Исследование температурного разделения в потоках сжимаемого газа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение.

Основные обозначения и сокращения.

1. Методы газодинамической стратификации.

1.1. Исторический обзор.

1.2. Стратификация в струе газа.

1.3. Вихревой метод стратификации в трубке Ранка-Хилща.

1.4. Волновые и вихревые газодинамические методы.

1.5.Влияние параметров потока и теплообмена на коэффициент восстановления температуры.

К настоящему времени предложено много примеров процесса температурной стратификации в газовом потоке. Причины, вызывающие температурную стратификацию, могут быть самыми различными. Иногда стратификация является результатом дисбаланса между потоками тепла за счет теплопроводности и выделением тепла за счет работы сил вязкости. В других случаях температурная стратификация вызывается вихревыми течениями, пульсациями давления и возникновением звуковых волн. Некоторые из этих явлений нап1ли применение в различных технических устройствах, предназначенных для безмашинного метода получения разности температур.

Прошло уже несколько десятков лет после того, как аппараты созданные человеком превзошли скорость звука. Развитие авиации и космонавтики потребовало исследование теплообмена при высоких сверхзвуковых скоростях течения газа.

Интенсивность теплообмена между потоком газа и обтекаемой поверхностью зависит от температурного напора между стенкой и потоком, равного разности между температурой восстановления потока газа и температурой стенки. Это связано с тем, что возле стенки происходит искривление эпюры температуры торможения потока газа в пограничном слое (из-за разности теплового потока от сил трения и потока, отводимого теплопроводностью), причем форма и величина искривления зависит от значения критерия Прандтля [59, 64, 1] для данного газа где 1л - коэффициент кинематической вязкости газа;

Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении;

1 - теплопроводность газа.

На использовании этой особенности и основан способ температурной стратификации в сверхзвуковом потоке газа, предложенный Леонтьевым

Александром Ивановичем в 1996 году. Им же и было предложено устройство для реализации этого способа, в дальнейшем получившее название трубы Леонтьева (ТЛ) [33, 24].

На 47 Международной выставке инвестиций, исследований и новых технологий в Брюсселе (Эврика'98) это изобретение получило серебряную медаль с дипломом.

Научная и практическая ценность представленной работы состоит в исследовании механизма температурной стратификации в сверхзвуковом потоке и определении оптимальных значениях числа Прандтля рабочего тела, величины вдува и величины приведенных скоростей в дозвуковом и сверхзвуковом потоках. Кроме того, была разработана методика расчета устройства температурной стратификации газа и проведено сравнение ее с экспериментальными данными.

Диссертация состоит из четырех глав и общего заключения.

В первой главе дан краткий обзор существующих методов температурной стратификации газа и более подробно рассмотрен метод стратификации газа в вихревой трубе (труба Ранка-Хилша) и приведены типовые характеристики вихревой трубы. Там же был выполнен обзор литературы по исследованию коэффициента восстановления температуры.

Во второй главе проведено аналитическое исследование температурной стратификации на пластине и коаксиальных каналах. Определены оптимальные значения числа Прандтля рабочего тела, показателя адиабаты, величины вдува и величины приведенных скоростей в дозвуковом и сверхзвуковом потоках. т-ч и о

В третьей главе приведены примеры реализации устройств, использующих способ температурной стратификации газа. Даны схемы устройств и результаты расчетов, степень их реализации и состояние патентной защиты.

В четвертой главе приведены результаты испытания ТЛ на природном газе и их сопоставление с результатами теоретических расчетов.

По результатам работы была спроектирована и изготовлена на ОАО "НИО Наука" экспериментальная установка, которая была смонтирована и испытана на открытой площадке ССУД МТ "ОРГЭНЕРГОГАЗ" в г. Саратове в период с 12.10.98 по 19.10.98 при участии автора.

Основные положения работы докладывались на 2-й Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 26-30 октября 1998 г); на Международной научной конференции студентов и молодых ученых (Москва, 21-23 апреля 1999 г.); на 12-й Школе семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Москва, 25-28 мая 1999 г.); на Юбилейной научной конференции, посвященной 40-летию Института механики МГУ (Москва, 22-26 ноября 1999 г.), а также семинарах кафедры Э-3 МГТУ им. Баумана в 1998 - 2000 г.г.

Результаты диссертационной работы отражены в 14 печатных работах, в том числе одна монография и 4 патента.

Постановлением Президиума Российской АН №165 от 20 июня 2000 г. автору данной работы присуждена медаль Российской АН для молодых ученых в области физико-технических проблем энергетики за цикл работ "Температурная стратификация газа".

