Теплові режими високотемпературних випарників натрієвих теплових труб для сонячних енергоустановок та утилізації теплоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут технічної теплофізики

УДК 534.24\621.472\621.412

Теплові режими високотемпературних випарників натрієвих теплових труб для сонячних енергоустановок та утилізації теплоти

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Малецька Ольга Євгенівна

Київ 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Фіалко Наталія Михайлівна,

Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділу малої енергетики.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Драганов Борис Харлампійович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, професор кафедри теплоенергетики

кандидат технічних наук Хайрнасов Сергій Манісович, Національний технічний університет України «КПІ», старший науковий співробітник кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики

Захист відбудеться « 3 » листопада 2009 р. о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України за адресою: 03057, м. Київ, вул Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул Желябова, 2а.

Автореферат розісланий « 1 » жовтня 2009 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 кандидат технічних наук І. Чайка

теплоперенос випарник енегроустановка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом в Україні та за кордоном виконано ряд наукових розробок автономних енергоустановок (АЕУ) на основі ресиверів-випарників (РВ) з двигунами Стірлінга (ДС) та електрогенераторами. В таких установках для роботи ДС використовується теплота концентрованого сонячного випромінювання або (та) теплота високотемпературних відхідних газів різних вогнетехнічних об'єктів. Причому через істотну залежність працездатності сонячних енергоустановок з РВ від зовнішніх умов ці АЕУ здебільшого виконуються комбінованими з можливістю додаткового підведення вказаної теплоти високотемпературних газів.

Основними і найвідповідальнішими елементами таких АЕУ є РВ високотемпературної теплової труби (ВТТ) з натрієвим теплоносієм і пористим ґнотом, які виконують функції сприймання теплової енергії (в зоні випаровування) та передачі її до нагрівальних трубок ДС (в зоні конденсації). За умов використання РВ ВТТ здійснюється ізотермічний нагрів трубок ДС, що забезпечує підвищення загального ККД таких АЕУ на 2 - 5 %. При цьому вказаний ККД може досягати 32 %, що обумовлює перспективність застосування даних АЕУ в малій енергетиці.

Макетні та повномасштабні моделі РВ у відомих дослідних АЕУ під час випробувань характеризувалися недостатньою надійністю (здебільшого у нестаціонарних режимах) та малим ресурсом роботи. Тому теоретичне та експериментальне дослідження теплофізичних процесів у РВ, які суттєво впливають на довговічність та надійність таких АЕУ, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Тема дисертації безпосередньо пов'язана з тематикою фундаментальних і прикладних досліджень, виконаних в ІТТФ НАН України. Дисертація є складовою частиною наступних науково-дослідних робіт:

1. № ДР 0199U000108. «Розробка наукових основ створення автономних енергоустановок з тепловими трубами для підвищення ефективності використання нетрадиційних джерел енергії і утилізації теплоти».

2. № ДР 0100U002393. «Теплофізичне обґрунтування і розробка технічних основ створення сучасних комбінованих систем енергозабезпечення на основі використовування низькопотенційної теплоти і концентрованого сонячного випромінювання».

3. № ДР 0103U003963. «Розробка методів розрахунку і нових конструкцій теплообмінного устаткування для когенераційних установок на базі газотурбінних і газопоршневих двигунів».

Крім того, робота пов'язана з виконанням субконтракту № AAX-8-16861-01 за темою «Розробка вдосконалених капілярно-пористих структур теплових труб для високотемпературних сонячних ресиверів» Програми міжнародної співпраці НТУУ «КПІ» з Національними лабораторіями Сандія (США) в рамках проекту Міністерства енергетики США «Ініціативи по забороні розповсюдження ядерної зброї».

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей протікання процесів теплопереносу у високотемпературних випарниках натрієвих теплових труб для автономних енергоустановок з двигуном Стірлінга, що використовують сонячну енергію та скидну теплоту, а також розробка на цій основі рекомендацій щодо вибору конструктивних та режимних параметрів даних труб та енергоефективних схемних рішень вказаних енергоустановок.

Для досягнення зазначеної мети було сформульовано та вирішено такі основні завдання:

1. Виконати аналіз причин нестабільної роботи натрієвих РВ та їх дослідних макетів з радіаційним підведенням теплоти згідно з матеріалами випробувань, що проведені в Національних лабораторіях Сандія.

2. Провести експериментальні дослідження щодо визначення температурних напорів, які відповідають початку закипання натрію, та знаходження граничних значень густини теплового потоку, в межах яких відведення теплоти з поверхні розділення фаз відбувається шляхом випаровування при гарантованій відсутності несприятливого режиму закипання натрію.

3. Виконати системні розрахункові дослідження нестаціонарних температурних режимів нагріву РВ, які відповідають умовам пуску АЕУ, що розглядаються. Встановити закономірності впливу на тепловий стан об'єкту, що вивчається, локальних імпульсних теплових потоків, які моделюють сплески теплового навантаження відносно до його номінального значення.

4. Надати рекомендації з вибору конструктивних та режимних параметрів ВТТ.

