3334

Фактическая загрузка ГРС, как правило, намного ниже проектной (отражаются последствия экономического спада). Подогреватели работают на режимах, в 8…10 раз ниже проектных, что отрицательно отражается на результатах их работы (обильное конденсатообразование, ненадёжная работа горелок, отказы в работе системы автоматизации).

На фланцах ША установлены трубы сброса. На раме установлены вентилятор 10 и площадка обслуживания 9 для доступа к заливной горловине, датчику температуры, и дыхательному клапану, расположенных на баке расширительном 8.

Продукты сгорания, образующиеся при сжигании топливного газа в устройстве горелочном, проходят через трубы тракта жарового, расположенные внутри корпуса, который заполнен промежуточным теплоносителем, и выводятся через трубу дымовую в атмосферу. При этом, продукты сгорания нагревают стенки тракта жарового, а он, в свою очередь, нагревает промежуточный теплоноситель. Промежуточный теплоноситель под воздействием теплоты начинает конвективное движение и омывает продуктовый змеевик, при этом, продукт, проходящий по змеевику, нагревается до заданной температуры.

Тепловая мощность подогревателя автоматически регулируется изменением расхода топливного газа на горение при помощи автоматических регулирующих клапанов, установленных перед каждой горелкой.

Литература 1. СТО 2–3.5–051–2006. Нормы технологического проектирова-

ния магистральных газопроводов. ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ОАО «Гипроспецгаз», ОАО «Гипрогазцентр», ОАО «Оргэнергогаз». – М.: ООО «Информационно–рекламный центр газовой промышленности» (ООО «ИРЦ Газпром»), 2006. – 205 с.

2. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов / А. Н. Козаченко. – М.: Нефть и газ, 1999. – 463 с.

Воронежский государственный технический университет

71

УДК 536.242

М.Ю. Травянов, студент; Н.Н. Кожухов, к.т.н., доцент

ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫСОТЫ ПОРИСТОГО ЭЛЕМЕНТА МИКРОКАНАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Аннотация: в работе представлены результаты численного моделирования по оптимизации микроканального теплообменного аппарата. Целевой функцией явилась высота пористого элемента, а параметром оптимизации – перепад давления. Определены режимные характеристики аппарата

Ключевые слова: пористая среда, интенсификация теплообмена, оптимизация конструкции, однотемпературная модель

За последние 30 лет развитие энергетической отрасли привело к появлению высоких мощностей, уменьшению массово–габаритных характеристик, повышению степени автоматизации технологических процессов. Основным элементом устройства автоматизации любого объекта является электронный модуль, так называемый чип или процессор, выделяющий при работе тепловую энергию. Особенности материалов, из которого изготавливается это устройство приводит к его выходу из строя при температурах, превышающих критические значения. Для предотвращения аварийного режима работы применяются системы охлаждения, состоящие из устройства, позволяющего отводить необходимое количество тепловой энергии в окружающую среду или преобразовать в другие виды энергии [1, 2]. Главным элементом таких систем термостабилизации является теплообменный аппарат. Множество конструкционных решений наряду с интенсификацией процесса теплообмена решает задачу отвода требуемого количества тепловой энергии для труднодоступных теплонапряженных элементов [3–5]. В данной работе рассмотрено одно из технических решений в виде пористого элемента.

Такой элемент представляет из себя систему каналов с транспирационным охлаждением в виде змейки. Сам теплообменник (рис. 1) работает следующим образом. Подвод охладителя (воды) осуществляется через штуцер 3. В коллекторе происходит распределение теплоносителя, который затем направляется к пористому элементу 6. Пройдя сквозь него, вода поступает в выходной коллектор и собирается в штуцере 4 отвода охладителя. Теплообмен в данном случае обусловлен двумя процессами: конвекцией и теплопередачей. За счёт увеличения площади поверхности в одном и том же объёме ха-

72

рактерного для пористой среды можно снизить массово–габаритные характеристики устройства отводы теплоты в целом.

