Влияние режимных и конструктивных факторов

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕПЛОТЫ

Цель работы - ознакомиться с режимными и конструктивными параметрами тепловой сети и методом расчета затрат энергии при транспортировке теплоносителя; провести расчет энергетических характеристик тепловой сети при изменении режимных (температур теплоносителя и окружающей среды) и конструктивных (длина и диаметр участка теплопровода) параметров; провести сравнительный анализ результатов расчета и дать рекомендации для выбора оптимальных режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих минимальные потери теплоты и энергии на прокачку теплоносителя в тепловой сети.

Работа выполняется в течение 2-х академических часов.

Введение

К режимным параметрам тепловой сети относятся температуры теплоносителя и окружающей среды, расход или скорость теплоносителя. К конструктивным параметрам относятся протяженность участков теплопроводов, их диаметры, толщина тепловой изоляции и размеры каналов при канальной прокладке теплопроводов, а также уровень высоты подъема теплопровода. В данном исследовании переменными являются температуры окружающей среды t_о.с. и теплоносителя t_1ТЭЦ на выходе энергетической установки, длина L и проходной диаметр D_у наиболее удаленного участка теплопровода s09 с потребителем N08 (см. рис. 6).

Метод анализа

Удельные потери тепла в окружающую среду, как видно из формулы (4), зависят от температурного напора между энергоносителем t и окружающей средой t_о.с. и теплотехнических свойств теплопроводов, выраженных через коэффициент тепловых потерь K. Количество теплоты Q_i, теряемой энергоносителем в окружающую среду i-м участком теплопровода, можно также рассчитать по данным измерений согласно уравнения теплового баланса:

, (7)

где G_i - массовый расход энергоносителя;

с_р - удельная теплоемкость при постоянном давлении;

t_N1,i, t_N2,i - температура энергоносителя соответственно на входе и выходе i-го участка.

Распределение расхода энергоносителя по участкам рассчитывается методом итераций на основании законов Кирхгофа. При этом совместно рассчитываются потери давления на каждом участке. В свою очередь, потери давления в сочетании с расходами позволяют найти энергетические затраты на транспорт энергоносителя.

Потери давления (напора) на каждом участке могут включать три составляющие

, (8)

где Р_Т, Р_М, Р_h - потери давления соответственно за счет сопротивления трения, местных сопротивлений (сужений, расширений, поворотов) и перепада высот.

Для предварительного анализа потери напора на участке трубопровода можно приближенно рассчитать на основании теоретических зависимостей и стандартных опытных данных.

Потери давления за счет сопротивления трения в трубах

, (9)

где λ - коэффициент сопротивления трения;

L - длина участка теплопровода;

D_у - диаметр теплопровода;

ρ - плотность энергоносителя;

w - скорость энергоносителя.

Перепад давления в местном сопротивлении

(10)

где λМ - коэффициент местного сопротивления для типичных геометрий, определяется на основании эмпирических справочных данных [9, 10]. Потери давления за счет перепада высот

(11)

где h₀ - нулевой уровень.

Энергоноситель может перемещаться по трубам при различных режимах течения в зависимости от числа Рейнольдса для потока Re=wD_у/ν. Различают три режима гидродинамического течения: ламинарный (Re<2200), переходный (2200≤Re≤4000) и турбулентный (Re>4000). Коэффициент сопротивления трения для гидродинамически гладких труб:

(12)

В реальных теплопроводах дополнительно учитывается шероховатость труб на основании формулы Альтшуля. Тогда

(13)

где - эквивалентная абсолютная шероховатость, мм.

Для новых и чистых стальных сварных труб =0,05 мм, после нескольких лет эксплуатации - 0,2 мм, для сильно заржавевших или с большими отложениями - 3,0 мм.

На основании вычисленных интегральных потерь давления определяются затраты энергии, потребляемой приводом насоса, на прокачку энергоносителя:

(14)

где η_н - КПД привода, ρ - плотность энергоносителя, G - массовый расход энергоносителя.

Проведение расчета

Расчет проводится с использованием основных рабочих файлов исходных данных BER.CMD, EDGE.CMD и других вспомогательных файлов, содержащихся в каталоге. Расчетные варианты устанавливаются предварительно на каждом компьютере изменением мощности потребителя Q_N08 в файле CONS.CMD в соответствии с табл.3 работы №2.

Выполнение работы

1. Расчет проводится для одного типа надземного
теплопровода С4 (λ_i = 0,027 Вт/(м °С), δ = 0,003 м).