5. Розробити схеми АЕУ на основі ВТТ з підведенням теплоти від різних джерел енергії.

Об'єкт дослідження процеси перетворення енергії у ВТТ.

Предмет дослідження процеси пароутворення та закипання натрію у пористій структурі ґноту ВТТ для АЕУ.

Методи дослідження - експериментальні дослідження режимів початку закипання натрію у ВТТ. Порівняння експериментальних даних з результатами комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна. Вперше отримано і узагальнено такі наукові результати:

• Експериментально встановлено величини перегрівів при закипанні натрію у капілярній структурі ВТТ в широкому діапазоні змін температури насичення пари натрію. На цій основі отримано відповідні узагальнюючі емпіричні залежності.

• Запропоновано інженерну розрахунково-експериментальну методику визначення конструктивних та режимних параметрів РВ.

• Отримано залежності для визначення інтенсивності теплообміну в ВТТ, на основі яких визначено діапазони безпечної роботи РВ.

• Розроблено математичну модель для теплового розрахунку нестаціонарних температурних режимів РВ і на її основі визначено граничні значення пікових теплових потоків.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів. Наукові положення, висновки та рекомендації, що сформульовані в дисертації, базуються на відомих і оригінальних фізичних та математичних моделях, які розроблено на основі фундаментальних законів теплообміну. Отримані результати проведених експериментів та комп'ютерного моделювання адекватно відображують досліджувані процеси, а їх достовірність підтверджується використанням цих даних розробниками натрієвих РВ.

Практичне значення отриманих результатів. Вперше отримано такі практично важливі результати:

- на основі натурних експериментів та комп'ютерного моделювання визначено діапазон безпечних режимів роботи РВ і геометричні параметри ґноту ВТТ, що забезпечують неперервну циркуляцію теплоносія та ін.;

- проаналізовано причини порушень стабільної роботи дослідних повномасштабних макетів і лабораторної моделі високотемпературних сонячних РВ для Національних лабораторій Сандія (США). Розроблено рекомендації, які передано вказаним лабораторіям для використання при удосконаленні конструктивних і функціональних характеристик сонячних РВ;

- розроблено ескізні проекти установок з натрієвими РВ, ДС і електрогенераторами для утилізації теплоти відхідних газів скловарної печі та котельного агрегату, а також когенераційної установки з повітряною ГТУ при нагріванні її робочого тіла димовими газами скловарної печі в теплообміннику з оребреними ВТТ.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації самостійно розроблено розрахункову теплофізичну модель процесу закипання натрію у випарниках енергоустановок. Проведено експериментальне дослідження умов, що відповідають початку закипання натрію у ВТТ, і виконано узагальнення відомих і власних дослідних даних. Розроблено фізичну модель і методику вибору параметрів пористої структури ґноту РВ для розрахунку теплообміну при інтенсивному пароутворенні без закипання натрію.

Автором особисто сформульовано математичну модель процесу теплопереносу у РВ, на базі якої проведено комплекс розрахункових досліджень.

Виконано теплові розрахунки енергоустановок з натрієвими РВ, ДС і електрогенераторами при використанні теплоти відхідних газів скловарної печі та котельного агрегату. Розроблено схему до ескізного проекту утилізації теплоти відхідних газів скловарної печі у теплообміннику на оребрених натрієвих ВТТ.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи докладалися на ІІ науково-технічній конференції «Теплові труби, теплові насоси, двофазні системи терморегулювання спеціальної техніки» (Харків - Рибальське, вересень 1998), на Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплотехніки» (Київ, травень 1999), на XІ Міжнародній конференції по теплових трубах в Японії (Токіо, вересень 1999), на Міжнародній науково-практичній конференції «Регіональні проблеми енергозбереження в децентралізованій теплоенергетиці» (Київ, жовтень, 2000), на V Мінському Міжнародному форумі з тепломасообміну (Мінськ, травень, 2004), на I Міжнародній конференції «Когенерація в промисловості та комунальній енергетиці» (Київ, жовтень, 2004), на ІV Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплотехніки» (Київ, вересень, 2005), на V Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплотехніки» (Київ, травень, 2007).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 11 наукових роботах і матеріалах конференцій, у тому числі у 5 статтях в провідних фахових журналах і 6 доповідях у працях Міжнародних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку літературних джерел, додатків з таблицями експериментальних даних і матеріалами їх обробки, а також із пропозицій щодо практичного використання результатів роботи. Зміст роботи викладений на 134 сторінках, включаючи 19 сторінок додатків, містить 35 рисунків і 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обговорено стан наукової проблеми, обраної для теоретичного аналізу і експериментального дослідження, обґрунтовано актуальність теми, показано зв'язок дисертації з науковими програмами, планами і темами. Відображено наукову новизну і практичне значення роботи, визначено особистий внесок здобувача, приведено дані про обсяг і структуру дисертації та про апробацію її результатів.

