ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРУЙНОЙ ТЕРМОКОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИ

На сегодняшний день в условиях увеличивающегося энергопотребления и растущих цен на энергоносители вопросы их экономии за счет рационального использования вторичных энергоресурсов превратились в чрезвычайно актуальную проблему. В значительной степени это связано с низким коэффициентом полезного преобразования энергии в технологических процессах, составляющим лишь 20 – 40 %, и наличием большого количества неиспользуемых вторичных энергетических ресурсов в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и др. В частности для утилизации энергии отработавшего вторичного пара низкого давления применяется восстановление его путем компримирования до необходимых рабочих параметров. Струйные аппараты, в которых рабочей средой является циркуляционная насыщенная жидкость, выглядят весьма эффективными при решении этой задачи, так как они характеризуются низкими потерями на удар и малыми затратами энергии на подачу малосжимаемой жидкости. Кроме того, устройство оборудования сравнительно несложно и недорого, обеспечивает равенство расходов перекачиваемого и подаваемого потребителю пара и возможность перекачивания больших объемов пара. Подобный принцип, названный струйной термокомпрессией, положен в основу разработанного способа сжатия пара и устройства для его осуществления [1].

Рабочей средой струйного компрессора является недогретая до насыщения жидкость, которая, истекая через активное сопло, вскипает вследствие падения давления до давления насыщения. Высокая скорость протекания процесса обуславливает метастабильное состояние жидкости в сопле и высокую степень термической неравновесности. Образовавшийся активный пар увлекает струю пассивного пара низкого давления в камеру смешения, а в диффузоре происходит повышение давления влажного пара, попадающего затем в сепаратор.

Модель, рассматривающая движение одномерных потоков через контрольное пространство с учетом всех форм энергообмена с внешней средой и диссипации энергии внутри пространства, является логическим развитием термодинамического метода исследования реальных процессов в квазиравновесном приближении для выделенного элемента вещества – подвижной закрытой системы. При этом необратимость реальных поточных процессов учитывается введением опытных коэффициентов, чаще всего скоростных коэффициентов проточных частей [2, 3].

Исследование характеристик двухфазных течений чрезвычайно осложняется многообразием структур, неравновесных фазовых переходов, ярко выраженной метастабильностью состояний, скольжением фаз, интенсивными тепломассообменными процессами и др. Системы уравнений переноса в двухфазных потоках [3] являются весьма сложными и, как правило, незамкнутыми, но они позволяют выделить определяющие критерии подобия для теплофизического анализа течения путем целенаправленных экспериментальных исследований и обобщений. Такой подход оказывается эффективным при уточнении и дополнении принятого термодинамического метода.

Данный доклад имеет цель представить созданную на основе наиболее достоверных опытных данных термодинамической модели рабочего процесса СТК и оценить в рамках этой модели степени влияния физических и геометрических начальных параметров на энергетические и эксплуатационные характеристики.

В основу моделирования рабочего процесса положены следующие положения и допущения.

1- Истечение метастабильно перегретой жидкости из активного сопла с плавным профилированным входом характеризуется критическим режимом, возникновение которого обусловлено пристенным вскипанием жидкости вблизи выходного среза. Подтвержденная опытными наблюдениями модель спутных потоков [4], уточненная по результатам исследований [5] приводит к расчетной зависимости для критического давления ра, величина которого определяется расходным паросодержанием ха в критическом сечении:

Оценки показывают, что применение СТК для восстановления вторичного пара на теплотехнических объектах предприятий может оказаться весьма эффективным. Например, при существующих на Украине ценах на топливо и электроэнергию стоимость восстановления водяного пара давлением 0,3 – 0,6 МПа путем его компримирования до давления 1,1 МПа (пар с таким давлением часто применяется на производстве) в 2 – 4 раза ниже стоимости производства котельного пара тех же параметров.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004