Восьмая Международная Научно–Техническая Конференция Студентов и Аспирантов
«Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика»

Москва, Московский Энергетический Институт, 28 февраля — 1 марта 2002 г.

Тезисы докладов: Том 3, Секция 34 — «ТЕПЛОФИЗИКА»

Гусева Дарья Владимировна, студ.;
рук. В.В. Ягов, д.т.н., проф. (МЭИ)

РАСЧЕТ СВОЙСТВ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ АНАЛИЗЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ

Кипение смесей широко используется в химических и нефтехимических технологиях, в холодильной промышленности, в воздухоразделительных установках и ряде других технологий. При расчете теплообмена при кипении, помимо проблемы построения адекватной модели процесса, возникают значительные сложности в выборе надежных методов расчета теплофизи-ческих свойств смесей в зависимости от состава и давления, так как табличных данных по свойствам смеси почти нет. В настоящее время наибольшее распространение получили эмпирические формулы, позволяющие рассчитать теплофизические свойства бинарных растворов по известным значениям исходных компонент и их концентраций.

Задачей работы является исследование методов расчета таких свойств смеси, как теплопроводность, вязкость, поверхностное натяжение и энтальпия с целью выбора наиболее надежных для дальнейшего использования в расчетах теплообмена при кипении. Для теплопроводности расчеты проводились по уравнению Л.П. Филиппова, Д. Баррата и Г. Неттелтона, Л.П. Филиппова и И.С. Новоселовой, Джордана-Коутса, Ли. Для вязкости -по уравнению Макаллистера. Для поверхностного натяжения - по уравнению Тамуры Кураты и Одани для водных растворов. Энтальпия - аддитивно по массовым долям компонентов в смеси. В работе представлены результаты расчета для смеси этанол-вода при давлениях 0,1; 0,3; 0,8; 2 МПа, Они были сопоставлены с данными Ohta и Fujita для тех же давлений. На основании полученных результатов были выбраны наиболее надежные методы расчета данных свойств.

На основе рассчитанных свойств, проведен расчет коэффициента теплоотдачи смесей этанол-вода и ацетон-вода. Полученные результаты были сопоставлены с данными эксперимента Л.Н. Григорьева и А.Г. Усманова. По результатам проделанной работы можно сделать вывод, что разработанная на кафедре ИТФ методика расчета коэффициента теплоотдачи при кипении бинарных смесей в сочетании с надежными методами расчета теплофизических свойств позволяет с достаточной точностью описывать имеющиеся опытные данные.

Круг Александр Федорович, студ.;
рук-ли Ю.А. Кузма-Кичта, д. т. н., проф., С.В. Кононов, к. т. н, зав.лаб. (МЭИ)

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ КАНАЛЕ С ОДНОСТОРОННИМ НАГРЕВОМ

В ряде элементов современной техники происходит теплосъем при неоднородном нагреве поверхности. Такие условия могут возникать при одностороннем внешнем нагреве горизонтально расположенного канала, охлаждаемого изнутри водой, циркулирующей по замкнутому контуру. По периметру поверхности охлаждения могут существовать различные режимы теплосъема, идентификация которых, а также идентификация возникновения и развития кризиса теплообмена является достаточно сложной и малоизученной проблемой.

Кризис теплообмена при одностороннем нагреве горизонтального канала исследован в работах [1, 2]. Обнаружено, что при низких массовых скоростях (rW~ 200 кг/м2с) медное спеченное покрытие приводит к повышению критической тепловой нагрузки до 3,5 раз [1, 2], Однако имеющиеся опытные данные крайне ограничены.

В настоящей работе анализируются режимы теплосъема при одностороннем внешнем нагреве горизонтальной медной трубы, охлаждаемой не-догретой водой. Рабочий участок имеет плоскую приемную поверхность размером 50 х 14 мм, нагреваемую пучком электронов.

В экспериментах измеряются распределение температуры в стенке рабочего участка, температура и давление воды на входе и выходе рабочего участка, а также пульсации температуры стенки. Для расчета условий теплосъема на поверхности охлаждения решается обратная задача теплопроводности с использованием данных измерений. Результаты расчета позволяют провести идентификацию режимов теплосъема по периметру поверхности охлаждения. Полученные и известные опытные данные по критическим тепловым нагрузкам сопоставлены с расчетными по предложенной в [1] формуле. Работа выполнена при поддержке по гранту Министерства образования РФ.

