Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт
Приведены результаты моделирования течения теплоносителя в единичном вертикальном коаксиальном теплообменнике типа труба в трубе и процесса теплообмена в системе скважина – грунт при сезонном аккумулировании и извлечении теплоты....
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2009
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60690 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт / Б.І. Басок, А.О. Авраменко, Л.М. Кужель // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 1. — С. 21-27. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-60690 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-606902014-04-20T03:01:32Z Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт Басок, Б.І. Авраменко, А.О. Кужель, Л.М. Тепло- и массообменные процессы Приведены результаты моделирования течения теплоносителя в единичном вертикальном коаксиальном теплообменнике типа труба в трубе и процесса теплообмена в системе скважина – грунт при сезонном аккумулировании и извлечении теплоты. Наведено результати моделювання течії теплоносія в одиничному вертикальному коаксіальному теплообміннику типу труба в трубі та процесу теплообміну в системі свердловина – ґрунт при сезонному акумулюванні і вилученні теплоти. We present the results of modeling of heat-carrier flow in a singular vertical coaxial tube-in tube heat:exchanger and the process of heat exchange in the borehole-soil system at seasonal accumulation and extraction of heat. 2009 Article Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт / Б.І. Басок, А.О. Авраменко, Л.М. Кужель // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 1. — С. 21-27. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60690 536.24+662.995 uk Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы |
| spellingShingle |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Басок, Б.І. Авраменко, А.О. Кужель, Л.М. Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт Промышленная теплотехника |
| description |
Приведены результаты моделирования течения теплоносителя в единичном вертикальном коаксиальном теплообменнике типа труба в трубе и процесса теплообмена в системе скважина – грунт при сезонном аккумулировании и извлечении теплоты. |
| format |
Article |
| author |
Басок, Б.І. Авраменко, А.О. Кужель, Л.М. |
| author_facet |
Басок, Б.І. Авраменко, А.О. Кужель, Л.М. |
| author_sort |
Басок, Б.І. |
| title |
Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт |
| title_short |
Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт |
| title_full |
Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт |
| title_fullStr |
Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт |
| title_full_unstemmed |
Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт |
| title_sort |
гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60690 |
| citation_txt |
Гідродинаміка і теплообмін в одиничному теплообміннику типу труба в трубі системи свердловина – ґрунт / Б.І. Басок, А.О. Авраменко, Л.М. Кужель // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 1. — С. 21-27. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT basokbí gídrodinamíkaíteploobmínvodiničnomuteploobmínnikutiputrubavtrubísistemisverdlovinagrunt AT avramenkoao gídrodinamíkaíteploobmínvodiničnomuteploobmínnikutiputrubavtrubísistemisverdlovinagrunt AT kuželʹlm gídrodinamíkaíteploobmínvodiničnomuteploobmínnikutiputrubavtrubísistemisverdlovinagrunt |
| first_indexed |
2025-07-05T11:46:10Z |
| last_indexed |
2025-07-05T11:46:10Z |
| _version_ |
1836807326231691264 |
| fulltext |
2. Халатов А.А., Коваленко А.С. Теплообмен
и гидродинамика ускоренного потока в плоских
криволинейных каналах. – К.: Наук. думка,
2006. – 222 с.
3. Голованов А.В., Емин О.Н., Пиотух С.М.
Экспериментальное исследование эффективнос;
ти пленочного охлаждения торцевой стенки соп;
лового аппарата//Рабочие процессы в охлаждае;
мых турбомашинах газотурбинных двигателей. –
Казань: КАИ, 1988. – С. 4–12.
4. Крючков С.А., Лебедев В.В., Пиралишвили Ш.А.
Управление газодинамическими и тепловыми
процесами при завесном охлаждении торцевых
поверхностей лопаточных решеток газовых тур;
бин// Procedings of V Minsk internazional heat and
mass transfer forum 2004. Section № 1.Convective
heat and mass transfer. – ГНУ НТМО им. А.В. Лы;
кова, НАНБ,2004.
Получено 21.07.2008 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 21
ТЕПЛО: И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Наведено результати моделювання
течії теплоносія в одиничному верти:
кальному коаксіальному теплообмінни:
ку типу труба в трубі та процесу тепло:
обміну в системі свердловина – ґрунт
при сезонному акумулюванні і вилученні
теплоти.
Приведены результаты моделирова:
ния течения теплоносителя в единичном
вертикальном коаксиальном теплооб:
меннике типа труба в трубе и процесса
теплообмена в системе скважина –
грунт при сезонном аккумулировании и
извлечении теплоты.
We present the results of modeling of
heat:carrier flow in a singular vertical coaxi:
al tube:in tube heat:exchanger and the
process of heat exchange in the borehole :
soil system at seasonal accumulation and
extraction of heat.
