3334

УДК 536.25

Е.А. Кожухова, аспирант; А.Ю. Трошин, к.т.н., доцент

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ЗАМКНУТОЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ ЕМКОСТИ ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ФАЗ

Аннотация: в статье приводится методика моделирования положения границы раздела фаз (жидкость – газ) и стока жидкости при повороте рассматриваемой емкости на заданный угол

Ключевые слова: методика, моделирование, тепломассоперенос, жид- кость–газ, криоагент

Рассмотрим поперечное сечение горизонтального цилиндрического бака не полностью заполненного жидким криоагентом. Известен радиус цилиндрической части емкости. Среда внутри бака неоднородна и поверхность раздела фаз параллельна его оси. Предполагается, что свободная поверхность жидкости является плоской и недеформируемой, трение на ней отсутствует. Внешняя массовая сила перпендикулярна оси цилиндра.

Для определения изменения во времени полей течения и температур используются уравнения теплогидродинамики [1].

Уравнение неразрывности:

где k – массовая сила, grad( p) – сила давления.

Если рассматривать трехмерное течение, то данная система уравнений будет определять пять скалярных переменных (проекций скорости давления и температуры) U , W , V , P и T , зависящих от координаты r и времени . Кроме того, должны быть известны за-

51

висимости T, P , Cp T , P , T, p , T , p , описывающие свойства жидкости [2].

Таким образом, получаем замкнутую систему пяти уравнений относительно пяти неизвестных.

Граничные условия записываются в следующем виде.

На внутренней поверхности твердой стенки используются усло-

Известно начальное распределение температуры.

Движение границы раздела фаз «жидкость – газ» моделируется при некоторых упрощениях процесса, без учета конвекции и фазовых превращений. В данной работе рассматривалось перемещение границы, в зависимости от интенсивности стока.

Рассмотрим температурное поле в одном из поперечных сече-

Площадь области заполненной жидкостью D2 обозначим через S . Скорость движения границы известна V0 . Таким образом, можно

определить высоту h сегмента как функцию от S .

Определим h методом итераций для каждого момента t t :

52

На рис. 1 линия СВ обозначает горизонтальное положение границы раздела фаз, т.е. ее положение до поворота. Линия С1В1 показывает положение границы после моментального поворота на уголот горизонтального положения. Далее граница раздела фаз воз-

вращается в исходное положение СВ.

Введем полярные углы и (рис. 1). При повороте бака вокруг своей оси эти углы получают некоторое уточнение, определя-

Рис. 1. Углы в полярной системе координат

Так как уравнение линии CD имеет вид y R h , то в полярной системе на линии Г имеем следующие соотношения:

53

– для точки B : R sin R h , arcsin R h ;

R

– для точки C : .

До поворота зеркала жидкости используем следующий алгоритм определения области, которой принадлежит произвольная точка М:

– если r R , 0 2 , то M D3 (оболочка).

В следующий момент времени углы и изменяются, и мы

получаем новое положение границы Г .

При повороте зеркала на угол изменится не только положение

границы раздела фаз, но и алгоритм переприсваивания параметров среды различным точкам, находящимся в рассматриваемом сечении.

Рис. 2. Схема определения параметров среды при повороте ёмкости отно-

54

Если 0 φ π2 и M области сечения, то вводим дополни-

Если y АР (как в случае с точкой М (рис. 3), то все парамет-

ры перераспределяются и становятся равными параметрам газообразной фазы [3].

В случае y АР , точка М находится в области жидкой фазы, и ей присваиваются соответствующие свойства.

Рис. 3. Схема определения параметров среды при повороте емкости отно-

55

Точки, попадающие в область 2 , имеют свойства рас-

сматриваемой криогенной жидкости для всех значений r 0 R .

В декартовой системе координат области 0 и 2 соответствуют жидкой фазе, а – газообразной. Аналогич-

но можно рассуждать и для других сечений. Таким образом, определив для каждого фиксированного момента времени границу раздела фаз в конкретном сечении до и после поворота емкости, можно определить поля температуры, скоростей и функции тока в данном сечении. Для этого решается система дифференциальных уравнений Навье – Стокса в приближении Буссинеска, где теплофизические параметры c , , будут определены в соответствии с положением

границы раздела фаз.

Литература

1.Трошин А.Ю. Моделирование процессов тепломассопереноса

взамкнутой шарообразной криогенной емкости с изменяющейся цилиндрической вставкой / А.Ю. Трошин, К.Г. Хрипунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2012.

– Т.8. – № 3. – С. 63–66.

2.Трошин А.Ю. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при перемещении границы раздела фаз и наличии стока жидкости / А.Ю. Трошин // Энергетика и энергосбережение: теория и практика материалы III Всероссийской научно– практической конференции. – 2017. – С. 178.

3.Трошин А.Ю. Моделирование нестационарного конвективного тепломассопереноса в горизонтальной закрытой газожидкостной цилиндрической емкости: дис. … канд. техн. наук / А.Ю. Трошин. – Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2001. – 114 с.

Воронежский государственный технический университет

56

УДК 658.12

О.А. Алехина, студент; А.Б. Шивцова, к.э.н., доцент

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ОРГАНИЗАЦИЮ, ПЛАНИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЯМИ

Аннотация: рассмотрены специфика теплоэнергетики и особенности в связи с этим организации, планирования и управления предприятием

Ключевые слова: теплоэнергетика, управление, планирование, организация, предприятие

К теплоэнергетике относится преобразование топлива в тепло, передача его потребителям и его использование, а также преобразование тепла в механическую энергию для получения электроэнергии

исжатого воздуха. Кроме того, теплоэнергетическое хозяйство промышленных предприятий включает в себя производство кондиционированного воздуха, кислорода, холода, потребление воды, топлива

идр.

