|
ХАРКIВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
БУДIВНИЦТВА ТА АРХIТЕКТУРИ
КОЛЕСНІК Наталiя Юрiївна
УДК 697.34
ВИКОРИСТАННЯ НИЗЬКОПОТЕНЦIЙНИХ ТЕПЛОВИХ
ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСIВ МАСЛЯНИХ СИСТЕМ
ОХОЛОДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ АПАРАТIВ
05.23.03 - Вентиляцiя, освiтлення та теплогазопостачання
Автореферат
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
кандидата технiчних наук
Харкiв – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Редько Олександр
Федорович, завідувач кафедри теплогазопостачання,
вентиляції та теплових вторинних енергоресурсів
Харківського державного технічного університету
будівництва та архітектури, Міністерство освіти і
науки України
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Губар Валентин Федорович завідувач кафедрою теплотехніки, теплогазопостачання і вентиляції Донбаської державної академії будівництва і архітектури, Міністерство освіти і науки України
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Немировський Ілля Абрамович начальник відділу
Харківської державної інспекції з енергозбереження
Провідна установа: Харківський державний політехнічний університет, кафедра
теплотехніки, Міністерство освіти і науки України
Захист відбудеться 4 жовтня 2000 року об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002., м. Харків, вул. Сумська, 40.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.
Автореферат розісланий 2 вересня 2000 року.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради,
к.т.н., професор Колотило М.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть роботи. В умовах гострої нестачi природних ресурсiв для України актуальним є завдання використання теплових вторинних енергетичних ресурсiв / ТВЕР/.
Згiдно наявних даних, у малiй енергетицi споживається близько 50 % усiх енергоресурсiв України. Загальна ефективнiсть використання природного газу у централiзованих системах теплопостачання складає бiля 40 %. Крiм того, об'єкти комунальної енергетики є значними джерелами забруднення повiтряного басейну.
Нарiвнi iз загальновiдомими джерелами високопотенцiйних ТВЕР варто звернути увагу на низькопотенцiйнi, що максимально наближенi до споживачiв i досi не використовуються. Таким джерелом є системи водяного й масляного охолодження енергетичних апаратiв, наприклад, охолодження силових трансформаторiв, якi є на всiх промислових пiдприємствах, об'єктах iнфраструктури комунального господарства, в житлових комплексах. Iснуючi системи охолодження трансформаторiв не придатнi для цiєї мети у зв'язку з низьким коефiцiєнтом тепловiддачi вiд масла до теплосприймального середовища, який не можна пiдвищити навiть при вимушеному руховi середовищ.
Мета роботи. Створення способу та схеми використання низькопотенцiйних ТВЕР для потреб гарячого водопостачання на базi пiдвищення ефективностi систем охолодження силових трансформаторiв та розробка методик їх розрахунку.
Завдання дослiдження. Створення системи охолодження трансформаторiв нового типу з використанням двокомпонентного двофазного потоку “рiдина – пара легкиплячої рiдини”. Розробка схеми гарячого водопостачання з використанням теплоти цiєї системи охолодження. Теоретичне та експериментальне вивчення роботи запропонованої системи охолодження, її особливостей та ефективностi використання. Розробка методики теплового й гiдродинамичного розрахунку масляного вертикального теплопередавального каналу при двофазному потоцi “трансформаторне масло - бульбашки пари”. Розробка iнженерної методики теплового й гiдродинамiчного розрахунку теплового контура, а також рекомендацiй по його конструюванню.
Наукова новизна. Розробленi комбiнована масляно-випарна дисперсна система охолодження силових трансформаторiв i схема гарячого водопостачання з використанням тепла вiд цiєї системи. Розроблена iнженерна методика розрахунку системи гарячого водопостачання з джерелом теплоти вiд систем охолодження енергетичних апаратiв.
Запропонована методика теплового й гiдродинамiчного розрахунку вертикального теплопередавального каналу при двофазному потоцi “трансформаторне масло - бульбашки пари”. Створено методику iнженерного розрахунку теплового контура запропонованої системи охолодження силових масляних трансформаторiв. Одержано експериментальнi данi щодо визначення стацiонарного температурного поля в масляному каналi мiж обмоткою та стiнкою бака трансформатора i в охолоджуючих трубах при використаннi масляно-випарної системи охолодження.