Перший розділ дисертації присвячено огляду проблеми розробки енергоустановок на основі високотемпературних натрієвих РВ з ДС та електрогенераторами. Розглянуто стан досліджень, методи і технічні засоби використання концентрованого сонячного випромінювання для вироблення електроенергії за допомогою дослідних АЕУ. Типова схема такої установки зображена на рис. 1.

Наведено відомості про експериментальне підтвердження працездатності в цілому дослідних АЕУ з РВ та про виявлені в ході випробувань суттєві недоліки, пов'язані, насамперед, з виникненням на поверхні РВ «гарячих плям» і руйнуванням структури ґноту. З огляду на це відмічається, що для виконання умов, за яких забезпечується стійка циркуляція рідкої фази в ВТТ, необхідно знання закономірностей зміни інтенсивності тепловіддачі та перегрівів до початку закипання. Однак наявні в літературі дані щодо цих характеристик не можуть бути безпосередньо використані для знаходження вказаних умов. На основі виконаного огляду літератури зазначається також, що в друкованих джерелах практично відсутні відомості про потенційно небезпечні пускові режими роботи ВТТ у складі АЕУ.

За результатами виконаного у розділі огляду сформульовано мету і завдання дисертаційного дослідження.

В другому розділі виконано системний аналіз потенційних причин порушень стабільної роботи натрієвих РВ ТТ сонячних АЕУ. При цьому детально розглянуто механізми виникнення «гарячих плям», особливості дифузії водню та азоту у внутрішній об'єм ВТТ, закономірності утворення гідриду натрію, обмеження, обумовлені режимами запуску ТТ та ін. Виділено основні групи можливих причин порушення стабільної і тривалої роботи РВ, до яких відносяться:

1. Дефекти вихідної пористої структури та технології виготовлення системи «гніт-стінка» ВТТ.

2. Дифузія водню і азоту ззовні у внутрішній об'єм ВТТ.

3. Невиконання умов, що регламентують режим запуску ВТТ.

Щодо першої із загальних груп причин, то вона включає такі дефекти як наявність пор з діаметром, що перевищує допустиме значення, нещільне прилягання пористої структури до стінки ВТТ, відсутність необхідного рівня шорсткості внутрішньої поверхні стінки ВТТ та ін. Наслідками цих дефектів, очевидно, може бути локальне осушення поверхні РВ, а відтак і локальний перегрів та руйнування поверхні нагріву.

Наявність причин другої групи обумовлює накопичення в зоні конденсації газів, що не конденсуються, і призводить до блокування роботи ВТТ. За результатами аналізу експериментальних даних в роботі припускається, що при експлуатації РВ в атмосфері з підвищеною вологістю водень може проникати всередину корпуса труби в результаті дисоціації водяної пари, яка відбувається при температурі вище 600 ⁰С. При цьому вказаному прониканню водню сприяє також наявність перепаду тиску в атмосфері і внутрішньому об'ємі РВ, де при температурі 650 ⁰С тиск пари натрію не перевищує 7500 Па.

Щодо причин порушення стабільної роботи випарника, які відносяться до третьої групи, то тут ризики обумовлені тим, що при запуску РВ як із «замороженого», так і розплавленого стану натрію, відвід теплоти від випарника є незначним через низьку густину пари натрію і обмеження швидкості його руху швидкістю звуку. За цих умов у пусковому режимі при ударному підводі теплового навантаження високою є вірогідність практично вибухового утворення стійкої локальної перегрітої парової плівки у зазорах між стінкою РВ і ґнотом, що загрожує деформацією і руйнуванням останнього. Для оцінки ступеня вірогідності зазначених явищ було виконано розрахунки величини перепаду реактивного тиску ?Р_реак при різних значеннях густини теплового потоку та встановлено область сполучення параметрів процесів випаровування, при яких досягається межа теплопереносу по швидкості звуку і починається перегрів стінки РВ.

В межах другого розділу було також проведено аналіз результатів досліджень, які виконані в лабораторіях Сандія, США, для 8 макетів та 4 повномасштабних ресиверів-випарників. Як дослідний зразок використовувалася вертикально розташована ВТТ висотою 0,55 м, кривизна увігнутої поверхні якої моделювала форму натрієвих випарників в експериментальній АЕУ з ДС. Досліди проводилися при значеннях густини теплового потоку, що підводиться, 10⁵ - 10⁶ Вт/м². Крім того, було виконано розрахунки оцінки теплового стану цих РВ і проведено зіставлення з результатами натурних експериментів.

За результатами аналізу експериментальних та розрахункових даних було сформульовано основні вимоги та рекомендації щодо технології виготовлення, умов та режимів роботи ВТТ, методики проведення відповідних теплофізичних досліджень та ін. Наприклад, зазначається, що застосування методу очистки натрію шляхом прокачки через холодну пастку не є достатньо ефективним, оскільки не забезпечує допустимої концентрації кисню (менше 1...5 ppm). Слід застосовувати метод дистиляції у вакуумі технічно чистого натрію (99,8 %), що дозволяє знижувати концентрацію кисню до величини менше 1 ppm. Вказується на те, що для попередження локального відшарування ґноту необхідно вдосконалити такі технологічні процеси, як відпал матеріалу стінки РВ та спікання ґноту. Особлива увага звертається на те, що для запобігання утворення в зоні конденсації «подушки» із газів, які не конденсуються, необхідна організація таких умов, що б сприяли зниженню інтенсивності дифузії вказаних газів через стінку РВ. В даному розділі розглядаються також сформульовані на основі виконаного аналізу рекомендації, які були передані виробникам АЕУ з натрієвими РВ.

