Дисертації

Дисертаційна робота направлена на дослідження робочого процесу сопла активного потоку рідинно-парового струминного апарату (РПСА), що працює за принципом струминної термокомпресії та дослідженню впливу геометричних параметрів надзвукової частини сопла активного потоку на процес пароутворення з метою оптимізації цього процесу. У існуючих технологічних системах, де використовуються пароструминні апарати, підвищення тиску пасивного потоку відбувається за рахунок енергії робочого струменя активного потоку. Вони мають ряд значних недоліків, які звужують межі їх застосувань та перешкоджають вдосконаленню конструкції. Це пов’язано з особливостями робочого процесу, і стосується, насамперед, обмеженого ступеня підвищення тиску в пароструминних апаратах, необхідності постійної генерації робочої пари у великій кількості, що веде до збільшення кількості допоміжних апаратів, що входять до установки. Наведені вище недоліки існуючих пароструминних агрегатів призводять до активного пошуку альтернативного рішення, і одним з таких може бути застосування двофазних струминних апаратів. Одним з перспективних рішень, в результаті якого можна досягти підвищення ефективності існуючих установок та створити енергоефективні нові системи можуть бути рідинно-парові струминні апарати, з водою в якості робочої рідини, як альтернативи, оскільки це дешеве робоче середовище з високими показниками ефективності. Як відомо, вода має низку унікальних властивостей при певних параметрах, що є перспективним для її застосування в РПСА. Ефективність РПСА, робочий процес якого заснований на принципі струминної термокомпресії насамперед, залежить від ступеня завершеності процесів пароутворення в соплі активного потоку. В такому апараті генерація робочої пари проходить всередині нього, а саме в надзвуковій його частині сопла активного потоку, де відбувається процес релаксаційного пароутворення недогрітої до насичення робочої рідини. І саме від конструкції сопла активного потоку буде залежати ефективність як самого апарату, так і системи в цілому. Тому метою даної дисертаційної роботи є дослідження процесу пароутворення в соплах активного потоку з профільованою надзвуковою частиною з одержанням витратних та енергетичних характеристик, що визначає подальші шляхи підвищення ефективності систем на основі таких апаратів. Основним змістом дисертації є удосконалення теплофізичної моделі та методики розрахунку рідинно-парового струминного апарату з соплом активного потоку профільованої надзвукової частини, визначення діапазону параметрів робочої рідини активного потоку, за яких можливе досягнення максимальної ефективності її витікання через канали, що розширюються, з пошуком шляхів підвищення ефективності систем на основі таких апаратів і одержанням витратних та енергетичних характеристик. Адекватність отриманої моделі підтверджено результатами експериментальних досліджень РПСА з соплами активного потоку еліптичної, параболічної та гіперболічної форм надзвукової частини в діапазонах початкового тиску Р01 = 6–20 бар та тиску на виході з сопла Ра = 0,3–1 бар. Теоретичне дослідження процесів пароутворення в соплах активного потоку з профільованою надзвуковою частиною проводилось за допомогою створеної автором методики та програми розрахунку на основі пропонованої теплофізичної моделі, створеної автором були одержані залежності зміни тиску та швидкості закипаючого потоку вздовж надзвукової частини сопла. В результаті математичного моделювання рідинно-парового струминного апарату з профільованою надзвуковою частиною параболічної, гіперболічної, еліптичної форм та форми, розрахованої за формулою Вітошинського в програмному комплексі Ansys CFX було одержано розподіл термодинамічних та режимних параметрів по довжині сопла активного потоку. В результаті цього аналізу було визначено коефіцієнти швидкості сопл з профільованою надзвуковою частиною, які знаходяться на рівні 0,915-0,987. Оптимальною геометричною формою надзвукової частини сопла можна вважати параболічну, для якої коефіцієнт швидкості знаходиться на рівні 0,93-0,987. Експериментальне дослідження РПСА дало змогу підтвердити механізм пароутворення в соплах активного потоку з профільованою надзвуковою частиною. Ділянка камери змішування за соплом активного потоку була виконана з прозорого матеріалу, що дозволило чітко визначити положення перерізу сопла, в якому відбувається відрив потоку від стінок каналу. Також завдяки цьому відбувалося дослідження режимних та енергетичних параметрів струменя робочого потоку на виході з сопл різної геометричної форми, а саме еліптичної, параболічної та гіперболічної. В результаті проведеного експериментального дослідження було визначено коефіцієнти швидкості сопл на різних режимах роботи. Під час аналізу результатів експериментальних досліджень підтверджено вплив геометричних параметрів сопла активного потока на показники ефективності процесу пароутворення робочого струмення, а саме форми його надзвукової частини. Сопло параболічної форми дає змогу на всій довжині отримати значення константи пароутворення 𝑏! ≈ #2⁄3, що дає змогу стверджувати про однакову інтенсивність пароутворення по довжині каналу. Значення вихідних параметрів (швидкість менша на 30-40 м/с та масовий паровміст пари більше в середньому на 30-35 % порівняно з конічним соплом з прямими стінками) у вихідному перерізі сопла параболічної форми також говорять про кращу завершеність процесу пароутворення в ньому. Під час дослідження ефективності профілювання надзвукової частини сопл активного потоку можна стверджувати, що сопло параболічної форми на 4-6 % ефективніше, порівняно з конічним та гіперболічним, в діапазоні значень величини початкового відносного недогрівання (1 – e s0) = 0,2–0,45, про що свідчать одержані результати, подані на рис. 3.17. Водночас сопло еліптичної форми має найвищу ефективність серед всіх сопл, але лише у вузькому діапазоні значень величини початкового відносного недогрівання (1 – e s0) = 0,3–0,4. Сопло, розраховане за формулою Вітошинського експериментально недосліджувалось, оскільки одержані результати числового дослілдження показали його низьку ефективність, порівняно з іншими соплами. Вочевидь, така форма сопла буде прийнятною для іншого елекменту РПСА, а саме для камери змішування. Оцінювання ефективності РПСА з профільованою надзвуковою частиною сопл активного потоку проводилось з використанням ексергетичного методу термодинамічного аналізу, що дало змогу визначити ексергетичну ефективність цих апаратів. Для визначення економічного ефекту від впровадження РПСА застосовувався новітній метод оцінки вартісних показників, а саме – термоекономічний аналіз. В результаті було отримано значення досяжних показників ефективності на різних режимах роботи РПСА. Оцінювання ефективності застосування установок на базі РПСА з профільованою надзвуковою частиною сопл активного потоку було проаналізовано на прикладах теплонасосної системи для потреб опалення вакуумної системи охолодження для виробництва біодизельного палива та системи відведення продуктів згоряння з парогенераторів котельних установок. В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень були надані вказівки щодо вибору геометричних параметрів надзвукової частини сопла активного потоку РПСА при його застосуванні в термомеханічних системах. Аналіз розрахованих параметрів базових циклів і циклів із використанням агрегатів на базі РПСА, свідчить про перспективність пропонованих установок, оскільки за рахунок зниження термодинамічних параметрів робочої пари на вході в РПСА і значного спрощення конструкції та вартості основного устаткування досягається зменшення витрати робочої пари, підвищення рівня енергоефективності установок та підвищення екологчіної безпеки виробництв, де вони застосовуються. Підвищення ефективності установок, у яких використовується РПСА в середьому буде складати 1,5-2,5 рази.

Дисертації

Browse

Filters

Settings

Sort By

Results per page

Search Results