Перспективы применения и результаты численного моделирования струйной термокомпрессорной установки

Сумский государственный университет

В.Н. Марченко, канд. техн. наук, доц.; Н.А. Жиленко, асп.; Куценко С.Н., асп.

Перспективы применения и результаты численного моделирования струйной термокомпрессорной установки

На сегодняшний день в условиях увеличивающегося энергопотребления и растущих цен на энергоносители вопросы их экономии за счет рационального использования вторичных энергоресурсов превратились в чрезвычайно актуальную проблему. В значительной степени это связано с низким коэффициентом полезного преобразования энергии в технологических процессах, составляющим лишь 20 - 40 %, и наличием большого количества неиспользуемых вторичных энергетических ресурсов в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и др. В частности, для утилизации энергии отработавшего вторичного пара низкого давления применяется восстановление его путем компримирования до необходимых рабочих параметров. Струйные аппараты, в которых рабочей средой является циркуляционная насыщенная жидкость, выглядят весьма эффективными при решении этой задачи, так как они характеризуются низкими потерями на удар и малыми затратами энергии на подачу малосжимаемой жидкости. Кроме того, устройство оборудования сравнительно несложно и недорого, обеспечивает равенство расходов перекачиваемого и подаваемого потребителю пара и возможность перекачивания больших объемов пара. Подобный принцип, названный струйной термокомпрессией, положен в основу разработанного способа сжатия пара и устройства для его осуществления [1].

Рабочей средой струйного компрессора является недогретая до насыщения жидкость, которая, истекая через активное сопло, вскипает вследствие падения давления до давления насыщения. Высокая скорость протекания процесса обуславливает метастабильное состояние жидкости в сопле и высокую степень термической неравновесности. Образовавшийся активный пар увлекает струю пассивного пара низкого давления в камеру смешения, а в диффузоре происходит повышение давления влажного пара, попадающего затем в сепаратор.

Модель, рассматривающая движение одномерных потоков через контрольное пространство с учетом всех форм энергообмена с внешней средой и диссипации энергии внутри пространства, является логическим развитием термодинамического метода исследования реальных процессов в квазиравновесном приближении для выделенного элемента вещества - подвижной закрытой системы. При этом необратимость реальных поточных процессов учитывается введением опытных коэффициентов, чаще всего скоростных коэффициентов проточных частей [2, 3].

Исследование характеристик двухфазных течений чрезвычайно осложняется многообразием структур, неравновесных фазовых переходов, ярко выраженной метастабильностью состояний, скольжением фаз, интенсивными тепломассообменными процессами и др. Системы уравнений переноса в двухфазных потоках [3] являются весьма сложными и, как правило, незамкнутыми, но они позволяют выделить определяющие критерии подобия для теплофизического анализа течения путем целенаправленных экспериментальных исследований и обобщений. Такой подход оказывается эффективным при уточнении и дополнении принятого термодинамического метода.

Данный доклад имеет цель представить созданную на основе наиболее достоверных опытных данных термодинамической модели рабочего процесса СТК и оценить в рамках этой модели степени влияния физических и геометрических начальных параметров на энергетические и эксплуатационные характеристики.

В основу моделирования рабочего процесса положены следующие положения и допущения.

Истечение метастабильно перегретой жидкости из активного сопла с плавным профилированным входом характеризуется критическим режимом, возникновение которого обусловлено пристенным вскипанием жидкости вблизи выходного среза. Подтвержденная опытными наблюдениями модель спутных потоков [4], уточненная по результатам исследований [5], приводит к расчетной зависимости для критического давления ра, величина которого определяется расходным паросодержанием ха в критическом сечении:

 , (1)

где - коэффициент расхода (скоростной коэффициент) активного сопла.

Течение в начальном участке рабочей струи за выходным срезом активного сопла в условиях объемного вскипания и чрезвычайно интенсивных обменных процессов сопровождается перестройкой структуры потока в парокапельную мелкодисперсную с исчезающее малым скольжением фаз: wпп = wж. За счет определенной незавершенности парообразования и межфазового теплообмена поток характеризуется термической метастабильностью, когда параметры двухфазной смеси определяются температурой жидкости tж > ts(p).

В условиях отсутствия обменных процессов между рабочей струей и потоком вторичного пара в теплоизолированной приемной камере параметры потоков инжектирующего и вторичного пара связаны следующей системой уравнений.

,

,

, ,

где Ra - сила реакции рабочей струи;

f - текущее значение площади сечения рабочей струи на расстоянии z от выходного среза активного сопла;

- удельный объем среды;

 - приращение энтропии рабочего потока в канале активного сопла.

Степень завершенности фазового перехода по длине z рабочей струи устанавливается из решения уравнения парообразования:

.

Параметры потоков на границах контрольного пространства (2-2) - (с-с) и в выделенном сечении (3-3) определяются уравнениями сохранения энергии, массы, количества движения и производства энтропии.

Диссипация энергии в потоке учитывается скоростными коэффициентами цj проточных частей компрессора.