Автор благодарит научного руководителя академика Российской АН Леонтьева Александра Ивановича за его долготерпение к своему ученику, постоянное и активное внимание к выполняемой работе, а также Визеля Я.М., Виноградова Ю.А., Ермолаева И.К., Самсонова В.Л., Суровцева И.Г., Чижикова Ю.В., Щеголева Н.Л. и Юдина Д.Ю. за ценные рекомендации и предоставленные материалы.

Основные обозначения и сокращения

ТЛ - труба Леонтьева;

НТС - низкотемпературная сепарация газа; КС - компрессорная станция; г - коэффициент восстановления температуры, г = (г^Л - г)/(г* - т); Т*„ - температура теплоизолированной стенки. К;

Г, Т* - статическая температура и температура торможения потока газа. К;

Рг = аааа - число Прандтля; е /и-рСр

Ргу. = — = ——---турбулентное число Прандтля;

Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг*К);; Ке - число Рейнольдса; к - показатель адиабаты газа; М - число Маха; и - скорость газа, м/с; и = Wf)W = у1{к-1)/{к + 1)Л - параметр скорости газа; Р - площадь поперечного сечения канала, мЛ; т - отношения массовых расходов сверхзвукового и дозвукового потоков газа;

Греческие символы т - касательное напряжение, Н/м ;

Л0 - коэффициент трения в стандартных условиях;

- динамическая вязкость, (Н*с)/м ;; в - относительная температура торможения в канале, в = Т*/; Л - теплопроводность газа, Вт/(м*К), приведенная скорость; £Л - коэффициент температуропроводности;

8А - коэффициент турбулентной вязкости; 8

- степень понижения давления в сверхзвуковом канале ТЛ (вместе с диффузором); р - плотность, кг/мА;

X- универсальная постоянная, характеризующая пути перемешивания.

Индексы

0 - начальное значение, в 2.1. - без влияния вдува;

1 - сверхзвуковой поток газа;

2 - дозвуковой поток газа;

Н - параметры в начале сверхзвукового канала; К - параметр в конце сверхзвукового канала; ЛА> - значение параметра на стенке; 00 - значение параметра на бесконечности.

4.3.6. Выводы о результатах эксперимента

На Рис. 4.12-Рис. 4.22 большая часть экспериментальных точек лежит выше теоретических кривых на \-АЗкДж/кг (в среднем выше на 2кДж/кг).

Это происходит несмотря на то, что в ходе экспериментов в сверхзвуковом канале ТЛ возникала система косых скачков уплотнения, о чем свидетельствуют показания термопар в ходе проведения эксперимента.

Система косых скачков уплотнения могла возникать из-за того, что при проектировании ТЛ был очень не точно задан состав природного газа (расхождение по высшим углеводородам было в 2-5 раз). Кроме того, не удалось спроектировать плавного перехода между сверхзвуковым соплом и рабочим участком. Система косых скачков уплотнения должна была уменьшить количество тепла, передаваемое от дозвукового потока природного газа к сверхзвуковому потоку.

Но количество тепла, переданное от дозвукового потока природного газа к сверхзвуковому потоку, с учетом уменьшения скорости течения газа за счет системы косых скачков уплотнения было выше, чем расчетное.

Однако, если перейти от постановки задачи на базе одномерных уравнений газовой динамики к двухмерной постановке задачи и ввести понятие начального участка сверхзвукового канала ТЛ, то, как показано в работах [21, 27], это может привести к увеличению среднего значения коэффициента теплопередачи на 5 н-20 %.

Кроме того, из-за нерасчетного режима течения газа возник положительный градиент давления в сверхзвуковом потоке. Он должен был привести к дополнительному уменьшению г.

На основании всего приведенного выше, можем сделать вывод, что предложенный метод расчета на базе одномерных уравнений газовой динамики дает достаточно точное решение. Однако для повышения точности расчетов необходимо в расчетную модель внести элементы, описанные выше.

Проведенные эксперименты показали, что при падении давления в сверхзвуковом канале (с диффузором) ТЛ в 8 12 раз, происходило увеличение энтальпии природного газа на \2-л20кДж/кг, что соответствует увеличению температуры природного газа на 5 ч- 9 К.

На Рис. 4.23 представлено сопоставление результатов расчета увеличения энтальпии природного газа в зависимости от падения полного давления в сверхзвуковом канале с экспериментом. На этом же графике показаны результаты расчета для канала с толщиной стенки 3 = 2,5 мм, изготовленной из стали ЗОХГСА (кривая 3). Как видно из графика термическое сопротивление стенки оказывает существенное влияние на эффективность установки.