Третій розділ присвячено, головним чином, експериментальним дослідженням процесів пароутворення натрію у випарниках ВТТ у режимах близьких до закипання натрію. Дослідження проводилися на лабораторній установці, схему якої наведено на рис. 2.

Дана ВТТ має вигляд трубки (із зовнішнім діаметром корпусу 18 мм і товщиною стінки 1 мм) зі складаним ґнотом, який забезпечує незначний гідравлічний опір і високий капілярний напір. Усі деталі ВТТ було виготовлено з нержавіючої сталі 1Х18Н9Т, сумісної з натрієм за жаростійкістю і корозійними характеристиками. Конструктивно складаний гніт є пористим екраном у вигляді трубки з фольги завтовшки 0,1 мм, яка розміщена концентрично до внутрішньої поверхні корпусу із зазором 0,5 мм. Як теплоносій використовувався натрій чистотою 99,99%, розфасований у кварцові ампули, вакуумовані до 1,3310^-3 Па. Заповнення ВТТ виконувалося у вакуумній камері установки електронно-променевого зварювання, де проводилася герметизація ВТТ.

У лабораторній установці забезпечувався прямий електронагрів постійним струмом стінок зони L нагріву ВТТ. Передбачалася можливість відхилення осі ВТТ від горизонтального положення для відтворення в експериментах режиму закипання натрію. Нахил труби спричиняв затоплення зони нагріву рідким натрієм завдяки його зливу у випарник. Через це у випарнику знижувалася інтенсивність відведення теплоти від стінки і різко зростали температури рідкої фази та зовнішньої поверхні стінки. При цьому у верхній частині кільцевого зазору між екраном і внутрішньою поверхнею стінки корпусу ВТТ відбувалося замикання парових фрагментів, що призводило до закипання натрію, локального осушення і перегріву. При температурах вище 650 ⁰С локальні перегріви стінки спостерігалися візуально у вигляді більш світлої «гарячої плями» на зовнішній поверхні випарника ВТТ.

Було розроблено методику проведення дослідного визначення залежності величин перегріву при закипанні натрію від температури насичення. Для вимірювань значень температури зовнішньої поверхні стінки (Т_Н) і пари натрію (T_S) використовувалися хромель-алюмелеві термопари. Терморушійна сила термопар вимірювалася прецизійно згідно стандартному градуюванню за допомогою цифрових вольтметрів типу Щ68002 і Щ68003. При визначенні перегрівів Т_НК = Т_Н T_S для забезпечення гарантованого розташування обох термопар, які вимірюють температуру T_S саме у паровому об'ємі, конструкцією ВТТ було передбачено, щоб при відхиленні осі на 10-12 ⁰ від горизонту виступ кінця термопарного каналу становив 25…35 мм над рівнем рідкої фази. Для прямого вимірювання перепаду температур Т_НК одна з двох зазначених термопар була сполучена диференційно з термопарою, розміщеною на зовнішній поверхні стінки випарника, яка вимірює температуру Т_Н, . Різке збільшення вимірюваного перепаду температур і його стабілізація, що спостерігалися у дослідах, слугували сигналом для відключення нагріву і фіксації вимірювань величини Т_НК.

Результати вимірювань, проведених в широкому діапазоні змін Т_S, було оброблено з використанням стандартних методів обробки і аналізу дослідних даних. Після завершення кожної серії експериментів виконувалися розрахунки систематичних похибок прямих вимірювань величин Т_S і Т_НК. Згідно виконаних оцінок, величина повної похибки знаходилася в межах: при вимірюванні перепаду температур 1,62 %, при вимірюванні температури 5,65 %.

За результатами статистичної обробки експериментальних даних вимірювань Т_S і Т_НК отримано залежність, яка з похибкою 10 % узагальнює весь масив дослідних даних щодо початку закипання натрію у випарнику ВТТ:

Т_НК = 2,08422410⁴ T_S² - 0,390421 T_S + 207,82218. (1)

Одержані дослідні дані були зіставлені з результатами ряду досліджень інших авторів щодо експериментального визначення початку закипання натрію під тиском власної пари. Як видно із рис. 5, узгодження даних, що порівнювалися, виявилося цілком задовільним. Залежність (1) узагальнює ці дані з похибкою 10 %.

Отриману в результаті обробки власних експериментів залежність (1) шляхом перерахунку всього масиву за відомою формулою Н.Б. Варгафтіка було перетворено на емпіричну функцію Т_НК від тиску насичення P_S.

Т_НК 19,445 P_S^0,1553, (розмірність P_S у МПа), (2)

Крім того, на основі одержаних експериментальних даних було запропоновано залежність густини теплового потоку, що відповідає початку закипання натрію, від тиску насичення його пари:

q_НК = 3,081 P_S ^0.4, (розмірність P_S у МПа) (3)

Залежності (2) і (3) узагальнюють власні і інші експериментальні дані (S.Aoki, M.Groll, А.Sakurai) щодо початку закипання натрію.

В роботі створено інженерну розрахунково-експериментальну методику визначення граничної товщини пористого ґноту _max , яка відповідає початку закипання натрію. Запропонована методика базується на використанні залежностей (1) - (3), а також наближеного розрахункового співвідношення, що зв'язує величини Т_НК і _max.

На рис. 6, як приклад застосування розробленої методики, наведено дані про граничні значення товщини ґноту _max при двох характерних величинах густини теплового потоку q, що підводиться. Згідно з виконаними оцінками для Т_S = 527 ⁰C гранична товщина пористого шару _max відповідно дорівнює 3,1 і 2,2 мм при q = 810⁵ Вт/м² і q = 110⁶ Вт/м² .

З наведених даних також випливає, що для унеможливлення локального закипання натрію при незначних коливаннях густини теплового потоку достатнім є зниження на 15 … 20 % товщини ґноту у порівнянні з розрахунковим значенням.

На основі розробленої методики визначення граничної товщини ґноту та одержаних експериментальних даних отримано залежності від густини теплового потоку таких величин, як інтенсивність тепловіддачі при випаровуванні _И , коефіцієнт теплопередачі k₀ та температурні перепади у характерних точках конструкції стосовно до умов початку закипання натрію. На рис. 7, 8 як приклад наведено дані відповідних розрахунків для характерних значень товщини ґноту _ф.

На рис. 8 прийнято такі позначення: Т_И = Т_ф Т_S ; Т_ф = Т_СТ.ВН. Т_ф ; Т_СТ.Н. Т_СТ.Н. Т_S , де Т_ф , Т_СТ.ВН , Т_СТ.Н - температура поверхні ґноту, оберненої у внутрішній об'єм ВТТ, і температури внутрішньої та зовнішньої поверхонь стінки.

В четвертому розділі розглянуто результати математичного моделювання теплового стану натрієвих РВ у пусковому, перехідному і номінальному режимах роботи. При проведенні обчислювальних експериментів визначено нестаціонарні температурні поля в системі «стінка - гніт» за умов підводу до зовнішньої поверхні труби змінних у часі теплових потоків, а також локальних пікових теплових навантажень. У межах цих досліджень виконувались оцінки величини перегрівів внутрішньої поверхні стінки, що спричиняють закипання натрію в пористій структурі гноту при вказаних нестаціонарних режимах роботи. При цьому особлива увага приділялася з'ясуванню закономірностей впливу локальних сплесків теплового потоку, що підводиться, на виникнення у РВ «гарячих плям».

Дослідженню підлягала двошарова система, зовнішній шар якої моделював стінку ВТТ із нержавіючої сталі, а внутрішній - гніт, просякнутий рідким натрієм. На зовнішній поверхні стінки задавалася густина концентрованого сонячного теплового потоку (граничні умови ІІ роду). Тепловіддача при випаровуванні натрію на поверхні ґноту моделювалася нелінійними граничними умовами ІІІ роду. З огляду на вищевикладене було сформульовано математичну модель процесу теплопереносу в системі, що розглядається, у вигляді задачі Стефана

(4)

(0 < r < r₁, 0 < z < z₁,);

; (5)

; (6)

; (7)

. (8)

де r, z - просторові координати; - час; _з - товщина стінки РВ; r₁, z₀ = _з і z₁= _з + _ф - відповідно радіус міделевого перетину, координата межі стінка-гніт і координата поверхні випаровування; T = T(r, z, ) - температура системи; = (r, z, , T); c_p = c_p (r_, z, , T); = (r, z, ,T) - густина, масова теплоємність і теплопровідність матеріалів, що складають систему; К - питома теплота плавлення; L - питома теплота випаровування; T_к і T_s - відповідно температури плавлення і насичення для натрію; T₀ - початкова температура системи; - коефіцієнт тепловіддачі; H - спеціальна функція:

;

індекс 1 відносить температуру до шару ґноту з натрієм.

Чисельне моделювання при розв'язанні задачі (4) - (8) здійснювалось з використанням методу кінцевих елементів. Нелінійні фізичні властивості матеріалів ґноту, стінки і теплоносія задавалися таблично з лінійною інтерполяцією у проміжних точках. Ефективні значення коефіцієнту теплопровідності для композитної зони - насиченого натрієм ґноту (z₀ < z < z₁) - визначалися за наступною залежністю:

, (9)

де - об'ємна пористість, а індекси «ф» і «ж» відносять величини відповідно до матеріалів ґноту (нержавіюча сталь) і рідини (Na).

При моделюванні ситуації локального перегріву внутрішньої поверхні стінки труби на номінальний потік і коефіцієнт тепловіддачі накладалися збурення у вигляді серії прямокутних імпульсів. При цьому просторовий розподіл q_n і б_n густини теплового потоку та коефіцієнту тепловіддачі мали вигляд:

де r₀₁, r₀₂ - координати початку зон підведення локальних теплових навантажень; r₁₁, r₂₂ - координати кінця цих зон; Д₁q_n0, Д₂q_n0 - величини імпульсів теплового потоку у першій та другій зонах; k_q, k_б - коефіцієнти, що визначають зміну за радіусом густини теплового потоку та коефіцієнту тепловіддачі.

Комп'ютерне моделювання проводилось при таких значеннях розрахункових параметрів: q_n0 = (0,54 - 0,9)·10⁶ Вт/м²; k_q = - (2,0 - 3,62)·10⁶ Вт/м³; Д₁q_n0 = 0,15q_n0 ; Д₂q_n0 = 0,2q_n0; ₀ = (2,7 - 10)·10⁴ Вт/(м²·К); k_б = - (2,8 - 35,9)·10⁴ Вт/(м³·К); _ф = (1,5 - 5)·10^-3 м; _ст = 1·10^-3 м; T_s = 450 - 750 ^оС.

Характерні результати обчислювальних експериментів наведено на рис. 9,10. Як свідчать одержані дані, період запуску і виходу на номінальний робочий режим в інтервалі температур від 20 до 750 ^оС становив 335 с.

При цьому час переходу від одного режиму до іншого за умов ступінчатого підвищення температури дорівнював приблизно 80 с. При наявності вищезгаданих пікових теплових навантажень на серединних радіусах 0,0315 м і 0,0665 м час виходу на номінальний режим збільшувався до 400 с. Зростав при цьому і час переходу від одного режиму до іншого.

Результати виконаних досліджень свідчать також про те, що локальні імпульсні теплові навантаження впливають на величини перепаду температур у гноті ДТ_ф, та перепаду ДТ_к між температурою внутрішньої поверхні стінки труби і T_S. При цьому вказані перепади суттєво збільшуються в місцях прикладення імпульсного навантаження, що може викликати загрозу закипання натрію. Так, згідно з розрахунковими даними для T_S = 450 ⁰C при піковому тепловому навантаженні отримана величина ДТ_к. є меншою, ніж експериментально визначена величина ДТ_нк, що відповідає початку закипання натрію (ДТ_к = 44,9 ^оС, а ДТ_нк = 74,3 ^оС ). Інша картина спостерігається в режимі, що відповідає T_S = 750 ⁰C. Тут значення ДТ_к перевищують допустиму величину ДТ_нк (ДТ_к = 78,0 ^оС, а ДТ_нк = 32,2 ^оС ), що вказує на загрозу закипання натрію.

На основі комплексу виконаних досліджень розроблено інженерну методику визначення граничних величин теплових потоків, що підводяться до РВ, і коефіцієнтів теплопередачі. Запропоновано відповідні залежності для розрахунку вказаних величин:

; .

В роботі наводиться розроблена схема когенераційної установки на основі повітряної ГТУ і теплообмінника з оребреними ВТТ для утилізації теплоти димових газів скловарної печі. Крім того подається технічне рішення щодо організації резервного електропостачання склозаводу на базі ресивера-випарника ВТТ з двигуном Стірлінга та електрогенератором.

ВИСНОВКИ

1. Виконано комплекс експериментальних та розрахункових досліджень процесів теплопереносу у ресиверах - випарниках натрієвих високотемпературних теплових труб для автономних енергоустановок з двигуном Стірлінга, в яких використовується концентрована сонячна енергія і/або теплота відхідних газів енергоустановок.

2. Розроблено методику експериментальних досліджень величин перегрівів ДТ_нк, що відповідають початку закипання натрію у високотемпературних теплових трубах.

3. Експериментально досліджено закономірності процесу пароутворення і початку закипання натрію у високотемпературних теплових трубах для широкого діапазону змін температур насичення парів натрію (T_S = 450 - 750 ⁰C). Виконано узагальнення власних експериментальних даних і результатів інших авторів та одержано залежності величини ДТ_нк від температури T_S та тиску насичення Р_S. Запропоновано співвідношення для визначення густини теплового потоку q_НК, що відповідає початку закипання натрію.

4. Створено інженерну розрахунково- експериментальну методику визначення граничної товщини пористого гноту _max , що відповідає початку закипання натрію. На основі цієї методики і одержаних експериментальних даних отримано залежності для визначення величин коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні б_И , коефіцієнтів теплопередачі k₀ та температурних перепадів у характерних точках конструкції.

5. Розроблено математичну модель нелінійного нестаціонарного теплопереносу у натрієвих ресиверах - випарниках для пускового, перехідного і номінального режимів роботи. За результатами комп'ютерного моделювання визначено допустимі межі співвідношень пікових теплових потоків і температур у перехідному процесі, які забезпечують багаторазово відтворюваний і безаварійний вихід енергоустановки на робочий температурний режим. Виявлено закономірності впливу локальних сплесків теплового потоку, що підводиться, на виникнення на ресиверах - випарниках «гарячих плям».

6. Виконано аналіз результатів випробувань, що проведені у національних лабораторіях Сандія (США) для восьми макетів та чотирьох повномасштабних експериментальних зразків натрієвих сонячних ресиверів - випарників. Розроблено рекомендації щодо методики проведення теплофізичних досліджень, технології виготовлення, умов та режимів роботи високотемпературної теплової труби. Дані рекомендації передано до вказаних лабораторій.

7. На основі проведених досліджень запропоновано енергоефективні схемні рішення автономних енергоустановок з ресиверами - випарниками високотемпературних теплових труб і двигуном Стірлінга та повітряною ГТУ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Шевчук Е.Н. Солнечный теплоприемник на основе тепловой трубы для космических энергоустановок мощностью 10 кВт (эл.) / Шевчук Е.Н., Фиалко Н.М., Шевчук О.Е. //Авиационно-космическая техника и технология. Сб. науч. трудов. Вып. 13 Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “Харьк. Авиац. ин-т”.1999. C. 7278.

(Особистий внесок оцінка впливу теплового потоку на перегрів випарника).

2. Шевчук Е.Н. Теплотехнические аспекты использования концентрированного солнечного излучения в коллекторах и высокотемпературных испарителях для выработки электроэнергии. Часть I. / Шевчук Е.Н., Фиалко Н.М., Малецкая О.Е. //Пром. Теплотехника.- 1999.- Т. 21. № 6.- С. 89-94.

(Особистий внесок визначення граничної товщини пористої структури).

3. Shevchuk E.N. Research and estimation of evaporation conditions in solar receiver of a sodium heat pipe. / Shevchuk E.N., Fialko N.M., Maletskaya O.E // Proc. of 11^th Int. Heat Pipe Conf. 12-16 Sept. 1999, Tokyo, Japan. Vol.1., 1999.- Р. 219224.

(Особистий внесок моделювання інтенсивності локального випаровування).

4. Шевчук Е.Н. Проблема разработки автономных энергоустановок с комбинированной системой внешнего подвода теплоты от различных источников нагрева. / Шевчук Е.Н., Фиалко Н.М., Малецкая О.Е./ Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной энергетике: Сб. м-лов межд. научн.-практ. конф., 23-26 окт. 2000, Киев: Знание, 2000.- С. 152-155.

(Особистий внесок аналіз систем зовнішнього підводу теплоти).

5. Шевчук Е.Н. Теплотехнические аспекты использования концентрированного солнечного излучения в коллекторах и высокотемпературных испарителях для выработки электроэнергии. Часть 2. / Шевчук Е.Н., Фиалко Н.М., Малецкая О.Е., Юрчук В.Л. // Пром. теплотехника, 2000, Т. 22, № 4.- С.60-65.

(Особистий внесок розрахунок режимних карт течії пари у колекторі).

6. Шевчук Е.Н. Разработка автономных энергоустановок с системой внешнего нагрева для утилизации теплоты высокотемпературных газов. / Шевчук Е.Н., Фиалко Н.М., Малецкая О.Е. // Пром. теплотехника, 2001, Т. 23, № 4-5.- С. 122-127.

(Особистий внесок аналіз механізму утворення гарячих плям у випарнику).

7. Малецкая О.Е. Расчетное исследование нестационарных режимов работы солнечного натриевого испарителя при подводе неравномерного теплового потока. / Малецкая О.Е., Фиалко Н.М., Шевчук Е.Н., Юрчук В.Л./ Труды V Минского межд. форума по тепломассобмену, 24-28 мая 2004, Минск, 2004, (CD).

(Особистий внесок розрахунок теплообміну при випаровуванні).

8. Малецкая О.Е. Анализ технических основ создания когенерационной установки для утилизации теплоты высокотемпературных уходящих газов. / Малецкая О.Е., Фиалко Н.М., Шевчук Е.Н. // Труды I Межд.конф. “Когенерация в промышленности и коммунальной энергетике”, 18-20 окт. 2004, Киев, 2004, (CD).

(Особистий внесок оцінка параметрів теплообмінника з ВТТ).

9. Малецкая О.Е. Экспериментальное исследование температурных режимов начала вскипания натрия в тепловой трубе. / О.Е. Малецкая // Пром. теплотехника, 2004, Т. 26, № 6.- С. 49-54.

10. Малецкая О.Е. Интенсивность теплоотдачи в высокотемпературных тепловых трубах когенерационных теплообменников. / Малецкая О.Е., Фиалко Н.М., Шевчук Е.Н. // Тезисы докл.IV Межд. конф.“Проблемы пром. теплотехники”, 26-30 сен. 2005, Киев, 2005. - С. 103-104.

(Особистий внесок розрахунок теплообміну і температур у оребрених ВТТ).

11. Малецкая О.Е. Определение оптимальных конструктивных и режимных параметров высокотемпературных натриевых испарителей. / Малецкая О.Е., Шевчук Е.Н. // Докл. на V Межд. конф. “Проблемы пром. теплотехники”, 22-26 мая 2007. Киев, 2007. - С. 48-49.

(Особистий внесок оцінка оптимальних параметрів ).

12. Computational study of nonstationary modes of operation of a solar sodium evaporator with supply of a nonuniform heat flux. / [Maletskaya O.E., Fialko N.M.,Shevchuk E.N, and V.L.Yurchuk] Heat transfer research. Vol.38, № 6, 2007. Р.495 - 505.

(The personal payment is a calculation of heat exchange at evaporation).

АНОТАЦІЇ

Малецька О.Є. Теплові режими високотемпературних випарників натрієвих теплових труб для сонячних енергоустановок і утилізації теплоти. Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ 2009.

Дисертацію присвячено комплексному експериментально-розрахунковому дослідженню процесів теплопереносу у ресиверах - випарниках натрієвих високотемпературних теплових труб для автономних енергоустановок з двигуном Стірлінга. Експериментально досліджено закономірності пароутворення і початку закипання натрію у високотемпературній тепловій трубі для широкого діапазону змін температур насичення пари натрію. Розроблено інженерну методику визначення граничної товщини пористого гноту, коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні та ін. Сформульовано математичну модель теплопереносу в натрієвих ресиверах - випарниках для пускового, перехідного і номінального режимів роботи та на її основі виконано параметричний аналіз даної фізичної ситуації.

Ключові слова: автономна енергоустановка, високотемпературна теплова труба, закипання, натрієвий випарник.

Малецкая О.Е. Тепловые режимы высокотемпературных испарителей натриевых тепловых труб для солнечных энергоустановок и утилизации теплоты. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена исследованию процессов теплопереноса в натриевых ресиверах - испарителях солнечных автономных энергоустановок с двигателями Стирлинга с целью повышения их ресурса и надежности.

Выполнен системный анализ возможных причин нарушения стабильной работы ресиверов - испарителей высокотемпературных тепловых труб в составе солнечных энергоустановок. Детально рассмотрены механизмы возникновения «горячих пятен», особенности диффузии водорода и азота во внутренний объем высокотемпературной тепловой трубы, ограничения, обусловленные режимами запуска тепловых труб и т.д.

Большое внимание в работе уделено экспериментальным исследованиям процессов парообразования натрия в испарителях высокотемпературных тепловых труб. Разработана методика экспериментального определения зависимости величин перегрева при вскипании натрия от температуры насыщения T_S. Результаты исследований, проведенных в широком диапазоне изменения температуры T_S, обобщены соответствующими эмпирическими соотношениями.

Создана инженерная расчетно-экспериментальная методика определения предельной толщины пористого слоя фитиля _max, которая отвечает началу вскипания натрия. На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных найдены зависимости от плотности теплового потока таких величин, как интенсивность теплоотдачи при испарении, коэффициент теплопередачи и температурные перепады в характерных точках конструкции.

Проведено математическое моделирование теплового состояния натриевых ресиверов - испарителей в пусковом, переходном и номинальном режимах работы. Сформулирована уточненная нелинейная математическая модель процесса, учитывающая целый ряд усложняющих факторов. В рамках этих исследований особое внимание уделялось установлению закономерностей влияния локальных всплесков подводимого теплового потока на возникновение в ресивере - испарителе «горячих пятен». На основе результатов выполненных вычислительных экспериментов разработана инженерная методика определения предельных величин тепловых потоков, подводимых к ресиверу - испарителю.

Выполнен анализ результатов испытаний, проведенных в Национальных лабораториях Сандия (США) для восьми макетов и четырех полномасштабных ресиверов-испарителей. Кроме того были выполнены расчетные оценки теплового состояния этих ресиверов - испарителей и проведены соответствующие сопоставления с результатами натурных экспериментов. По результатам выполненного анализа разработаны рекомендации, касающиеся методики проведения теплофизических исследований, технологии изготовления, условий и режимов работы высокотемпературных тепловых труб. Данные рекомендации переданы для использования вышеуказанным лабораториям.

Ключевые слова: автономная энергоустановка, высокотемпературная тепловая труба, вскипание, натриевый испаритель.

Maletskа О.I. Thermal modes of high-temperature evaporators of sodium heat pipes for solar energy plants and heat recovery. Manuscript. Thesis for scientific degree of candidate of technical science by speciality 05.14.06 -Technical thermophysics and industrial heat power engineering. Institute of engineering thermophysics, National academy of sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

Dissertation is devoted complex experimentally calculation research of heat transfer processes in the receivers-evaporators of sodium high temperature thermal pipes for autonomous energy plants with the Stirling engine. Conformities to the law of vaporization and beginning of effervescence of sodium are experimentally investigational in a high temperature thermal pipe for the wide range of changes of sodium pair satiation temperatures. The engineering method of determination of maximum thickness of wick porous, coefficients of heat emission is developed at evaporation but other. The mathematical model of heat transfer is formulated in sodium receivers-evaporators for starting, transitional and nominal office hours and on its basis the self-reactance analysis of this physical situation is executed.

Key words: autonomous power plant, high-temperature heat pipe, incipient boiling, heat recovery, sodium evaporator.

Размещено на Allbest.ru

...