Практична цiннiсть. Результати дослiджень застосованi при створеннi дослiдного зразка комбiнованої системи охолодження трансформаторiв типу ТМ, а також при розробцi схеми гарячого водопостачання каналiзацiйної насосної станцiї продуктивнiстю 400- 2000 м3/годину з джерелом теплоти вiд створеної системи охолодження трасформаторiв. Дослiдний зразок комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформатора ТСМА 100/6 пройшов промисловi випробування i експлуатується на Харкiвському пiдприємствi мiських електричних мереж. Результати дослiджень використовуються у навчальному процесi в Харкiвськiй державнiй академiї мiського господарства.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацiйна робота виконувалась в рамках договору про творчу спiвдружнiсть мiж Харкiвським пiдпри?мством мiських електричних мереж та Харкiвським iнженерно-будiвельним iнститутом з 1984 р. по 1985 р. з метою створення нової, бiльш ефективної, комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформаторiв малої та середньої потужностi та була продовжена у рамках Госбюджетного договору 0045 Харкiвського Державного технiчного унiверситету будiвництва та архiтектури “Енерго та ресурсосберегаючi технологiї рацiонального використання палива в будiвельному виробництвi” за наказом Мiносвiти України № 37 вiд 13.02.1997 р. з метою використання теплоти створеної системи охолодження енергетичних апаратiв у житлово-комунальному секторi.
Апробацiя роботи. Основнi положення дисертацiї доповiдалися та обговорювалися на науково-технiчних конференцiях Харкiвської державної академїї мiського господарства у 1990 р. та 1992 р., на 51(1996р.)-55(2000р.) щорічних науково-технічних конференціях Харьківського державного технічного університета будівництва та архітектури, а також на 6-й Міжнародній конференції “ Сучасні інформаційні та енергосберігаючі технології життєзабезпечення людини’’, що проходила в Харківській державній академії міського господарства у 1999р.
Публiкацiї. За матерiалами роботи опублiковано 10 статей, з них 1 посiбник i 3 авторских свiдоцтва на винахiд СРСР.
Структура i обсяг роботи. Дисертацiя складається з вступу, 5 роздiлiв, висновкiв, списку використованої лiтератури, що мiстить 131 джерело, додатку. Вона має 205 сторiнок, з них 144 сторiнки машинопiсного тексту, 28 рисункiв та 33 таблицi.
ОСНОВНИЙ ЗМICТ РОБОТИ
У першому роздiлi проведено лiтературний огляд та аналiз використання низькопотенцiйних ТВЕР, пристроїв для застосування масляних трансформаторiв, а також методiв аналiзу двофазних потокiв та теплообмiну в них.
Аналiз показав, що найбiльш перспективною є iдея створення установки, що поєднувала б головнi переваги масляного й випарного охолодження, а теплоту охолодження було використано для гарячого водопостачання.
У другому роздiлi запропоновано спосiб охолодження масла (наприклад, трансформаторного), заснований на комбiнуваннi двох способiв: звичайного конвективного (в радiаторi) i випарного охолодження масла, на основi якого зроблено охолоджуючий пристрiй (авт. свiд. СРСР № 1262219 вiд 8.06.1986 р.).Застосовуючи цю схему до трансформаторiв малої та середньої потужностi, розроблено схему комбiнованої масляно-випарної системи охолодження, поданої на рис. 1.
Рис. 1. Комбiнована масляно-випарна система охолодження
трансформаторiв та система гарячого водопостачання
1- бак трансформатора; 2- джерела теплоти (обмотки, котушки); 3-труба вводу рiдкого хладону; 4- перфорований наконечник; 5- опускна труба подачi рiдкого хладону; 6- конденсатор пари хладону; 7- трансформаторне масло; 8-бульбашки хладону; 9-паровiдводна труба; 10-тепловiддаючi(охолоджуючi) труби радiатора масляної cистеми охолодження; 11, 12- отвори вiдводу в тепловiддаючi труби з баку гарячого i повернення холодного масла; 13 - ванночка збирання хладона в неробочому станi; 14- роздавальний колектор, що розподiля? рiдкий хладон по трубах 3; 15 й16-вiдповiдно вентиль i патрубок заливу системи хладоном; 17- бак-акумулятор; 18- трубопровiд холодно? води; 19- трубопровiд гарячо? води; 20- сигнальний трубопровiд; 21- переливний трубопровiд; 22- зливний трубопровiд; 23- пiддон.