Рис. 1. Теплообменный аппарат с пористым элементом:

1 – основание; 2 – крышка; 3 – штуцер подвода охладителя; 4 – штуцер отвода охладителя; 5 – распределительная призма; 6 – пористый элемент

Предварительно анализируя работу пористого теплообменного элемента, очевидно, что при различных его геометрических параметрах будет различны теплогидравлические характеристики теплообменника. В одной из работ [6] для подобного аппарата была произведена оптимизация по ширине (толщине) пористого элемента, углу между рёбрами и количеством рёбер. Высота же ребра не являлась параметром оптимизации. Рассмотрим один из оптимальных вариантов и произведём оптимизацию для него по высоте ребра.

Для решения задачи примем модель ламинарного движения теплоносителя при однотемпературной модели теплообмена в пористой среде. Теплофизические характеристики теплообменника и

зон расхода составил G 0,005672..0,045378 кг/с. Тепловой поток, выделяемый теплонапряженным элементом, прилегающий к основанию призмы q 100 Вт/см2.

Для определения целевой функции построена трёхмерная модель теплообменника. Затем данная модель была импортирована в систему инженерного анализа Ansys Fluent и адаптирована для расчёта. Адаптация заключалась в построении объёмов потоков подводящего и отводящего коллекторов. А также в увеличении длины подводящего и отводящего штуцера для устранения обратных пото-

73

ков. Сеточный генератор позволил разбить модель на конечные объёмы. Количество элементов расчётной сетки изменялось в виду различных вариантов и находилось в диапазоне от 500000 до 1000000. Сетка для нескольких элементов представлена на рис. 2. Диапазоны параметров качества сетки представлены в таблице.

Рис. 2. Расчётная сетка

Все стенки за исключением подвода, отвода охладителя и теплонапряженной поверхности являлись теплоизолированными. Кроме того, для внутреннего объёма (через который проходит теплоноситель) принято две модели течения: ламинарное для пористых рёбер и турбулентное для подводящего и отводящего коллекторов. При выполнении расчётов для получения более точного решения контролировался тепловой баланс и баланс массового расхода теплоносителя. Для этого в первом случае рассматривались грани теплонапряженного элемента, входа и выхода теплоносителя, а во втором – только входа и выхода теплоносителя. Для определения перепада давления и температуры в теплообменнике рассматривались средние по площади значения на гранях входа и выхода. Кроме этого, выполнена оценка максимальной температуры теплоносителя во

74

всем его объёме для контроля изменения фазового перехода. Также была определена максимальная температура теплонапряженного элемента при различных режимах работы теплообменника.

Для поиска оптимальной высоты пористого элемента следует рассмотреть следующую подзадачу. Увеличение скорости теплоносителя приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи и теплопередачи, что в свою очередь приводит к уменьшению объёма пористого элемента, размеров теплообменника и капитальных затрат на него. С другой стороны, увеличиваются потери давления для теплоносителя, расход электроэнергии на его прокачку. Таким образом, будем искать оптимальную высоту пористого ребра через приведённые затраты на прокачку теплоносителя. Минимум приведённых затрат будет соответствовать оптимальному значению высоты.

Для этого, используя начальные условия и методику, описанную выше, был определён перепад давления для теплообменника для следующего ряда значений высот пористого теплообменного элемента: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 7; 10; 12; 15 мм. В результате по-

лучен ряд перепадов 786; 340; 196; 129; 93; 57; 40; 31; 26; 17; 14; 12

Па. Найдём значение приведённых затрат по формуле [7]:

75

Производя расчёт для каждого значения ряда высот пористого элемента был получен ряд значений приведённых затрат. Зависимость этой величины от перепада давления представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость приведённых затрат З1, р./год от перепада давления p, Па

Используя трассировку в MathCad, был определён минимум приведённых затрат. Этому значению соответствует p = 57,193 Па, что отвечает высоте пористого ребра 4 мм.