Литература:

1. Enhancement of heat transfer at boiling with porous coated surfaces / Y.A.Kuzma-Kichta, A.S. Komendantov, V.G. Bakunin, G. Bartsch, R. Goldschmidt, M. Stein //3td European Thermal Sciences Conference 2000. P.809-814.
2. Интенсификация теплоотдачи в горизонтальном парогенерирующем канале / А.А. Оводков, Ю.А. Кузма-Кичта, А.С. Комендантов, Л.Т. Васильева, Б.Ю. Сухов // Химическое и нефтяное машиностроение. 1993. № 10. С. 17-19.

Курзина Мария Александровна, студ. (МЭИ);
рук. Н.Г. Разуванов, к. т. н., ст. н. с. (ОИВТ РАН)

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ В ПОТОКЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЕ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Жидкие металлы (ЖМ) находят все более широкое применение в науке и технике. Они являются очень привлекательными теплоносителями и рабочими средами в перспективных энергетических установках, в частности, в термоядерных реакторах (ТЯР) типа токамак. ЖМ обладают рядом специфических свойств, по сравнению с другими теплоносителями, поэтому их использование требует дополнительных исследований гидродинамики и теплообмена.

Измерение поля скорости в не изотермическом потоке ЖМ представляет довольно сложную задачу. Использование традиционных методов измерения скоростей в непрозрачных электропроводящих жидкостях часто невозможно или сопряжено с большими трудностями как технического, так и принципиального характера. Корреляционный метод является наиболее приемлемым для таких сред.

В работе проведены измерения профилей продольной компоненты скорости корреляционным методом в потоке ртути в горизонтальной обогреваемой трубе в условиях однородного обогрева. Условия эксперимента приближены к течению в бланкете ТЯР. Для этого был изготовлен и смонтирован на зонде рычажного типа корреляционный термопарный датчик.

Получены профили осредненной скорости в горизонтальной и в вертикальной осевых плоскостях для разных чисел Рейнольдса для разных плотностей теплового потока как при отсутствии, так и при наличии магнитного поля. Результаты измерений даны в сравнение с зависимостью Рейхардта (профиль при турбулентном течении без свободной конвекции). Результаты измерений показывают:
- даже при малом значении теплового потока на стенке (qc = 5 кВт/м2) влияние термогравитационной конвекции (ТГК) на поле скорости - существенно.
- экспериментальные точки сильно отличаются от зависимости Рейхардта. Вторичные течения ТГК накладываются на вынужденное течение и сильно нарушают осевую симметрию поля скорости: максимум скорости смещается к низу трубы, горизонтальный профиль принимает М-образную форму.
- с ростом величины магнитной индукции продольного МП, влияние свободной конвекции не ослабевает, а напротив, эффекты, вызванные ТГК, усиливаются.
- с возрастанием скорости потока влияние ТГК снижается.

Севастьянов Юрий Анатольевич, соиск.;Гусев Михаил Александрович, студ.;
рук. А.П. Севастьянов, к.т.н., доц. (МЭИ)

ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ СТРУЙНЫХ ДВУХФАЗНЫХ АППАРАТОВ В НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На ряде нефтяных месторождений при применении термического способа увеличения нефтеотдачи целесообразно использовать струйный паро-жидкостной насос-подогреватель (СНП), предназначенный для теплового воздействия на нефтяной пласт, тепловой обработки призабойной зоны, подъема продукции на скважины. Принцип действия СНП: повышение давления жидкости за счет преобразования части энтальпии пара при его смешении с жидкостью в кинетическую, а затем потенциальную энергию жидкости. Одновременно осуществляется нагрев жидкости за счет конденсации пара при их смешении.

В наземном исполнении СНП может быть применен для приготовления теплоносителя высоких параметров; в скважинном исполнении- в качестве насоса для подъема продукции на поверхность при относительно низких пластовых давлениях.

По методике МЭИ (модель дисперсного течения) были проведены расчеты характеристик погружного термоинжектора для условий Усинского месторождения при различных концентрациях нефти, разработана конструкция термоинжектора, определены геометрические размеры, спрофилирована проточная часть, созданы программы расчета. Программа расчета, конструкция аппарата и рекомендации могут быть использованы при разработке термолифтного способа добычи нефти. Ожидается повышение дебита скважины за счет прогрева призабойной зоны и лифта, а расход пара составит от 100 до 200 кг за тонну поднимаемой нефти (для Усинского месторождения).

Экономический анализ двух схем нагрева воды высокого давления для нагнетания в скважину: от двух установок УППГ-9/120 и одной установки УППГ-9/120 с применением СНП показал, что во втором случае сокращаются габариты установки «парогенератор УППГ-9/120-СНП», что скажется на снижении капитальных затрат как за счет снижения затрат на химическую очистку, так и за счет применения менее мощных механических насосов, увеличивается надежность работы схемы в целом.