До особливостей роботи системи охолодження вiдносяться:
1) її автоматичне включення в роботу при досягненнi в мiсцi надходження хладону (наприклад, фреону-113) температури масла, що перевищує температуру кипiння хладону. При зниженнi електричного навантаження чи повному вiдключеннi трансформатора вiд мережi вся пара хладону сконденсується, частина рiдкого хладону (його густина вдвiчi бiльша, нiж масла) залишається у трубах 5 i 13, а iнша частина збирається у ванночку 13;
2) час прогрiву краплин хладону до температури насичення значно зменшується при зниженнi вiдривного розмiру краплин, що й стало пiдставою для встановлення на кiнцi труб 5 наконечника 4 iз cоплами;
3) при автоматичному включеннi в роботу цiєї додаткової циркуляцiйної системи, пiдйомна частина масляного циркуляцiйного контура заповню?ться сумiшшю масла з парою хладагента, густина якої значно меньша за середню густину масла в звичайному контурi циркуляцiї, зроста? i рушiйний напiр циркуляцiї, що приводить до рiзкої iнтенсифiкацiї руху масла в контурi 11-10-12-11, режим руху масла уздовж всього масляного каналу стає турбулентним, рiзко зростають коефiцiєнти тепловiддачi в мiсцях пiдведення й вiдведення теплоти, що знижує максимальну температуру обмоток трансформатора i пiдвищує cередню температуру масла у тепловiддаючих трубках радiатора 10;
4) при надходженнi хладагента в гаряче масло, що має температуру кипiння хладону, вiн знаходиться у рiдкому станi й випаровується лише мала його частина завдяки конвекцiї. При подальшому зростаннi температури масла хладон починає iнтенсивно випаровуватися, у процесi чого можливе залучання до руху малої частки рiдкого хладону у виглядi краплин.
У третьому роздiлi розроблена математична модель тепломассообмiну при двофазному потоцi в каналi мiж обмоткою (джерелом теплоти ) та стiнкою трансформатора. Запропоновано метод розрахунку руху дисперсного потоку у цьому каналi.
З огляду лiтератури зроблено висновок, що в масляному каналi мiж обмоткою i стiнкою трансформатора утворюється дисперсна система “рiдина-бульбашки пари легкокиплячої рiдини”, яка за класифiкацiєю дисперсних середовищ є гетерогенним бульбашковим середовищем, що широко використовується в технiчних пристроях. Як вiдомо з робiт по випарному охолодженню, при подачi в перегрiту рiдину рiдини, що має низьку температуру кипiння, вона закипає, утворюючи велику кiлькiсть бульбашок пари. Якщо легкокиплячу рiдину подавати в порожнину наконечника, що має велику кiлькiсть отворiв - сопел i розташований у перегрiтiй рiдинi, частина цiєї рiдини буде закипати безпосередньо в порожнинi наконечника i надходити до перегрiтої рiдини у виглядi пари, а друга частина у виглядi краплин.
Розглянуто рух двофазної cистеми, що є двошвидкiсним двотемпературним контiнуумом взаємопроникаючих середовищ рiзної густини у виглядi системи диференцiйних рiвнянь:
( 1 – φ ) ρ1 ( v1∇) v1 = – (1 – φ ) ∇P1 + (1 – φ ) i μ1 ∇2 v1 + (1 – φ ) ∇τ1 1+
+ (1 – φ ) 3π d2 μ1 (v2 – v1 ) n + (1 – φ ) Ф; (1)
φ ρ2 ( v2 ∇) v2 = – φ∇P2 + i φμ2 ∇2 v2 + φ∇τ21 – 3π d2 μ2 φ (v2 – v1 ) – φФ; (2)
де: iндекс “1” ставиться до суцiльного середовища (масла);
“2” - до дисперсної фази (хладагента);
Ф - iмпульс сил, що виникають при обмiнi фаз масою.