Теплогидравлические характеристики рассматриваемого теплообменника с оптимальной высотой пористого элемента представлены на рис. 4–6. Кроме этого, получены поля давлений, скоростей и температур различных элементов теплообменного аппарата, одно из которых представлено на рис. 7.

76

ния температуры подложки в 55 С расход воды должен составлять 0,01 кг/с, а перепад давления при этом составит 125 Па.

Анализ полей скорости позволяет определить застойные зоны течения охладителя и найти путь для возможной дальнейшей оптимизации конструкции теплообменного аппарата.

Литература

1.NOFAN CR 95C: новый пассивный процессорный кулер целиком из меди. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.hardwareluxx.ru/index.php/news/hardware/kuehlung– news/21

881–nofan–cr–95c–all–copper.html.

2.Будик, А. Phononic предложила CPU–кулер с элементом Пельтье / А. Будик. – Электрон. дан. – 2015. Режим доступа: http://www.3dnews.ru/919131.

3.Пат. № 51449 РФ. Устройство для охлаждения катода плазматрона / И.Г. Дроздов, Н.Н. Кожухов, Э.Р. Габасова, Д.А. Коновалов, Д.П. Шматов. – № 2005121935/22. Бюл. № 4.

4.Пат. № 2440641 Российская Федерация. Устройство отвода теп–лоты от кристалла полупроводниковой микросхемы / А.Ю. Савинков, И.Г. Дроздов, Д.П. Шматов, С.В. Дахин, Д.А. Коновалов, Н.Н. Кожухов, В.А. Небольсин – № 2010146036/28. Бюл. № 2.

5.IBM cools 3–D chips with H2O. Water cooling advance paves way for high–performance 3–D chip stacks. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.zurich.ibm.com/news/08/3D_cooling.html.

6.Kozhukhov N.N. Optimization of porous microchannel heat exchanger / N.N. Kozhukhov, D.A. Konovalov // Journal of Physics: Conf. Series. – 2017. – 891. – Pp. 012141. – DOI: 10.1088/1742– 6596/891/1/012141.

7.Бараков, А.В. Оптимизация теплоэнергетических установок и систем: учеб. пособие / А.В. Бараков, А.В Жучков, Н.Н. Кожухов. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. – 113 с.

Воронежский государственный технический университет

79

УДК 699.8

И.С. Якунин, студент; В.В. Портнов, к.т.н., доцент

МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ РАСЧЁТА ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Аннотация: в работе рассмотрен технико–экономический метод оптимизации расчёта толщины тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей, а также представлены результаты исследования влияния экономического фактора на толщину тепловой изоляции

Ключевые слова: тепловая изоляция, теплосети, теплопотери, целевая функция, теплоизоляция

Энергоресурсосбережение является одной из самых серьёзных задач и проблем XXI века. Одним из направлений энергоресурсосбережения является повышение энергоэффективности тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения, которое становится всё более актуальным вследствие увеличения стоимости энергоносителей, а также ускорения темпа изменения климата средней полосы России. Основным направлением повышения энергоэффективности трубопроводов систем теплоснабжения является увеличение теплозащитных качеств материалов, изолирующих поверхность теплопровода.

Основным методом оптимизации толщины тепловой изоляции трубопроводов горячей воды является технико–экономический метод.

Задача технико–экономического метода сводится к минимизации функции следующего вида [1]:

где ЕН – коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; φ – доля годовых отчислений на эксплуатацию тепловой изоляции 1/год; КИЗ – капитальные вложения в теплоизоляцию, 1/год; ЦТП – стоимость теплопотерь, руб./год; ЦМОН – стоимость работ

монтажа тепловой изоляции, руб./год.

Решение задачи рассмотрим на примере двухтрубного подземного теплопровода при канальной прокладке.

Капитальные вложения в тепловую изоляцию 1 погонного метра двухтрубного теплопровода определяется по формуле

80