Технические характеристики СНП (при расходе горячей воды 50...250 м3/сут): давление и температура нагнетания горячей воды 3...15 МПа , 120...220 °С; давление влажного пара 3...10 МПа; давление холодной воды 0,2...3 МПа; габариты-350/100/100; масса 10кг.

Севастьянов Юрий Анатольевич, соиск.;Гусев Михаил Александрович, студ.;
рук. А.П. Севастьянов, к.т.н., доц. (МЭИ)

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУЙНОГО АППАРАТА В СХЕМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЯНОЙ ПЛАСТ

Одним из вариантов термического способа увеличения нефтеотдачи является закачка горячей воды под высоким давлением в нефтяной пласт с низкой проницаемостью коллектора.

В работе рассматривается способ получения горячей воды высокого давления путем смешения холодной воды с паром в струйном насосе- подогревателе (СНП). Основное принципиальное качество СНП- повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии. Применение СНП позволяет проводить смешение пара с водой при разных давлениях сред, существенно повышать давление инжектируемой воды, снижать расход химически очищенной воды, применять для закачки пластовую воду. Отсутствие движущихся или вращающихся частей, простота конструкций и эксплуатации повышает надежность установки и схемы.

Экспериментальное исследование энергетических характеристик СНП проводилось с целью выявления особенностей работы СНП от серийной передвижной парогенерирующей установки ППУА-1200/100, производящей пар со степенью сухости 0,1...0,3 в диапазоне начальных давлений пара 1,0...2,0 МПа.

На основании разработанной в МЭИ и скорректированной по результатам экспериментов для влажного пара инженерной методике расчета СНП проведены расчеты и разработаны номограммы для определения энергетических характеристик СНП (прежде всего давления и температуры горячей воды) при заданных начальных параметрах в зависимости от основных геометрических параметров СНП.

Разработана конструкция СНП, определены геометрические размеры конструкции, позволяющие нагревать воду до 200...300 °С и нагнетать ее в скважину под давлением 16...20 МПа для следующих начальных параметров на входе в СНП: температурах пара и воды соответственно 320 °С и 10...20 °С и начальном давлении пара до 16 МПа. Разработанные программы позволяют выбрать геометрические размеры СНП для достижения требуемых параметров нагнетаемой горячей воды при заданных начальных параметрах пара и жидкости. Разработанная методика расчета, номограммы и конструкция СНП могут быть рекомендованы к внедрению.

Устинов Александр Александрович, студ.,
рук-ли Ю.А. Кузма-Кичта, д.т.н.,проф., А.К. Устинов, к.т.н., в.н.с. (МЭИ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ФАЗ ПРИ КИПЕНИИ

В работах [1,2] зафиксированы с помощью акустического и оптического датчиков колебания границы раздела фаз при росте парового пузыря. Получены спектры пульсаций границы раздела фаз и давления в жидкой фазе, а также распределение частот колебаний. Зафиксированные колебания являются как изменениями формы паровых пузырей, так и их объема.

В работе анализируются колебания границы раздела фаз на основе системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамику парового пузыря около поверхности теплообмена, баланс массы пузыря и изменение толщины пограничного температурного слоя около его поверхности. Изменения теплофизических параметров в пузыре описываются по-литропным процессом.

Решения получены в виде изменений радиусов парового пузыря и давления в нем во времени и фазовых портретов. При изменении теплофизических параметров в фазовом пространстве возможно появление аттрактора.

Установлено, что колебания границы раздела фаз возникают вследствие одновременного протекания процессов конденсации и испарения на межфазной поверхности. Скорость движения границы раздела фаз и давление в пузыре для маленьких пузырьков могут испытывать большие флуктуации, а для больших пузырьков - малые. Полученные результаты позволяют определить область существования амплитуд и частот колебаний границы раздела фаз и могут быть использованы при моделировании процесса кипения.

Литература:

1. Kuzma-Kichta Yu.A., Ustinov A.K., Ustinov A.A. Investigation of boiling process by the method of laser and acoustic diagnostics // 3-rd European Thermal Sciences Conf. September 10-13, 2000. Heidelberg, Germany. Vol.2. P. 713-719.
2. Kuzma-Kichta Yu.A., Ustinov A.K., Ustinov A.A. Investigation by la ser and acoustic method of interface oscillations during boiling // Boiling 2000 Phenomena & Emerging applications Conf., Anchorage, Alaska, April 30 - May 5. Vol. l. P. 100-115.

версия для печати

Следующая страница: Конференция «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» 2003 год