Исследование и гидродинамические расчеты внутрискважинных теплообменников с продольными ребрами - Автореферат

Знание механизма протекания процессов теплообмена и умение, в частности, надежно рассчитывать теплообмен и гидравлические потери в них необходимо как для проектирования энергетических устройств, так и для разработки надежной системы автоматического управления. Поэтому исследование процесса теплообмена и гидродинамики при течении однофазных теплоносителей в трубах и каналах и разработка методики их расчета представляют актуальную для инженерной практики задачу. Получены оценки прироста теплового потока в скважинном теплообменнике с продольными ребрами с использованием различных методов расчета и разных подходов к моделированию процесса теплообмена между потоками в трубе и за внешней ее оребренной поверхностью; , - внутренний и внешний радиусы металлической эксплуатационной колонны; , - внутренний и внешний радиусы обсадной металлической трубы; R(t) - условный радиус температурного влияния скважины; Н - глубина теплообменника; Г - геотермический градиент; LB, LM, LГ - коэффициент теплопроводности воды, металла, горной породы; ?Т1, ?Т2 - толщины температурного пристеночного слоя на внутренней поверхности внутренней трубы и на наружной поверхности внутренней трубы и внутренней поверхности обсадной трубы; СВ, СГ - объемная теплоемкость воды и горной породы; q1, q2 - объемные расходы термальной воды в теплообменнике (по внутренней трубе) и артезианской воды в теплообменнике (по кольцевому зазору); Твх - температура горячей термальной воды на входе в теплообменник; Тпл - пластовая температура горячей термальной воды; Тар - температура артезианской воды на входе в теплообменник; ТГ(z) - невозмущенная температура горной породы вдали от скважины; ТГ(z)=Тар - Гz; ТГ(z)= Тпл - Гz. Тепловой поток через все поверхности n ребер определится интегрированием по ребру в предположении, что температурный пристеночный слой имеет везде одинаковую толщину DTВсесторонне изучен способ интенсификации процесса теплообмена между теплоносителями продольным оребрением скважинных теплообменников. Разработана математическая модель, описывающая процесс теплообмена между потоками в трубе и коаксиальном зазоре для оценки эффективности оребрения скважинного теплообменника. Прирост передачи тепла рассчитан введением внутреннего и внешнего температурного пристеночного слоя, толщины которых зависят от числа Нуссельта для трубы и для кольца. При разработке математической модели, описывающей процесс оттока тепла от теплопередающей поверхности с небольшим количеством ребер, предложено применение схемы сосредоточенной емкости для получения дифференциальных уравнений, описывающих процесс распространения тепла вдоль ребра и вдоль стенки трубы. Согласно результатам расчетов передачу тепла в скважинных теплообменниках можно увеличить продольным оребрением до нескольких раз; продольное оребрение более эффективно при малых скоростях потока жидкости; с увеличением числа ребер отвод тепла растет пропорционально их числу, однако увеличивается гидравлическое сопротивление; более теплопроводные материалы создают возможности для большей эффективности отвода тепла.

Предложены некоторые новые математические модели, описывающие процессы теплообмена для различных технологических схем реализации скважинных теплообменников.

Всесторонне изучен способ интенсификации процесса теплообмена между теплоносителями продольным оребрением скважинных теплообменников. Разработана математическая модель, описывающая процесс теплообмена между потоками в трубе и коаксиальном зазоре для оценки эффективности оребрения скважинного теплообменника. Прирост передачи тепла рассчитан введением внутреннего и внешнего температурного пристеночного слоя, толщины которых зависят от числа Нуссельта для трубы и для кольца. При разработке математической модели, описывающей процесс оттока тепла от теплопередающей поверхности с небольшим количеством ребер, предложено применение схемы сосредоточенной емкости для получения дифференциальных уравнений, описывающих процесс распространения тепла вдоль ребра и вдоль стенки трубы.

Проведены многовариантные расчеты увеличения потока тепла при продольном оребрении. Установлена зависимость от числа и высоты ребер, скорости потока для случаев стальной, алюминиевой и медной конструкций теплообменника. Согласно результатам расчетов передачу тепла в скважинных теплообменниках можно увеличить продольным оребрением до нескольких раз; продольное оребрение более эффективно при малых скоростях потока жидкости; с увеличением числа ребер отвод тепла растет пропорционально их числу, однако увеличивается гидравлическое сопротивление; более теплопроводные материалы создают возможности для большей эффективности отвода тепла.

Представленные данные о приросте теплового потока при продольном оребрении дают возможность подобрать рациональные конструктивные параметры ребристой теплопередающей поверхности.

Разработана методика, позволяющая рассчитывать перепад давления при движении потока по кольцевому сечению с ребрами. Методика предусматривает введение вязкого пристеночного слоя турбулентных течений, толщина которого определяется гидравлическим сопротивлением в зависимости от числа Рейнольдса. Приведены зависимости приведенного перепада давления от высоты ребер для различного их числа. Оребрение поверхности приводит к значительному росту перепада давления при большом количестве ребер.

Сформулирован критерий оптимальности выбора параметров скважинного теплообменника с ребрами. За такой критерий принят максимум отношения приведенного теплового потока к приведенному дебиту скважины. Эти отношения подсчитаны для стальной и медной конструкций скважинного теплообменника.

Рассмотрено применение метода Фурье для расчета теплопередачи через оребренную поверхность. Учитывается как толщина ребра и изменение температуры поперек ребра, так и толщина трубы и изменение температуры, как по радиусу, так и по окружности трубы. То есть рассматривается общая двумерная задача установившегося распределения температуры. Сравнение с ранее полученными результатами показало, что для миллиметровых толщин влияние изменения температуры поперек трубы и ребра несущественно.

Рассмотрено применение конечно-разностных методов расчета для определения эффективности оребрения. Приводится решение задачи определения температурного поля ребра. Рассмотрено применение метода поперечно-продольной прогонки для элемента симметрии ребристой теплопередающей поверхности. Приведена разностная задача для определения эффективности оребрения внутренней поверхности для теплопередачи через покоящуюся среду в кольцевом зазоре с ребрами. Расчеты показали, что оребрение способствует приросту теплового потока через покоящуюся водную среду в кольцевом зазоре скважинного теплообменника до нескольких раз. Сделан вывод о том, что метод конечных разностей в сочетании с методом матричной прогонки можно с успехом применять для определения характеристик теплообменников.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Мамаев Н.И., Алхасова Д.А. Повышение эффективности теплообменных аппаратов путем интенсификации процесса теплообмена.// Материалы Международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы». Т. 1. Махачкала, 2005. С. 326-330.

2. Мамаев Н.И., Алхасова Д.А. Расчет гидравлических сопротивлений и тепловых потоков в теплообменниках с продольными ребрами.// Материалы региональной научно-технической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты». Махачкала, 2006. С. 20-26.

3. