 8,0 _ 16,0

Степень заполнения ТС % 66 66 33 42

Нарушши диаиагр оребрения 10Л1 ХО-^м 33 33 64 39

Высота ргбра > 9 9 14 8

2) существенное увеличение тепловой мощности (около 8 раз по отношению к эталонному ТС) получается и термосифоне Ш-го исполнения без разделительной вставка с увеличенными в сравнении с эталонным ТС длиной зоны испарения (в 1,45 раза) диаметром

(в 1,6 раза) и высотой рэб^з (в 1,5 раза) при степени заполнения ТС 33% против эталонного термосифона.

3) показатели тепловой мощности ГС ЦГ-го^исполнения на температурном уровне 400°С практически не отличаются от '11! 11-го исполнения, что свидетельствует о пзссазршзнства конструкции разделительной вставки к сепарирующих средств а термосифоне Б'-го исполнения.

ла основе приведенных теоретических и экспериментальных исследований была разработана я~кструкция опытно-промышленного образца УЮТ! (рис, 2).

ТеплосОменшй агрех^ат установлен „а отводящем от основного

Ъ - '

Рис. 2 . Утилизационный теплообменник на термосифонах УГОТТ-2

4G

1 шел одного тракта канале газотурбинной установи! ГТК-ЮИ кош->ессорной станции '¿альноэ Уьй1 Чаряассытрансгаз.

Теплообменник состоит из двух отдельных блоков (по воде), ассчитанных как на совместную, тан и на самостоятельную эксплу-тацию. Блоки жестко скреплены между собой и имеют общие входной . выходной фланцы, которыми ТО присоединяется к газоходу, а гаке общие коммуникации по вода. ?ТЩТ оснащен тепловыми трубам вух модификации. Один блок имеет ¿¡10 термосифонов дайной 1440км диаметром 0 '¿'¿ш, другой - 100 термосифонов, данной 1Э40мм и иа метр ом 0 38м,и Зоны испарения термосифонов ореброны.

Выхлопные газы ГГУ на входе УГОЛ разделяются на два парал-элышх потока. Расход выхлопных газов, протекающих через каздый док, регулируется автономными жшшзи, упраьлвЕие которыш может существлятьоя как вручную, так и автоматически.

Ьода системы, теплофикации 1С нагревается в водяных камерах ГОТТ, соединенных последовательно.

Технические данные УТОП' представленн в табл. 3.

Таблица 3

Наименовала параметров

шмоехзо блоков юход'вода суммарны¿1, кг/с 1Ш1ениэ сотовой вода, Ша мпература сетевой воды, °С

на входе на выходе шература выхлопных газов, Я:

на входа ка вшеодэ

идэрная молщос.ь, )3т сход выхлопных газов, кг/о '

Величина

25,0 и, В

70 115

500 170 2 50

Олытно-прошшганнцй образец утилизатора на термосифонах ошзл теплотехнические испытания на 1С£3 Тальное в марте 1ЭУ0 г. весенний г. и осшшо-зиший период 1У30-91 гг. находился опытной эксплуатации а система тепловикациа Ки. В декабре 1ЬЭ1г.

К

принят в эксплуатацию приемочной комиссией иО Укргаздром. -

Анализ результатов испытании УШГХ доказал у довл а творительное совпадение расчетных и опытных данных по тепловой мощности утилизатора при различных технологических схемах подключения сакциМ (совестная или отдельная работа).

Тепловая мощность утилизатора, аолучанна,. в результате теплотехнических испытании в режима совместной работы 1,41 + + 1,6 Шт, расчетная 0.= 1,4&7 .айт. ^ри работа отдельно дерво1 секции мощность теилоутылизатора экспериментальная составила О « 0,909 - 1,0ЬЗ Шт, расчетная - 0,95У ¡йЬт. При работе отдельно второй секции мощность экспериментальная составляла 0 = - и,85Ь + 1,4 ыВт, расчетная - 1,14 юг,

Как сиедует аз анализа результатов испытаний, реализованные отношения и ^^ на оптимальны для данных тепловых рекимов, так как обуславливают работу ТО в закритичаской зоио, что объясняет уменьшим до сравнении с предельными единичные мощности ТО.

Ъ результате испытании установлено, что существует йрадель-воз значение тепловой мощности Л'О с заданным количеством тепловых тр^б и заданным соогшдешш > котором никакое уменьшение расхода отходящих газов (подводимой мощности) но поз-всйяет долучлть ролами эксплуатации с докритичеоким тепловым потоком бэз изменэшз конструктивных'параметров тепловых труб.

СОдСкиШ ВочСДИ ли дИОО^ТАЦииЬОл Е&йОТ^

1. г'азрабогашша тепловые схеш и конструкции толлоутили-заторов на термосифонах могут использоваться в системах тедло-®икаг,:1и кошроссоршх отавции магистральных газопроводов, обеспечивая высокую эффективность утилизации, экономичность, повышенную ремонтопригодность, простоту и надеьиость .эксплуатации.

2. проведенные экспериментальные исследования натурных термосифонов показали эффективность применения оребренных термосифонов, обустроенных идандрическши*разделящшш вставками по всеп длина термосифона с соотношением площадей каналов дил прохода жадности и пароводяной смеси =0,12 - С,Та. Оптимальные значения конструктивно*. параметров находятся при этом

в интервалах: ль - ОЬ ьм, 0,а - 1,ь к, - 17 км

при степени заполнения термосифона промежуточным теплоносителем

аиной 0,3 * 0,3о объема золы испарения.-и качестве промеауточ-ого теплоносителя а 'ГО ¿'ТО КС Й' допустимо использование хими-ески очкцонно'й вода с добавлением специальных компонентов, сни-. аищях температуру замерзания промежуточного теплоносителя, за-вдаящих точвшв коррозионных процессов и процессов выделения екопденснруюцихся газов. .

3. ¿ни^ицировопнал ¡математическая модель а вычислительный одаль теплового расчета теплообменника на термосифонах позволит учитывать специфику работы УТОТТ в условиях эксплуатации а компрессорных станциях магистральных газопроводов.

4. и результата вычислительного эксперимента получены рег-ессионние.зависимости тепловой' коицюсти -теплообменника Ц , эродинамичоского сопротивления ¿>/> , выходных температур газа

теплофикационной воды ¿¿^ от одиннадцати ренимио-кснст-уктивных входных параметров, иоказано, что основное влияние а и. оказывают начальная те шара тура отходящих газов , рас-од отходящих газов н огноиоиио ^/ф • величина азродинами-зокого сопротивления ¿р зависит главным образом от количества-вдов ГС ¿- , отношения я расхода отходящих газов.

5. Адаптирован для сптакшации конструктивных характеристик УТО П'Л-10Й комплекс программ мяогокритзриальной оптидшза-аи ¿¡СОР, позволяющей получать оптимальные по заранее устанаа- ■ ■лваошш критериям геометрические характеристики, обесшчиЕав-м развитую цoвepxíIOCть теплообмена УТО, его васокуэ теплопро-зводатольносхь при сравнительно небольшом аэродинамическом со-зотивленни.

6. ¿1а основе проведенных исследований разработан комплекс ¡горитмических И'Програышшх средств, позволяющих создавать шструкцдн УТОТТ для систем теплофикации компрессорных станций ¡гистральных газопроводов с учетом специфических условий эксп-гатации.

Внедрение разработанного утилизационного теплообменника на ! в системе теплофикации КС, обустроенных ШУ ПК-ЮИ позволяет ) лучить экономический эйект в размере 70,0 тыс .руб. в год на аппарат.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих [ботах: -

I. Воробьев О.Б., Редысо-А.й. Ьыбор технологических решз-:й для создания оптимальных схем утилизации вторичных энерго-

ресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов. //Тез .докл. Ьсесоюз. каучно-техц. кон.у. "проблемы научно-технического прогресса в трубопроводном транспорте газа ¿западной Сибири" (27-31 мая 1937 г.), - Тюмень, Х9Ъ7, с. 12-13.

