Технические науки/ 6. Энергетика

К.т.н. Титов Д.В., к.с-х.н. Авдеев Ю.М

Вологодский институт права и экономики

Исследование теплоэнергетических систем

в рамках энтропийной модели

В современных энергетических устройствах и технологической аппаратуре, применяющейся в авиации, металлургии, ракетной технике, энергетике и других отраслях, все большую (в ряде случаев определяющую) роль играют нестационарные процессы.

Поэтому исследование нестационарных теплообмена и гидродинамики, в каналах и разработка методики их расчета представляют чрезвычайно актуальную для инженерной практики задачу [1].

В общем случае цель таких расчетов – определение нестационарных полей температур и скоростей в потоке теплоносителей и полей температур и термических напряжений в материале конструкции, окружающей поток. Эти поля могут быть определены из решения так называемых сопряженных задач, когда математическая модель для описания теплообмена и гидродинамики в теплоносителе дополняется уравнением энергии для материала конструкции и условиями сопряжения на границе между теплоносителем и стенкой, а граничные условия задаются на внешней границе стенок каналов.

При теоретическом решении трехмерных нестационарных сопряженных задач для подавляющего большинства практически важных случаев встречаются пока непреодолимые трудности, которые в основном сводятся к следующему:

1. По сравнению со стационарной задачей значительно усложняется математическая формулировка из-за введения дополнительного переменного параметра – времени. При численных расчетах увеличиваются требования к быстродействию и объему оперативной памяти вычислительных машин.

2. Для турбулентных нестационарных течений пока не удается получить замкнутую систему уравнений даже при использовании полуэмпирической теории турбулентности из-за отсутствия экспериментальных данных о возникновении турбулентности и о распределении турбулентных параметров по сечению потока.

Вместе с этим по сравнению со стационарной задачей значительно усложняется математическая формулировка из-за введения дополнительного переменного параметра – времени.

В этих условиях наиболее целесообразным представляется построение инженерных методов расчета на основе решения сопряженных задач [1,2]. Построенные таким образом инженерные методы расчета нестационарных процессов теплообмена и гидродинамики в каналах можно успешно использовать при проектировании новых энергетических устройств и технологических аппаратов в разработке систем автоматического управления ими.

Комплекс экспериментальных исследований должен включать изучение теплоотдачи и гидравлического сопротивления при турбулентном и переходном режиме движения теплоносителя, а также ряда других условий: изменение расхода теплоносителя, температуры стенки и теплоносителя на входе, теплового потока и его распределения по поверхности нагрева и т.п.

Мощность теплоэнергетических преобразователей (тепловых двигателей) ограничена температурными и механическими силовыми воздействиями рабочего тела на теплообменные поверхности. Большинство промышленных энергетических аппаратов представляют собой рекуперативные теплообменники с передачей теплоты через поверхности нагрева, сформированные под той или иной теплоноситель. В такой системе существует два теплоносителя и поверхность нагрева, представленная в виде щелевых каналов разнообразной формы и конфигурации [1].

Таким образом, существует сопряжённая система “стенка и движущиеся потоки” нагревателя и охладителя. В такой системе всегда находятся зоны высокоинтенсивного тепломассообмена и массопереноса, которые вносят определяющий вклад в общую долю ресурса всего аппарата.

Натурный и компьютерный эксперименты при исследовании сопряженных систем довольно трудоемки в своей реализации, как по времени, так и по сложности проводимых расчетов. Уточнение и создание более универсальных расчетных моделей и на их основе методик моделирования остается одной из актуальных задач способствующих развитию высоких технологий и повышению эффективности в работоспособности конструкций, их обеспечивающих.

Поскольку энергия – это субстанция, “дающая жизнь” техническому устройству, а энтропия есть обобщенная функция состояния, учитывающая все формы взаимопревращения энергии в данной конструкции, то из условий минимума отклонения энтропии можно формировать режимы работы энергетической системы [1,2].

Литература:

1. Титов Д.В. Разработка методики построения нестационарной энтропийной модели элемента промышленной теплоэнергетической системы [Текст] / авт. дисс. … канд. техн. наук / Д.В. Титов. – Череповец, 2009. – 20 с.

2. Игонин, В.И. К локально-модульной организации лучисто-конвективного энергообмена элемента промышленной теплоэнергетической системы. / Игонин В.И., Титов Д.В., Чучин В.Н. // Вестник Московского авиационного института. Том 14. № 4. 2007г. – С. 62-67.