Проведенные экспериментальные исследования были положены в основу нескольких разработок, представленных в работах [35, 34, 37, 50].

Алов. кДж кг 36 33 30 27 24 21 18 1Б 12 9 6 3

Л д о □ 4 6 8 10 12 14 16 А -1 - - 2 ——. -3

Рис. 4.23.

Влияние величины суммарного падения давления в сверхзвуковом канале на увеличение энтальпии природного газа

1 - экспериментальные точки; 2 - теоретическая кривая для установки с ТЛ, испытанной на полигоне; 3 - теоретическая кривая для установки с ТЛ, аналогичной 2, но с толщиной стенки 2.5 мм, изготовленной из стали ЗОХГСА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные положения и выводы, характеризующие представленные результаты исследования способа температурной стратификации газа и созданную методику расчета устройств для его реализации следующие.

1. Проведено исследование влияния различных свойств газа и скоростей его течения на величину газодинамической температурной стратификации газа на пластине и коаксиально расположенных каналах. Получены зависимости для определения оптимальных значения числа Прандтля рабочего тела, показателя адиабаты и величины приведенных скоростей в дозвуковом и сверхзвуковом потоках.

2. Показаны возможности увеличения температурной стратификации газа за счет вдува газа и определены оптимальные значения параметров проницаемости.

3. Разработана методика расчета устройств газодинамической температурной стратификации реальных газов на базе одномерных уравнений газовой динамики и показано, что наиболее оптимальным, с точки зрения термодинамических и технологических требований, является коническая форма сверхзвукового канала, близкая к условию постоянства статического давления.

4. Проведены численные исследования влияния толщины стенки сверхзвукового канала, концентрации конденсирующегося компонента рабочей смеси и влияния шероховатости стенки на величину температурной стратификации реального газа и показано, что существенное влияние на величину температурной стратификации оказывает процесс конденсации компонента рабочей смеси.

5. При участии автора была рассчитана, затем спроектирована, изготовлена и испытана установка температурной стратификации природного газа. Проведено сравнение полученных данных с результатами расчетов и внесены изменения в расчетную модель.

117

6. Предложено несколько вариантов устройств, использующих газодинамическую температурную стратификацию газа. До уровня выполнения технического и эскизных проектов доведены:

• холодильная установка с ТЛ;

• установка НТС промыслового природного газа;

• установка охлаждение природного газа после КС;

• установка редуцирования, безогневого подогрева и сжижения магистрального природного газа.

Проведена оптимизация схем и выполнена патентная защита четырех устройств. В настоящее время ведутся работы по изготовлению опытно-промышленных образцов.

1. Абрамович Т.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. М.: Наука, 1991. -Ч. 1.-600 с.;Ч. 2.-304 с.

2. Архаров A.M., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы, В 2 т. М.: Машиностроение, 1996. - Т. 1. - 450 с.

3. Бурцев С. А. Исследование температурной стратификации газа //Вестник МГТУ. Машиностроение. 1998. - № 2. - С. 65-72.

4. Бурцев С. А. Исследование температурной стратификации газа и коэффициента восстановления при образовании конденсата газа // Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену. Москва, 1998. - Т. 8. - С. 58-59.

5. Бурцев С.А. Оптимизация геометрии сверхзвукового канала в устройстве для энергоразделения //Вестник МГТУ. Машиностроение. 1999. -№ 2. - С.48-54.

6. Бурцев С.А., Бурцева B.C. Социально-экологические перспективы применения устройства для температурной стратификации газа. // Тезисы докладов Международной научной конференции студентов и молодых ученых. Москва, 1999.-С. 28-30.

7. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа // Известия АН. Энергетика. -2000. -№ 5. -С. 101-113.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

9. Виноградов Ю.А., Ермолаев И.К., Леонтьев А.И. Течение газа в сверхзвуковом осесимметричном сопле с проницаемой вставкой //Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1999. - № 5. - С. 205-208.

10. Виноградов Ю.А., Ермолаев И.К., Леонтьев А.И. Течение газа в сверхзвуковом сопле с коаксиально расположенной частично-проницаемой цилиндрической вставкой // ТВТ. 2000. - Т. 38, № 6. - С. 1006-1008.

11. Газовая динамика. Механика жидкости и газа / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. - 671 с.