2. Воробьев О .В., Редька А.Й., Ъасова П.¡л. 'Геллоутялизахор т таллоанх трубах а системе техиосшбхения компрессорных станций магистральных газопроводов. //Тез. докл. научно-техн.сешш. "Цовытениз энергетическое эффективности систом теплоснабжения и вентиляции зданий и сооруаениЁ". - Челябинск, ХйЬсэ, с. оЬ-Ь9.

3. Воробьев О.В., гедько А,^., Ьасова'и.и. Уни^нцироващшй

-тешюобмешнш модуль на тепловых трубах. /Дез. докл. I/ Всасошз. конф. "Цробдаш трубопроводного транспорта нефти и газа" (13-16 -февраля 1939 г.), - иосква, 19ь9, с. "134-135.

4. Редыю А.й., ланцберг Ьасоаа ¿¡..и., Воробьев О.В. Моделирование и оптимизация геплоутилизатороа на тепловых трубах для ГГУ ХТК-10 /Дез. докл. постоя Ъсесоюзн. конф. "Авух^азныД поток в энергетических шшинах'и аппаратах" (23-¡¿5 .октября 1990г. - Ленинград, 1990, с. 16й-1£й.

Ь.-А.с. Х629731 СССР, »Ш - 23Д 15/00. Теплообменник. /О.Ь. Воробьев и др. - Одубд. 23.02.91, ши. Не 41.

6. Редъко А.Ф., Воробьев 0.е., ласова к.сА., Андреев л.х!., ■Лшщберг Д.Г. Теплоутилизагор да тандоанх трубах в системе теплоснабжения. /Дез. докл. Ьсзсоюзн. кону.>. "научные основы создания онаргосбареплодзй техники а технологии" (27-29 ноября 1990 г.), -Москва, 1900, с. Х96-Х97."

7. Воробьев О .В. У.тшшацаошшй теплообменник на термосифонах. //Жфорыацаошшй. листок об ЬТД. Ларьков: ¿хЩЛ, 1991, У 91115. ■ '

о. Воробьев. О .Б. Уосшш зациошшй теплообменник ш тепловых-, трубах //Реклама, Газовая нрошманность, Ыосква, 13ь>1, И 5.

9. Воробьев О.Б., Редъко А.Ф., Лаадберг а.Г. Оптимизация конструктивных ¿араматроа тепдоутшшзаторов на термосифонах доя Ш ПК-Щ4. // В кн. Вопросы развития газовой промышленности Украины. Ььсвшя школа,- Харьков, 1991, с

ОЗШМШ ОЪОЪИШпЛЯ

- тепловая мощность, вт; С - массовый расход, кг/с;

Т - абсолютная температура, К; о< - коэффициент теплоотдачи, вт ( (н . К); к. - коэффициент теплопередача, вт / См .К); С - удельная теплоемкость, Дх / (кг .. К); Iе - площадь, ы ; ¿/2> - диаметр, ы;

- геометрический размер, м; ¿Г^*"" тепловой. поток, Ьт/м^;

чС, А -- шаг, высота ребра, ы;

Г' Г / Ю— скорость, и/с;

Р^аР - давление, перепад давления, На;

Индексы: -

& - гладкая; •

- оребреншй; г - газ;

- средний; <=г - стенка;

^ - эффективный;

- ребро.

Поди, к печ. АЙ ¿»X А? - -- ' . Формат вОХМ'/и- Бумага, тип. . Печать офсетная. Усл. печ. л. . Усл. кр.-отт.^/^

Уч.-изц. л. /, б . . Тираж /о-0 _Зак. № . Бесплатно.__

РАНО «Укрвузполиграф». 252151, г. Киса, ул. Волынская, 60.