УДК 536.24+662.995
БАСОК Б.І., АВРАМЕНКО А.О., КУЖЕЛЬ Л.М.
Інститут технічної теплофізики НАН України
ГІДРОДИНАМІКА І ТЕПЛООБМІН В ОДИНИЧНОМУ
ТЕПЛООБМІННИКУ ТИПУ ТРУБА В ТРУБІ СИСТЕМИ
СВЕРДЛОВИНА – ГРУНТ
а – коефіцієнт температуропровідності;
а′ – радіус каналу;
cp – теплоємкість;
D – зовнішній діаметр зовнішньої труби;
d – зовнішній діаметр внутрішньої труби;
G – витрата;
J0 – функція Бесселя першого роду нульового
порядку;
p – тиск;
r – радіус;
T – температура;
t – проміжок часу;
ΔТ – перепад температур;
U – середня швидкість;
u – швидкість по осі z;
w – швидкість по осі y;
γm – корінь трансцендентного рівняння;
λ – коефіцієнт теплопровідності;
ν – коефіцієнт в’язкості;
ρ – густина.
Відомо, що когенераційні технології дають
можливість реалізувати ефект енергозбереження –
збільшення ефективності використання первин;
ного палива при сукупному виробництві
електричної та механічної енергії в установках
з тепловим двигуном. Це реалізується шляхом
корисного використання теплоти, яка скидаєть;
ся у навколишнє середовище [1]. Тому когене;
раційні установки в порівнянні з установками,
які виробляють тільки електроенергію, мають
більший коефіцієнт використання енергії палива
та ряд переваг. Однак при поширенні їх на кому;
нальний сектор виникають проблеми з викорис;
танням теплоти в літній період, коли її потреби
суттєво зменшуються. Одним із шляхів викорис;
тання такої теплоти для подальшого теплозабез;
печення є сезонне (протягом 180 діб влітку) аку;
мулювання теплоти з метою подальшого її
використання в опалювальний сезон за допомо;
гою теплонасосних технологій. Таким чином
можна реалізувати технологічний ланцюг: “коге;
нераційна установка – ґрунтовий акумулятор
теплоти – система вилучення на основі теплово;
го насосу” [2].
У зв’язку з цим було розглянуто технологічну
задачу можливого акумулювання в літній сезон
високотемпературної утилізаційної теплоти ко;
генерації. Умови задачі наступні: типова когене;
раційна установка, наприклад, електричною по;
тужністю 1 МВт яка виробляє 1,25 МВт теплоти.
При цьому витрата гарячої води в утилізаційному
теплообміннику становить – G = 36 м3/год при
перепаді температур від 90 оС (на виході з тепло;
обмінника) до 60 оС (на вході до нього). Такий
перепад температур відповідає стандартному теп;
ловому режиму в системі опалення житлових
будівель. Для забезпечення цієї витрати можна,
наприклад, застосувати 36 свердловин (розташо;
ваних квадратом 6×6) з витратою води для однієї
свердловини G = 1 м3/год.
На основі цих умов було вирішено інженерну
задачу реалізації літнього акумулювання скидної
теплоти когенераційної установки за допомогою
одиночного вертикального ґрунтового тепло;
обмінника простого типу “труба в трубі” для та;
ких труб: зовнішня стальна з зовнішнім діамет;
ром D = 220,0 мм (λ = 43,0 Вт/м·К) товщиною
стінки 5 мм та довжиною 30,0 м [3] та внутрішня –
d = 150,0 мм товщиною стінки 5 мм з поліуретану
(λ = 0,0522 Вт/м·К) та довжиною 29,9 м. Матеріал
внутрішньої труби був вибраний з малою теплоп;
ровідністю для того, щоб зменшити теплопереда;
чу між вхідним (вниз вертикального трубного
теплообмінника) і вихідним (вверх) потоками во;
ди, а матеріал зовнішньої труби, навпаки, щоб
збільшити тепловіддачу в ґрунтовий масив.
Мета даної статті – провести розрахунок гідро;
динаміки та конвективного теплообміну при течії
нагрітої води в вертикальному трубному тепло;
обміннику, а також дослідити процес теплообміну
в системі свердловина – ґрунт і поширення тем;
пературного фронту в ґрунтовому масиві. Кінцева
мета – встановити геометрію області розповсюд;
ження теплоти за період акумулювання в 180 діб.
Моделювання проводилось за допомогою прог;
рамного комплексу “Phoenics” [4].
Для розв’язування задачі було побудовано схе;
му і геометрія, що представлена на рис. 1.