Предельно возможный режим работы компрессора определяется равенством скоростей рабочего w1 и инжектируемого w2 потоков
во входном сечении (2-2) камеры смешения: . Достижение второго предельного режима в камере смешения оценивается из условия . Физические свойства фаз в потоке вблизи сечения (3-3) индифферентны по отношению друг к другу, и капельная взвесь настолько мелкая, что скорость звука в такой среде [3, 8], где - показатель адиабаты в звуковой волне.

Экспериментально установлено [5], что в достаточно мелкодисперсной двухфазной среде фазовый переход в звуковой волне не успевает осуществиться. В этих условиях при завершении лишь обмена количеством движения показатель адиабаты

,

где - показатель изоэнтропы пара со стороны двухфазной области;
- объемное паросодержание.

Некоторые результаты расчетов представлены ниже.

На рис. 1 показан характер изменения достижимого давления рс сжатия от геометрического параметра в возможном диапазоне его изменения (штриховые линии). При минимальном значении этого параметра, когда , обеспечивается достижение максимального повышения давления рс в струйном термокомпрессоре. Ограничение максимального значения геометрического фактора обусловлено возможностью обеспечения инжекции в СТК.

Рисунок 1 - Зависимость достижимого давления сжатия рс от геометрической характеристики цилиндрической камеры смешения при различных давлениях подачи: 1 - ра = 7 МПа, 2 - 9 МПа, 3 - 11 МПа; соответственно ипр 1 = (тп/та)1 = = 0,023, ипр 2 = 0,034, ипр 3 = 0,046; рс пр = 1,1 МПа; рп = 0,5 МПа;

Шс = (тс/тп) = 1

Термодинамический анализ преобразования энергии в адиабатном СТК приводит к расчетной зависимости для эксергетического к.п.д.:

.

Расчеты по зависимости представлены на рис.2:

Рисунок 2 - Зависимость эксергетического к.п.д. СТК с камерой цилиндрического сечения от достижимого повышения давления вторичного пара рс/рп : 1 - ра = 9 МПа, 2 - ра = 7 МПа; рс = 1,1 МПа; хп = 1;

Существенное влияние геометрии проточной части проявляется и при определении достижимых давлений рс сжатия струйного компрессора при условии постоянства исходных параметров. На рис. 3 представлена зависимость приведенной мощности (Nn/mп) СТК (отношение мощности насоса Nn к производительности mп) от достигаемого повышения давления (рс-рп) при рс = const.

(рс - рп), МПа

Рисунок 3 - Зависимость приведенной мощности СТК от достигаемого повышения давления: 1 - цилиндрическая камера смешения; 2 - коническая камера смешения;

ра = 7 МПа; рс = 1,1 МПа; хп = 1; ; u = 0,005…0,049; Ш = 1,07-1,85

Оценки показывают, что применение СТК для восстановления вторичного пара на теплотехнических объектах предприятий может оказаться весьма эффективным. Например, при существующих на Украине ценах на топливо и электроэнергию стоимость восстановления водяного пара давлением 0,3 - 0,6 МПа путем его компримирования до давления 1,1 МПа (пар с таким давлением часто применяется на производстве) в 2 - 4 раза ниже стоимости производства котельного пара тех же параметров.

Условные обозначения

е - эксергия;

u - коэффициент инжекции;

v - удельный объем;

к - скорость фазового перехода;

л - приведенная скорость;

ц - скоростной коэффициент;

Ш - показатель перепроизводства восстанавливаемого пара.

Нижние индексы

0 - параметры торможения потока;

a, c, 1, 2, 3 - характерные сечения проточной части СТК;

D - диффузор;

diss - диссипация;

f - сечение начала парообразования в канале активного сопла;

i,j - текущие значения;

k - камера смешения;

n - насос;

s - равновесный;

вх, вых - вход, выход;

ж - жидкость;

кр, * - критический;

ос - окружающая среда;

п - вторичный пар;

пп - пар;

пр - предельный.

Верхние индексы

' - жидкость насыщенная;

" - пар насыщенный.

SUMMARY

The description of the jet thermo-compressor plant (JTC) is given in this article; some of the results of the working process numerical researches are presented (they base on the thermo-dynamical model, which takes into account the meta-stability of the two-phase flow). At the same time the calculation-based JTC working and energy futures are presented, and the geometrical parameters influence on plant efficiency is analyzed.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Деклараційний патент № 59207, Україна, кл. F 04 F 5/24. Спосіб стиснення парорідинного середовища і пароструминна компресорна установка для його здійснення; Опубл. 2002.

2. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -
352 с.

3. Дейч М. Е., Филиппов Г. А. Газодинамика двухфазных сред. - М.: Энергоиздат, 1981. - 472 с.

4. Вскипающие адиабатные потоки / В. А. Зысин, Г. А. Баранов, Б. А. Барилович,
Т. Н. Парфенова. - М.: Атомиздат, 1976. - 152 с.

5. Истечение теплоносителя при потере герметичности реакторного контура
/ В. В. Арсентьев, Ю. А. Калайда, В. В. Фисенко, Б. М. Цизин. - М.: Атомиздат, 1977. - 123 с.