Введение к работе
Актуальность работы:
Повышение эффективности работы, надежности, долговечности теплоэнергетических установок, а также уменьшение их материалоемкости, в настоящее время является актуальной проблемой промышленной теплоэнергетики. Кроме того, Российские теплоэнергетические установки, созданные в середине XX в. практически выработали свой ресурс. Оценка состояния рабочих элементов и продление сроков их эксплуатации являются также актуальными задачами. На эффективность работы и ресурс парогенерирующих установок в значительной мере влияют происходящие в них гидродинамические и термодинамические процессы.
Процессы генерации пара и теплообменные процессы сопровождаются образованием и движением двухфазных пузырьковых потоков. Наличие газовой фазы (пузырьков) в жидкости вызывает пульсации температур, которые, генерируют местные напряжения и приводят к усталостному разрушению материала рабочих элементов оборудования. Особенно это проявляется при работе на форсированных режимах и в зонах с гидродинамической нестабильностью.
Недостаточная изученность температурных пульсаций при движении двухфазных пузырьковых потоках, не позволяет оценивать (выполнять расчеты) напряжения материала греющей стенки и соответственно ее долговечность.
Настоящая работа посвящена экспериментальным исследованиям нестационарных процессов теплообмена при двухфазной (пузырьковой) и однофазной (жидкостной) гидродинамике потока движущегося около нагретой стенки канала.
Актуальность работы подтверждена тем, что исследования выполнялись в рамках государственного бюджета по темам Министерства Образования РФ: «Теоретические и экспериментальные исследования нестационарных процессов тепломассопереноса в газодинамических потоках и теплопередающих элементах» № ГР 01200510079, 2004 – 2006 гг.; «Расчетные и теоретические исследования нестационарных процессов тепломассопереноса в газожидкостных средах и потоках теплопередающих элементов» НИР 1.2.07, 2006 – 2008 гг.
А также при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ проект № 08-08-99097).
Цель работы:
Экспериментальное исследование пульсаций температур нагретой стенки при различных режимах движении пузырькового потока, поучение их статистических характеристик и усовершенствование на их базе инженерного метода расчета долговечности материала нагреваемой стенки.
Задачи исследования:
экспериментальное получение цифровой информации о пульсациях температур нагретой стенки при различных скоростях и газосодержаниях двухфазного пузырькового потока;
получение статистических характеристик температурных пульсации;
выявление типов пульсаций температур;
усовершенствование метода расчета ресурса материала нагреваемой стенки, в зависимости от температурных пульсаций.
Научная новизна:
Создан экспериментальный комплекс, позволяющий исследовать пульсации температур, обусловленные движением двухфазного (пузырькового) и однофазного (жидкостного) потоков.
Получены:
экспериментальные данные по пульсациям температур нагретой стенки в зависимости от скорости и газосодержания пузырькового и однофазного потоков;
статистические характеристики (плотность распределения, автокорреляционные функции, спектральные плотности) пульсаций температур для частотного диапазона пульсаций температур от 0 до ;
типы пульсаций температур нагретой стенки в зависимости от: движения жидкости; движения и взаимодействя пузырьков между собой и стенкой канала.
Усовершенствован метод расчета местных температурных напряжений нагретой стенки и ее долговечности при работе условиях температурных пульсаций
На основе экспериментальных и теоретических исследований показано, что долговечность материала нагретой стенки значительно зависит от интенсивности пульсаций температур их частотного диапазона и режимов движения двухфазного и однофазного потоков.
Положения, выносимые на защиту
экспериментальный комплекс для исследования температур нагретой стенки при движении однофазного (жидкостного) и двухфазного (пузырькового) потока.
результаты экспериментальных исследований с получением цифровой информации о пульсациях температур нагретой стенки при различных скоростях течения и газосодержании двухфазного пузырькового потока;
выявление типов пульсаций температур нагретой стенки;
метод расчета ресурса металла нагреваемой стенки, в зависимости частотного диапазона от температурных пульсаций.
Достоверность полученных результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечивается комплексным характером исследований и большим числом экспериментальных данных, полученных с использованием современных цифровых измерительных средств, анализа точности измерений, статистической обработки результатов экспериментов. Основные научные положения и выводы обеспечиваются использованием классических уравнений движения, теплопереноса, сохранения энергии, а также сопоставимостью расчетных и экспериментальных данных.
Теоретическая значимость работы
Экспериментальные данные, статистические характеристики, выявленные типы пульсаций температур, представленные в диссертационной работе могут являться исходным материалом, для построения математических моделей и теоретических исследований нестационарных теплогазогидродинамических процессов, в каналах с двухфазным теплоносителем теплоэнергетических установок.
Практическая ценность работы
Полученные статистические характеристики, закономерности пульсаций температур позволяют переносить результаты экспериментов на схожие условия при разработке, проектировании и эксплуатации теплоэнергетического оборудования. Усовершенствованный метод расчета позволяет определять местные температурные напряжения нагретой стенки и ее долговечность при работе условиях температурных пульсаций.
Реализация результатов работы:
Материалы диссертационной работы используются:
службой производственно-технического отдела ОАО «Краснодартеплоэнерго» в инженерно-технических расчетах и в рекомендациях по работе теплообменного и котельного оборудования с зонами гидродинамической нестабильности;
лабораторией №1 ОАО «НИПИгазпереработка» для экспериментальных исследований теплообменных и гидродинамических процессов протекающих в проектируемом теплообменном, массообменном и сепарационном оборудовании установок по переработке газа.
Научные результаты диссертационной работы оформлены актами внедрения ОАО «Краснодартеплоэнерго» и ОАО «НИПИгазпереработка».
Апробация работы. Основные положения диссертации, представлялись, обсуждались и были одобрены: на межрегиональной конференции Молодые ученые России – теплоэнергетике (г. Новочеркасск, 2001 г.); на IV Международной конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии» (г. Новочеркасск 2003 г.); на XV Школе-семинаре «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках (г. Калуга, 2005 г.); на XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях»
(г. Воронеж, 2006 г.); на Научно – практической конференции «Проблемы и основные факторы развития топливно-энергетического комплекса юга России» (г. Ростов – на – Дону, 2007 г.); на кафедре промышленной теплоэнергетики и тепловых электрических станций КубГТУ (г. Краснодар, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, 4 приложений. Общий объем работы 136 страниц печатного текста, включая 40 рисунков и приложений на 72 страницах.