Для визначеностi в подальшому побудовано iдеалiзовану картину сформованого в масляному теплопередавальному каналi трансформатора бульбашкового двофазного струму “рiдина-пара”. У данiй ситуацiї доцiльно пiти на такi припущення:
- швидкiсть сплиття бульбашок постiйна як за абсолютною величиною, так i щодо суцiльного середовища;
- щiльнiсть фаз практично не змiнюється;
- фiзичнi параметри фаз, такi як теплоємкiсть, теплопровiднiсть, коэфiцi?нти в'язкостi, дифузiї постiйнi;
- кiлькiсть пари в рiдинi постiйна у часi по всьому об'єму масляного теплопередавального каналу;
- розмiр включень та неоднорiдноcтей в сумiшi бiльший за молекулярно-кiнетичнi розмiри;
- розмiр неоднорiдностей значно менший вiдстаней, на яких мiкроскопiчнi чи усередненi параметри сумiшi фаз змiнюються суттево.
З урахуванням граничних умов
х = у = 0, v1 = 0,
х = у = 1, v1 = v2 = vмах (3)
пiсля ряду перетворень рух двофазної cистеми набуває вигляду:
v1 =  , (4)
де σ - параметр розподiлу змiнних, σ = ln(v2 / v1) / k1;
3р d2 м1 n (v2/v1 - 1 )
k1 = vО l2 ; k = —————————— ; (5)
( ν* + μТ / ρ*) L с* (н* + м т / с*)
 ; (6)
ν*=   ; (7)
де: vО- усереднена по всьому об'?му швидкiсть потоку.
З рiвняння (4) можна визначити швидкiсть руху суцiльного середовища (масла) пiд час руху двофазного потоку у вертикальному теплопередавальному каналi, що дає змогу знайти швидкiсний коефiцiєнт, який розраховується пiд час визначення перепаду температур на поверхнi обмотки й масла.
Розглянуто процеси тепломасопереносу на основнiй дiлянцi струминного потоку в дисперсному двофазному середовищi “газ-рiдина”.
Система рiвнянь енергiї для кожної з фаз має вигляд:
  (8)
  (9)
де : q1 - змiна енергiї в суцiльному середовищi при його фазовому переходi внаслiдок теплообмiну мiж рiдиною та парою;
q2 - змiна енергiї хладагента внаслiдок випарування рiдини в бульбашки пари.
Пiсля ряду перетворень отримано рiвняння енергiї дисперсного потоку:
Т1 = ехр(σ1х)[ С1 I1( √ 2bу) + С2N1 ( √ 2bу)]; (10)
де: b = у1 А1 ;
А
σ1 - параметр розподiлу змiнних, σ1 = ln (Тк / Тн);
А = ; (11)
А1 = -  ; (12)
I1 та N1- функцiї Бесселя i Неймана першого порядку;
С1 та С2 - константи iнтегрування, що визначаються рiшенням рiвняння (10) та граничними умовами:
Х = 0; У = 0; Т1 = ТСТ;
Х = 0; У = 1; Т1 = ТН;
Х = 1; У = 1; Т1 = ТК. (13)
З використанням граничних умов визначено константи iнтегрування та параметр розподiлу змiнних.
Температура стiнки визначається при знiманнi потрiбної кiлькостi теплоти iз стiнки заданої площi, величина якої встановлюється пiд час розрахунку електричної частини трансформатора. Кiнцева температура масла вiдома з умов максимально можливої температури стiнки при нормальнiй експлуатацiї трансформатора. Початкову температуру масла знаходимо з теплотехнiчного розрахунку трансформатора.
Кiлькiсть теплоти, що йде на випаровування легкокиплячої рiдини, практично повинна збiгатися з кiлькостю вiдведеного вiд стiнки теплоти тому, що теплота, вiдведена конвекцiєю крiзь охолоджуючi труби трансформатора, є незначною (близько 17 % вiд теплоти випаровування) . З цiєї умови можна знайти кiлькiсть хладагента, потрiбну для введення в робочу порожнину трансформатора:
W = Gp r2 + Cp(М) GM Δ t. (14)
Теплота, яку знiмає дисперсний потiк з охолоджуваної поверхнi:
W = YF  ; (15)
де: Y =  ; (16)
λ* = a* cP ρ*; TO =  ;
| 