2. Для проведения вычислительного эксперимента загрузите
программу CONDORS. На рабочем столе монитора найдите значок с
имен программы, подведите к нему курсор и дважды нажмите левую
кнопку мыши. После появления главной формы нажмите
кнопку <Работа №3>.Исходные данные задаются в файлах EDGE.CMD и BER.CMD.

3. Первоначально проверяется соответствие исходных данных
конструктивным параметрам тепловой сети. Откройте файл Edge.cmd,
измените код теплопровода на С4. Пример структуры файла Edge.cmd с
описанием основных идентификаторов дан на рис.7 (работа №2).
Обратите внимание, чтобы длина участка L_S09 и диаметр трубы D_S09 соответствовали расчетному варианту. Дальнейшее
обращение к файлу EDGE.CMD с целью его редактирования будет
использоваться лишь в вариантах 11-20 табл.5. После редактирования
текущего варианта сохранить данные, нажав кнопку <Сохранить>.

4. Выберите из списка и откройте файл исходных данных
BER.CMD. Данный файл применяется для редактирования данных в
вариантах 1-11 табл.5. Проведите редактирование текущего варианта в
соответствии с табл.5, используя образец файла BER.CMD на рис.9.
Переменные t_1ТЭЦ (TF) и t₀ (TJ) выделены подчеркиванием. После
редактирования текущего варианта сохранить данные, нажав кнопку
<Сохранить>.

Таблица 5

Исходные данные и результаты расчета

№ п/п	t1ТЭЦ, оС	tо.с., оС	Q1ТЭЦ, МВт	Q, МВт	tN08, оС	η	LS09, м	DS09, м	ΔPS09, бар	GS09,	N, кВт
											-
											-
											-
											-
											-
											-
		-24									-
		-16									-
		-8									-
											-

Рис.9. Образец файла BER.CMD

5. Нажатием кнопки <Счет> провести расчет по программе
CONDORS с выполнением следующих операций:

5.1. При появлении запроса «Please type file name for output or...» введите имя файла результата расчета 1 и нажмите два раза подряд клавишу <Enter>.

5.2. После появления меню типа расчета выполните пункт «2. Consumpsion, temperatures, ... (Потребление, температуры, ...)». Для этого введите символ 2 и нажмите клавишу <Enter>.

5.3. Затем выполните пункт «6. Heatloss in pipe (Потери тепла в трубопроводах)». Для этого введите символ 6 и нажмите клавишу <Enter>.

5.4. Завершите расчет варианта выполнением пункта меню «1. Stop for output (Стоп для выхода)». Для этого введите символ 1 и нажмите клавишу <Enter>.

5.5. При появлении обратного оператора «FJU>» введите символ q и нажмите клавишу <Enter>.

5.6. После нажатия кнопки <Результат> в окне отображаются результаты расчета текущего варианта.

5.7. Для вариантов 11-20 дополнительно выполните пункт «5. Pressure loss, flow, ... (Потери давления, расход, ...)». Для этого введите символ 5 и нажмите клавишу <Enter>. После появления на экране таблицы с результатами расчета в соответствии с образцом на рис.10 выпишите параметры G_S09 и ∆P_S09 для участка s09, которые выделены подчеркиванием.

6. Для одного из вариантов ознакомьтесь с графическим представлением результатов. Нажмите кнопку <Графика>,затем, последовательно нажимая клавишу <Enter>, ознакомьтесь с изменением температуры энергоносителя и давления вдоль критического пути тепловой сети между энергетической установкой 1ТЭЦ и потребителем N08. Пример графического представления на экране монитора потерь давления и температуры энергоносителя вдоль критического пути дан на рис. 11.

7. Проведите расчет и обработку всех вариантов в соответствии с табл.5.

8. Проведите сравнительный анализ для каждой серии результатов расчета, дополнительно вычислив по формуле (6) КПД тепловой сети во всех вариантах, а для вариантов 11-20 дополнительно по формуле (14) затраты энергии на прокачку энергоносителя на участке s09. При вычислении мощности, потребляемой приводом насосов, принимается, что ρ=1000 кг/м³ и η_н=0,9. Постройте графические зависимости, показывающие изменение η=f₁(t_1ТЭЦ, t_ос) и N=f₂(L_S09,D_S09). Покажите, в каких случаях и на сколько по сравнению с другими вариантами потери энергии при транспортировке теплоты будут минимальными. Дайте рекомендации по выбору режимных и конструктивных параметров теплопроводов.

Рис.10. Фрагмент таблиц результатов расчета, соответственно для пунктов меню 2 (Side 1), 5 (Side 2) и 6 (Side 3) программы CONDORS

Работа № 4