Следует отметить, что промышленная теплоэнергетика имеет большие особенности.

К таким особенностям можно отнести следующие:

1)совпадение во времени производства, передачи, распределения

ипотребления энергии;

2)неравномерность потребления и в связи с этим производства электрической и тепловой энергии в течение часа, суток и т.д.;

3)влияние сезонности на потребность в энергопродукции;

4)необходимость обеспечения надёжности и бесперебойности энергоснабжения потребителей;

5)тесная технологическая, организационная и экономическая взаимосвязь между энергетическими подразделениями теплоэнергетического предприятия и энергохозяйства промышленного предприятия;

6)высокая динамичность энергопотребления, что требует обеспечения маневренности генерирующих установок, для чего эти установки должны иметь широкий диапазон регулирования нагрузки;

7)для обеспечения высокой надёжности и эффективности энергопроизводства и энергоснабжения потребителей работа всех электростанций (а, следовательно, и тепловых электростанций) и сете-

57

вых предприятий должна быть организована по единому диспетчерскому графику;

8)взаимосвязь электрической и тепловой энергии с другими с другими видами энергоносителей;

9)производство энергии характеризуется высокой степенью концентрации и централизации с использованием сложных и дорогостоящих энергооборудования и сооружений;

10)территориальное несовпадение между основными центрами производства и районами потребления энергопродукции и источниками энергоресурсов;

11)невозможность аккумулировать энергию в значительных размерах, то есть невозможность работать на «склад»;

12)значительное влияние величины и режима потребления на объёмы выработки энергии и на технико–экономические показатели;

13)непрерывность и соразмерность во времени процесса и потребления энергии.

Такие особенности, специфика теплоэнергетики влияют следующим образом на организацию и планирование производства. Так, неравномерность потребления энергопродукции обусловливает необходимость иметь резервное оборудование на случай покрытия пиковых, максимальных нагрузок, что влияет на организацию и планирование на энергопредприятии.

Влияние сезонности на потребность в энергопродукции выдвигает необходимость применения такой формы организации производства, как комбинирование, что эффективно используется на тепловых электростанциях (ТЭС). Это позволяет, к примеру, снижать производство тепла летом, а высвобожденные тепловые мощности использовать для производства электроэнергии, которая может быть использована в связи с возможностью перетоков электроэнергии в районных электросетях, благодаря чему не снижается загрузка оборудования.

Совпадение во времени производства и потребления энергопродукции, то есть единовременность и взаимоувязка процессов производства, распределения и потребления энергоносителей требует более точного прогнозирования энергопотребления, а также создания резервов топлива, а, следовательно, повышения научной обоснованности планирования промышленного предприятия – потребителя энергопродукции.

58

Влияние особенностей теплоэнергетики на организацию теплоэнергетики проявляется также в тесной связи энергетики предприятия с централизованными системами энергоснабжения.

Специфика теплоэнергетики накладывает особенности на планируемые показатели и на метод планирования.

Так преимущественным методом планирования в теплоэнергетике является балансовый метод планирования.

Кроме того, в теплоэнергетике используются в планировании специфические показатели.

Так показатель объёма производства в теплоэнергетике целесообразно оценивать не по реализованной продукции, а по «готовности к несению нагрузки», так как энергопредприятие обеспечивает потребность в энергии по спросу на неё, который, во–первых, неравномерен во времени суток и по сезонам, во–вторых, как уже отмечалось, энергопродукция не складируется.

Кроме того, показатель производительности труда следует рассчитывать не через показатель валовой продукции, а через «готовность к несению нагрузки» и относить эту готовность не только ч\к численности, но и к мощности энергопредприятия, то есть рассчитывать производительность труда по энергопредприятию как удельный показатель.

Таким образом предлагается рассчитывать по производительности труда следующие показатели:

1) потенциальная выработка энергии на 1–го работающего на

час/год.

2) Удельная производительность труда на ТЭС (иными словами удельная потенциально возможная выработка энергии на ТЭС на 1– го работающего и на единицу мощности):

59

где Nдисп. – диспетчерская располагаемая мощность, МВт·ч.

Влияние специфики энергетики на управление теплоэнергетикой проявляется в том, что эффективность оперативного управления в теплоэнергетике достигается через оптимальное распределение нагрузки между совместно работающими агрегатами, что достигается за счёт учёта такой специфической характеристики (показателя), как относительные приросты расхода топлива для котлов и относительные приросты расхода тепла для турбин.

Поскольку производственные все работы в теплоэнергетике подразделяются на эксплуатационные и ремонтные, то естественно отметить такую особенность как необходимость определения экономичности ремонтных работ, которая тоже характеризуется показателями, отражающими специфику теплоэнергетики. Так, производительность труда ремонтного персонала по формуле:

эксплуатационную готовность tэ.г. ; ti – время работы этих ремонт-

ных работников.

То есть, производительность труда ремонтной службы теплоэнергетического предприятия в данном случае выражает значение мощности, готовой к несению нагрузки, к работе (а именно, потенциальную возможную выработку энергии за год), приходящуюся на одного ремонтного работника.

Кроме того, можно рассчитать такой специфический показатель как коэффициент эксплуатационной готовности ( Rэ.г. .) на единицу длительности ремонтного цикла данного агрегата:

где tэ.г. – время работы данного агрегата и время нахождения его в резерве.

60