12. Гухман АА., Кадер Б.А. Массоотдача от стенки трубы к турбулентному потоку жидкости при больших числах Шмидта //Теор. основы хим. технологии. 1969. - Т. 3, № 2. - С. 216-243.

13. Дейч М.Е., Филиппов Г. А. Газодинамика двухфазных сред. -М.: Энергия, 1968.- 424 с.

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

15. Дородницин A.A. Пограничный слой в сжимаемом газе // ПММ. 1942. -№ 6. С. 449-463.

16. Емин О.Н., Зарицкий СП., Моравский A.B. Экспериментальное исследование работы эжектора с отрицательным коэффициентом эжекции //Теплоэнергетика. 1972. - №10. - С. 51-53.

17. Запорожец Е.П., Холпанов Л.П. Метод расчета процессов энергоразделения и массообмена в многокомпонентном вихревом струйном течении // Химическая промышленность. 1996. - № 7. - С. 33-39.

18. Коротаев Ю.П., Ширковский А.И. Добыча, транспорт и подземное хранение газа. М.: Недра. 1984, - 386 с.

19. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 320 с.

20. КэйсВ.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.-224 с.

21. Леонтьев А. И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Доклады Академии Наук. 1997. - Т. 354, № 4. - С. 475-477.

22. Леонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков // ТВТ. 1997. - Т. 35, № 1. - С. 157-159.

23. Леонтьев А.И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке // Энергетика (Рига) 1998. - № 2. - С. 35-42.

24. Леонтьев А.И. Термогазодинамические циклы тепловых и холодильных машин // Проблемы энергетики. 1999. - № 1-2. - С.5-11.

25. Леонтьев А.И., Миронов Б.П., Фафурин A.B. Длина начального участка при турбулентном течении газа в цилиндрической трубе в условиях существенной неизотермичности. //Журнал прикладной механики и технической физики. 1968. - № 4. - С. 99-104.

26. Леонтьев А.И., Шмидт К.Л. Бескомпрессорный идеальный цикл замкнутой газотурбинной установки //Изв. РАН. Энергетика. 1997. -№3, -С. 132-141.

27. Леонтьев А.И., Шмидт К.Л. Идеальный цикл энерголазерной установки с газодинамической регенерацией //Изв. РАН. Энергетика. 1999. -№5. -С. 74-78.

28. Меркулов A.n. Вихревой эффект и его применение в технике. -Самара: Оптима, 1997. 346 с.

29. Новый газодинамический метод температурной стратификации газа. /А.И.Леонтьев, Н.Л. Щеголев, В.В. Носатов, и др. //Газотурбинные и комбинированные установки. Сб. докладов 10 Всероссийской межвузовской конференции Москва. 1996. - С.76-77.

30. Патент № 2106581 (РФ). Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (Труба Леонтьева) / Леонтьев А.И. //РЖ. Энергетика. 1998. - № 3.

31. Патент №2155303 (РФ). Способ охлаждения природного газа после компрессорных станций /С.А. Бурцев, Я.М. Визель, А.И. Леонтьев, Ю.В. Чижиков // БИ № 24. 27.08.00.

32. Патент №2156271 (РФ). Способ низкотемпературной сепарации промыслового газа / С.А. Бурцев, Я.М. Визель, А.И. Леонтьев, Ю.В. Чижиков //БИ№ 26. 20.09.00.

33. Патент №2156413 (РФ). Холодильная установка /С.А. Бурцев, Я.М. Визель, А.И. Леонтьев, Ю.В. Чижиков // БИ № 26. 20.09.00.

34. Патент №2162190 (РФ). Способ регулируемого бесподогревного редуцирования магистрального природного газа и устройство для его осуществления / С.А. Бурцев, Я.М. Визель, А.И. Леонтьев, Ю.В. Чижиков // БИ №2. 20.01.01.

35. Петухов Б.С. Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой: Монография. М.: Изд-во МЭИ, 1993. - 352 с.

36. Развитие учебно-научного центра "Теплофизика газодинамических систем" Этап 1998 г. ФЦП "Интеграция": Отчет по проекту 2.1-К0575. / МГТУ, ИВТ РАН. Руководитель В.М. Поляев. № ГР 01990006426; Инв. № 02990004234. - М., 1998. - Книга 2. - 432 с.

37. Романенко П.Н. Тепломассообмен и трение при градиентном течении жидкостей. М.: Энергия, 1971. - 568 с.

38. Столяров A.A. О механизме энергоразделения в газовом эжекторе // Известия АН. Механика жидкости и газа. 1977. - № 6. - С. 145-151.