Оскільки задача є осесиметричною, то для роз;
рахунку було обрано циліндрично;полярну систе;
му координат. Розрахункова область покривалась
ортогональною нерівномірною сіткою з загаль;
ним число вузлів 3510 (1×39×90). В місцях можли;
вих неоднорідностей швидкості, тиску і темпера;
тури проводилося згущення сітки. Ітераційний
процес розрахунку закінчувався, коли розходжен;
ня попередніх і наступних ітерацій складало 0,1%.
Кількість ітерацій при цьому становила 30 тисяч.
Дана задача розраховувалась для періоду 180
діб, так як неопалювальний сезон триває з 15
22 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1
ТЕПЛО: И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 1. Схема свердловини.
квітня до 15 жовтня. Необхідна кількість розра;
хункових областей, при якій отримані результати
були найбільш точними, становила 16. Розрахун;
кові області включали в себе кроки, кожен з яких
відповідав 1 секунді.
В якості граничних умов на вході в розрахун;
кову область задавалися температура води на
вході у внутрішню трубу 90 оС, вертикальна скла;
дова швидкості води на вході у внутрішню трубу
0,0182 м/с, яку було попередньо розраховано, ви;
ходячи з початкових даних. На виході задавався
тиск 0,5 МПа. Режим течії ламінарний, що було
визначено перевірочними розрахунками чисел
Рейнольдса. В якості ґрунту було вибрано глину з
теплофізичними властивостями: ρ = 1800 кг/м3,
cp = 200 Дж/кг·К, λ = 0,8 Вт/м·К і однаковою
початковою температурою масиву 8 оС. Темпера;
тура поверхні розділу ґрунт – навколишнє
повітря вважалась постійною і рівною 15 оС, що
відповідає середньодобовій температурі літнього
сезону на широті м. Києва.
Процес гідродинаміки та теплообміну в
рідині трубної системи теплообмінника можна
описати рівняннями: нерозривності, руху та
теплообміну для потоку в циліндричній системі
координат:
; (1)
;(2)
; (3)
. (4)
Теплообмін в ґрунтовому масиві описувався
рівнянням
. (5)
В результаті розрахунків було отримано поля
тиску, швидкості, температури для кожної області
системи внутрішня труба – зовнішня труба –
ґрунт, а також середня температура води на ви;
ході з труби. Поля розподілу швидкості представ;
лено на рис. 2, 3.
Як видно з рис. 2, найбільша швидкість руху
води розвивається в середині труби, від середини
труби до її стінок швидкість зменшується, а на
стінках труб реалізується пограничний шар і
ефект прилипання. На рис. 3 показано розподіл
швидкості і лінії току внизу теплообмінника, де
стрілочками показано напрямок руху води.
Після проведених розрахунків було отримано
поле розподілу температури в ґрунті через 180 діб,
яке наведено на рис. 4.
Як видно з отриманого температурного по;
ля, теплота в масиві розповсюджується
рівномірно, біля труби температура масиву
максимальна, а далі йде плавне поступове зни;
ження температури. На основі цих даних, було
визначено фронт розповсюдження теплоти в
ґрунті. Він визначався як 1% і 5% рівні значен;
ня температури по відношенню до температури
води на вході в теплообмінник. На рис. 5
представлено фронт при 5% рівні температури
від початкового значення температури, який
становить 12,1 оС.
2 2
2 2
1T T T T
a
t r r r z
⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂
= + +⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠
2 2
2 2
1T T T T T T
u w a
t r z r r r z
⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
+ + = + +⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠
2 2
2 2 2
1 1
v
u u p u u u u
u w
r z r r r r r z
⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
+ = − + + − +⎜ ⎟∂ ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠
2 2
2 2
1 1
v
w w w p w w w
u w
t r z z r r r z
⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂
+ + = − + + +⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠
0
u u w
r r z
∂ ∂
+ + =
∂ ∂
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 23
ТЕПЛО: И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 2. Поле швидкості течії води в трубному
теплообміннику. Масштаб по радіусу збільшено в
100 разів.
Результати розрахунків показують, що на 180
добу фронт T = 12,1 оС поширюється на 2,02 м (із
початково заданих п’яти метрів). А фронт, який
відповідає 1% рівню від заданої температури на
вході, тобто температурі ґрунта 8,82 оС, розпов;
сюджувався на 3,2 м.
Після проведених розрахунків за допомогою
програми, було отримано залежність середньої
температури води на виході із зовнішньої труби від
часу. Кінцевий перепад температури в порівнянні
з температурою на вході (T = 90 оС) дорівнює
ΔT = 3,5 оС, його динаміку представлено на рис. 6.
Аналізуючи цей графік, можна стверджувати,
що при глибині свердловини 30 м перепад темпе;
ратур становить 3,5 оС, що значно менше, ніж пе;
репад теплоносія в утилізаційному теплообмінни;
ку когенераційної установки ΔT = 30 оС. Щоб
реалізувати таке значення перепаду необхідно
збільшити глибину свердловини і відповідно дов;
жину труби теплообмінника. Проведені розрахун;
ки дозволили встановити необхідну глибину в
300 м, що можливо технічно реалізувати. При ць;
ому отримано перепад температур у 29,8 оС.
