Теплотехника. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Статья научная
Широкое распространение в мире для кондиционирования помещений получили парокомпрессионные установки, работающие от электрической энергии. У данного типа установок имеется ряд недостатков, в связи с чем была предложена новая установка для кондиционирования помещений. Абсорбционный трансформатор теплоты - установка для кондиционирования помещений и горячего водоснабжения, работающая по принципу абсорбционного теплового насоса, а также установка может применяться для отопления. В качестве источников теплоты установка способна использовать возобновляемые источники энергии или утилизировать теплоту уходящих газов, например, исходящих от отопительного котла температурой до 115 °C. Практическая значимость установки заключается в ресурсосбережении и экологичности. Использование данной установки в конечном итоге позволит сократить потребление первичного топлива и снизить негативное влияние на окружающую среду. В работе рассмотрена возможность использования бромисто-литиевого раствора в абсорбционном трансформаторе теплоты для жилых помещений. Для этого был проведен ряд расчетов, выполненных по методике расчета абсорбционных холодильных бромисто-литиевых машин. В результате проведенных расчетов было выявлено, что использование бромисто-литиевого раствора удовлетворительно для использования в бытовом абсорбционном трансформаторе теплоты, однако для достижения большей эффективности работы установки необходимо дорабатывать схему установки.
Бесплатно
Совершенствование схемы снабжения холодным дутьём доменных печей
Статья научная
В статье дана оценка энергетической эффективности существующей схемы подачи холодного дутья на две доменные печи, входящие в комплекс доменного цеха металлургического предприятия. Подача холодного дутья в воздухоподогреватели доменных печей осуществляется мощными воздуходувными машинами с паровым и электрическим приводом. На основе глубокого анализа полученных данных были выявлены недостатки существующего режима работы воздуходувок, которые снижают энергоэффективность рассматриваемой схемы. Рассмотрена новая схема подачи доменного дутья с применением газоструйного инжектора. Предложенная схема отличается большей энергоэффективностью и позволяет снизить стоимость выплавки чугуна при сохранении его высокого качества. Выполнено моделирование процесса подачи дутья при совместной работе двух воздуходувок с использованием пакета программ для 3D-моделирования Solidworks Flow Simulation. Выполнен конструктивный расчет газоструйного инжектора, определены его геометрические характеристики, найден коэффициент инжекции. Построена 3D-модель инжектора, проанализирована его работа в самых неблагоприятных условиях. Проведен расчет коэффициента инжекции струйного аппарата при всех рабочих режимах работы доменных печей, построена его характеристика и предложено решение, позволяющее осуществлять бесперебойную работу устройства во всех диапазонах давлений холодного дутья доменных печей. Симуляция движения рабочего и инжектируемого потоков подтверждает функциональность предлагаемого технического решения. Определены рабочие точки воздуходувок для рассматриваемых режимов дутья. Дана оценка технического эффекта от предложенных технических решений.
Бесплатно
Теплообмен в топках котельных агрегатов с асимметрией - парадигма-2
Статья научная
На основе рассмотрения пяти схем газовых потоков в топках котельных агрегатов (КА) - фронтальной, встречной, встречно-смещенной, тангенциальной и подовой - анализу подвергнуты первые три, применяемые на КА с призматической формой топки. При расположении горелочных устройств на фронтальной и задней стенках рассмотрены процессы с формой начальной относительной температурой при x = 0 постоянной и переменной. Для удовлетворения корректности требований начальных условий вначале рассматриваются постоянная температура, равная средней по сечению канала при x = 0, далее для определения температуры ограждения tw определяется средний радиационный тепловой поток в направлении горизонтальной координаты.Температурный скачок определен как разность радиационных температур газового потока и ограждения. Уравнение теплового баланса приведено к каноническому виду линейного двухпараметрического дифференциального уравнения, которое исследуется при постоянной и переменной по сечению канала температуре. Это уравнение решено при уточнении констант интегрирования, и полученное решение позволяет определитьчисло Нуссельта в функции его аргументов.
Бесплатно
Статья научная
В статье проводится технико-экономический анализ применения энергокомплекса, базирующегося на «новом трансформаторе теплоты», для нужд теплоснабжения и сравнение основных показателей с конкурирующими технологиями - парокомпрессионным и абсорбционным тепловым насосом, газовым котлом. Энергокомплекс рассматривается как установка для теплоснабжения, работающая с использованием возобновляемых источников энергии и состоящая из нового трансформатора, который в одном рабочем контуре имеет систему концентраторов теплоты, включая компрессор механический и «тепловой» (совокупность абсорбер-генератор пара), что, в отличие от существующих трансформаторов теплоты, позволяет более полно использовать для своей работы различные виды энергии, как по отдельности, так и комплексно, а также регулировать параметры трансформации теплоты под конкретные условия применения. Комбинирование различных технологий позволяет повысить эффективность использования первичной энергии. Оценка энергетической эффективности выполнена для тепловой мощности 30 кВт. Технико-экономический анализ показал, что применение энергокомплекса позволяет существенно сократить расход органического топлива (природного газа) по сравнению с конкурирующими технологиями и снизить срок окупаемости энергокомплекса по сравнению с конкурентами. В частности, результаты расчетов показывают, что расход топлива энергокомплекса (принимался природный газ) в 1,5 раза ниже, чем у АБТН, в 2,5 раза ниже, чем у газового котла (ГК) и в 3,3 раза ниже, чем у ПКТН. Снижение эксплуатационных расходов позволяет сократить срок окупаемости предлагаемого решения по сравнению с ПКТН на 1,2 года, с АБТН - на 5,2 года, с ГК - на 9,6 года. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности разработки энергокомплекса в качестве теплогенерирующего устройства и его конкурентоспособности.
Бесплатно
Численное моделирование газификации твёрдых отходов
Статья научная
Приведены результаты исследования процесса газификации твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов двух видов, в целом схожих по содержанию основных элементов: лузга подсолнечника и отходы малоценной древесины (хворост, валежник). Численное моделирование процесса производилось по равновесной модели газификации исходя из критерия минимального значения изобарно-изотермического потенциала - энергии Гиббса. При расчете параметров процесса газификации использовалась модель Пенга - Робинсона для неидеальных (реальных) газовых компонентов. Получены данные по температурному диапазону процесса газификации при полной конверсии углерода. Как показало численное моделирование, поведение выбранных отходов в большей степени зависит от температуры процесса (оптимальная выявленная температура 800-900 °С), коэффициента избытка окислителя (наилучший показатель - 0,2), самого газифицирующего агента, чем от вида отхода. Полученные результаты моделирования согласуются с работами мирового уровня и результатами опытного исследования на реальном объекте.
Бесплатно
Статья научная
Предметом работы является численное исследование термогидродинамических процессов в потоке метановой парокапельной смеси в одном из элементов устройства подогрева смесей газов и жидкостей. Темой исследования является изучение физических процессов, протекающих в аппаратах регазификации сжиженного природного газа. Цель работы - выявление закономерностей динамики полидисперсной парокапельной смеси в трубе с нагретыми стенками. Динамика несущей среды описывается системой уравнений Навье - Стокса для сжимаемой теплопроводной среды с учетом обмена массой, импульсом и энергией с дисперсной фазой. Дисперсная фаза включала в себя несколько фракций, отличающихся размерами. Каждая фракция описывается системой уравнений, состоящей из уравнения неразрывности для средней плотности, уравнений сохранения составляющих импульса и уравнения сохранения тепловой энергии с учетом взаимодействия многофракционной дисперсной фазы с несущей средой. Математическая модель учитывала закрутку потока посредством учета тангенциальных составляющих векторов скоростей несущей фазы и фракций дисперсной фазы. Системы уравнений движения несущей среды и фракций дисперсной фазы решаются явным конечно-разностным методом Мак-Кормака второго порядка. Для преодоления численных осцилляций используется схема нелинейной коррекции сеточной функции. На каждом временном шаге основная часть вычислительного алгоритма дополняется моделью испарения капель с последующей коррекцией гидро- и термодинамических параметров смеси. В результате расчетов выявлено существенное отличие в интенсивности испарения фракций жидкой метановой фазы смеси, имеющих различные размеры дисперсных включений, также было определено, что в процессе движения испаряющейся смеси наибольшее давление паровой фазы наблюдается вблизи отверстия втекания метановой смеси в трубу с подогретыми стенками. Выявленные закономерности возможно применить в устройствах, работающих с газожидкостными средами.
Бесплатно
Статья научная
Для интенсификации теплоотдачи применяют оребрение теплообменной поверхности, которое обеспечивало бы эффективный срыв пленки конденсата с поверхности трубы, что уменьшит толщину пленки и создаст приближение капельной конденсации. Сложность расчета теплообменного аппарата заключается в изменении соотношения жидкости и пара в парогазовой смеси при конденсации пара на поверхности теплообмена. Целью работы является численное моделирование конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности спирально-навивной оребренной трубы. Объектом исследования является конденсация парогазовой смеси на трубе со спирально-навивными ребрами. Предметом исследования является определение коэффициента теплоотдачи от парогазовой смеси к поверхности трубы со спирально-навивными ребрами при ее конденсации на ней в зависимости от плотности теплового потока, ее начальной скорости движения и массовой доли воды в ней. Для проведения расчетов создана упрощенная трехмерная расчетная модель оребренной трубы в воздуховоде на основе полученных экспериментальных данных. В работе представлены геометрические размеры модели, информация о сеточной модели, граничные и начальные условия. В ходе предварительных исследований было установлено, что сеточная независимость достигается при количестве 87 928 ячеек. Результаты численных расчетов подтвердили высокую точность моделирования конденсации парогазовой смеси на поверхности трубы со спирально-навивными ребрами. Неопределенность между численным и физическим экспериментами по коэффициенту теплоотдачи от парогазовой смеси к теплообменной поверхности при ее конденсации на ней составила не более 16,8 %. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи достигается при минимальной скорости движения парогазовой смеси, равной 7,4 м/с, и наименьшей массовой доли воды в ней, равной 0,188.
Бесплатно
Численное моделирование тепловых режимов геотермальных теплообменников
Статья научная
Проведено исследование интенсификации теплоподвода к геотермальным теплообменникам с учетом взаимосвязи характеристик засыпок и режимов работы рассматриваемых систем. Прототипом рассматриваемой геотермальной энергетической системы является реальный объект с известными геометрическими и физическими параметрами. Решение задачи получено методом конечных разностей. Использовалась неявная разностная схема и алгоритм прогонки. Адекватность результатов численного моделирования следует из проверок используемых методов решения задачи на сходимость и устойчивость, а также подтверждается численным сопоставлением с известными данными о работе энергетических систем с геотермальными теплообменниками. При анализе тепловых режимов рассматриваемой энергетической системы основное внимание уделялось исследованию интенсификации теплоподвода к геотермальным теплообменникам с учетом взаимосвязи характеристик засыпок и режимов работы рассматриваемых систем. Установлено, что увеличение влажности песчаной засыпки приводит к росту теплопритоков на 3,7-7,8 %. Показано существенное влияние нестационарности процессов переноса на интенсификацию теплообмена в рассматриваемой системе. Выявлено, что при выборе варианта регулирования тепловых режимов энергетических систем с геотермальными теплообменниками следует преимущественно изменять объемную влажность песчаной засыпки.
Бесплатно
Статья научная
Пульсирующие потоки могут возникать самопроизвольно или создаваться искусственно для интенсификации теплообмена. Возвратно-поступательные пульсации потока могут существенно интенсифицировать теплообмен, при этом рост теплоотдачи происходит на фоне увеличения энергетических затрат. Имеющиеся работы, в которых оценивается энергетическая эффективность пучков труб, при вынужденных пульсациях потока имеют единичный характер. Поэтому в данной работе определяется теплогидравлическая эффективность коридорного пучка труб при пульсациях потока. Экспериментальное исследование проводилось при числе Рейнольдса 3000 и числе Прандтля 4. Пульсации потока имели возвратно-поступательный симметричный и несимметричный характер. Пульсации потока создавались с помощью гидравлического цилиндра и управляемой пневматической системы. В ходе проведенных опытов определено влияние режимных параметров пульсаций на потребляемую мощность компрессора пневматической системы и насосное оборудование. Определена теплогидравлическая эффективность пучка труб при одинаковых числах Рейнольдса и одинаковых мощностях в пульсационном и стационарном течении. Установлено, что теплогидравлическая эффективность при одинаковых числах Рейнольдса уменьшается с увеличением интенсивности пульсаций, при этом теплогидравлическая эффективность при одинаковых мощностях возрастает. Определено, что теплогидравлическая эффективность пучка труб выше при несимметричных пульсациях потока. Для несимметричных пульсаций получена теплогидравлическая эффективность в районе единицы. Теплогидравлическая эффективность пучка труб при пульсациях потока может быть увеличена при повышении эффективности системы генераций пульсаций.
Бесплатно
Статья научная
Разработан способ работы энерготехнологического комплекса, включающего тепловой насос, фотоэлектрическую панель и опреснительную установку. В методике, описывающей функционирование комплекса в целом, особое внимание уделяется конструкциям отдельных элементов технологической схемы, энергетическому балансу и эксергетическому методу. Методика расчета позволяет встраивать дополнительные компоненты, такие как турбодетандер для реализации органического цикла Ренкина, а также ветроустановку и солнечный концентратор. Авторы представляют разработки как научный подход к проектированию и эксплуатации энерготехнологического комплекса - единую методологию. Комбинация энергобалансовых методов термодинамического анализа и эксергетического метода использовалась для определения потерь энергии в установке, а также для расчета энергоэффективности системы. Расчет эксергий производился в характерных точках цикла. Методология позволяет интегрировать в энергокомплексы различные виды возобновляемых источников энергии и совершенствовать технологические системы на базе тепловых насосов и испарительных установок. В энергокомплекс включена схема испарительной установки. Методология и расчет эксергий воды и водяного пара будут представлены авторами во второй части экспериментального исследования.
Бесплатно
Статья научная
Разработана схема работы и конструкция опреснительной установки в составе энерготехнологического комплекса, включающего тепловой насос, фотоэлектрическую панель. Проведен анализ литературных источников на тему возобновляемых источников энергии в составе энергокомплексов. Представлена методика определения эксергетических потерь потоков воды и пара. Испарительная установка получает подогретую воду из теплового насоса, который подробно рассмотрен в первой части исследования. Показаны варианты вскипания воды под атмосферным давлением и под разряжением. Однако принцип работы опреснительной установки не меняется, поэтому разработанная методология подходит для любых типов термического и вакуумного испарения воды. Полученный дистиллят охлаждается и может использоваться в технологических нуждах промышленных предприятий или сельского хозяйства.
Бесплатно