39. Столяров A.A. Об особенностях термического энергоразделения в газовом эжекторе //Известия АН. Энергетика и транспорт. -1981. -№1. -С. 159-162.

40. Столяров A.A. Об эффекте энергоразделения в двухфазном потоке //ИФЖ. 1976. - Т. 31, № 3. - С. 474-479.

41. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах /М.Х.Ибрагимов, В.И.Субботин, В.П. Бобков и др. М.: Атомиздат, 1978. -296 с.

42. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

43. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 742 с.

44. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стратификации природного газа / С.А. Бурцев, Я.М. Визель, А.И. Леонтьев, Ю.В. Чижиков. // Газовая промышленность. 2000. №3. -С. 26-35.

45. Экспериментальное исследование продольно обтекаемой термопары при течении газа с большой скоростью / A.A. Гухман, Н.В. Илюхин, Л.И. Науриц и др. // Теплопередача и аэродинамика. ЦКТИ. 1951. - Т. 21. - С.23-37.

46. Энерготехнологии / В.П. Александренков, Т.В. Баженова, С.А. Бурцев и др. // Научные основы технологий XXI века / Под ред. А.И. Леонтьева, H.H. Пилюгина, Ю.В. Полежаева, В.М. Поляева, М.: УНПЦ Энергомаш, 2000. - С. 58-96.

47. Язик A.B. Системы и средства охлаждения природного газа. М.: Недра, 1986,-276 с.

48. Bruun H.H. Experimental investigation of the energy separation in vortex tubes // J. mechanical Engineering Science, 1969. - № 11. - P. 576-582.

49. Eckert E. and Weise W. Messung der Temperaturverteilung auf der Oberflache Schnell Angestromter Unbeheizter Korper //Forschg. Ing. Wessen.1940.-Bd. 13.-S. 213-234.

50. Eckert E., Drewitz O., Die Berechnung des Temperaturfeldes in der laminaren Grenzschicht schnell angestromter unbeheizter Korper // Luftfahrtforschung. 1942. -Bd. 19.-S. 189-196.

51. Fulton C D . Ranque's Tube // Refrig. Eng. 1950. - V. 5. - P. 473-479.

52. Goldstein R.J., Seol W.S. Energy Separation in a Jet Flow, // Transactions of the ASME. -1997. V. 119, № 3. - P. 74-82.

53. Goldstein R.J., Seol W.S. Heat Transfer to a Row of Impinging Circular Air Jets Including the Effect of Entrainment // Int. J. Heat Mass Transfer. 1991. - V. 34. -P. 2133-2147.

54. Hartnett J.P. Mass Transfer Cooling. Handbook of Head Transfer // Application. Mc. Wraw-Hill Book Company, 1985. - P. 1 -111.

55. Johnson H., Rubesin M.W., Aerodynamic heating and convective heat transfer-summary of literature survey // Trans. AS ME. 1949. - V. 75, № 5. - P. 447452.

56. Keyes J.J. An Experimental study of gas dynamics in high velocity vortex flow // Proceedings of the Heat Transfer and Fluid Mechanics Institute. Oak Ridge National Laborite. Tennessee: Stanford University - 1960. - P. 31-46.

57. Kurosaka M. Acoustic Strieaming in Swirling Flow and the Ranque-Hilsch Effect // J. Fluid Mech. 1982. - V. 24. - P. 139-172.

58. Leontiev A.I. Gas Dynamic cycles of thermal and refrigerating Machines // Thermodynamic Optimization of Complex Energy Systems. Kluwer Academic Publishers. - 1999.- P.271-278.

59. Leontiev A.I. Heat and Mass Transfer Problems for Film Cooling // Journal of Heat Transfer. 1999. - V. 121. - P. 509-527.

60. Seban R.A. Analysis for the heat transfer to turbulent boundary layers in high velocity flow: P. h. D. Thesis, Berkley: Univ. Calif, 1948. - 234p,

61. Sprenger H. Uber Thennische Effecte in Resonanzrohren // Mitteilungen aus dem Institut fur Aerodynamik, Eidgen. Tech.Hochschule Zurich. 1954. - №2L S.18.

62. Tyldessley J.R., Silver R.S. The production of the transport properties of a turbulent fluid // Intern. J. Heat Mass Transfer. 1968. - V. 11, № 9. -P.1325-1347.

63. W.Frohlingsdorf, H.Unger. Numerical Investigation of the compressible flow and the energy separation in the Ranque-Hilsh Vortex tube // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1999. - V. 42. - P. 415-422.