На рис. 7 наведено залежності температури на
зовнішній поверхні зовнішньої труби від її висо;
ти та часу акумулювання.
Щоб впевнитися в адекватності отриманих
результатів швидкості та тиску, їх було співстав;
лено з даними розрахунків, отриманих за допо;
могою аналітичних виразів. Через дію сил в’яз;
кості на стінках трубного каналу формуються
гідродинамічні пограничні шари, за межами
яких в трубі існує потенційний потік, вільний
від гальмуючої дії сил в’язкості. Розподіл потоку
на дві області – гідродинамічний пограничний
шар, в якому зосереджено дію сил в’язкості, і
ядро потоку, в якому дія сил в’язкості знехту;
вально мала, дозволяє звертатися до теорії пог;
раничного шару, використовуючи точні та на;
ближені методи розрахунків для течії на ділянках
каналу.
Рівняння розподілу швидкості і перепаду тис;
ку в круглій циліндричній трубі, отримані в [5, 6],
мають вигляд:
. (6)
За допомогою цієї формули було проведено
розрахунки для перевірки отриманих результатів.
( )
( )
2
2
02
2 2
1 0
, 1
2 1 4 1
m
m
x
Ua
m m m
J r
u x r r a
e
U a J
γ∞
′
=
⎡ ⎤γ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎛ ⎞ ′⎝ ⎠⎢ ⎥= − − −⎜ ⎟′ γ γ⎢ ⎥⎝ ⎠
⎢ ⎥⎣ ⎦
∑
24 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1
ТЕПЛО: И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 3. Розподіл швидкості і ліній току внизу
свердловини. Масштаб пропорційний.
Рис. 4. Поле розподілу температури в ґрунтовому
масиві. Масштаб по радіусу збільшено в 10 разів.
На рис. 8 представлено їх порівняння з
комп’ютерними розрахунками профілів роз;
поділу швидкостей для ряду перерізів трубного
теплообмінника.
З рис. 8 видно задовільне узгодження результатів
математичного моделювання та розрахункових
значень за допомогою (6), що дозволяє говорити
про належну адекватність отриманих результатів.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 25
ТЕПЛО: И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 5. Поширення температурного фронту T = 12,1 оС в ґрунті при глибині труби 15 м.
Рис. 6. Залежність середньої температури води на виході
із зовнішньої трубі та її перепаду від часу акумулювання.
– середня температура води на виході з труби, оС;
– перепад температур (ΔТ), оС.
26 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1
ТЕПЛО: И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 7. Залежність температури зовнішньої поверхні зовнішньої труби
по її висоті для різного часу прокачування теплоносія.
Рис. 8. Співставлення отриманих профілів швидкості для висоти внутрішньої труби z = 15 м.
– розрахункові значення згідно з формулою (6);
– розрахункові значення, що отримані за допомогою пакету “Phoenics”.
Висновки
1. В результаті виконання роботи за допомогою
програми “Phoenics” було отримано поля розподілу
температур, тиску та швидкості у каналах вертикаль;
ного теплообмінника та у ґрунтовому масиві.
Порівняння цих даних і розрахункових значень, от;
риманих за допомогою аналітичних формул, показа;
ло задовільний результат, що дозволить і надалі про;
водити адекватні розрахунки для подібних задач.
2. На прикладі дослідження одиночного
трубного вертикального теплообмінника прин;
ципово показано можливість реалізації проекту
“когенерація – сезонне акумулювання утиліза;
ційної теплоти” [2].
ЛІТЕРАТУРА
1. Долінський А.А., Басок Б.І., Базєєв Є.Т.,
Піроженко І.А. Комунальна теплоенергетика Ук;
раїни: стан, проблеми, шляхи модернізації / Ко;
лективна монографія в 2;ох томах. – К.: 2007. –
827 с.
2. Долинский А.А., Накорчевский А.И. Ос;
новные положения проекта “Когенерация –
аккумулирование – тепловые насосы” //
Пром. теплотехника. – 2006. – Т.28, №4. –
С.72 – 78.
3. Трубы металлические и соединительные
части к ним. – М.: Издательство стандартов,
1978. – 528 с.
4. Програмний комплекс “Phoenics”. Ліцензія
№1585/PLA/.
5. Тарг С.М. Основные задачи теории ла;
минарных течений. – М.: Гостехиздат, 1951. –
420 с.
6. Слезкин Н.А. Динамика вязкой несжимае;
мой жидкости. – М.: – 1955. – 519 с.
Получено 17.09.2008 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 27
ТЕПЛО: И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
|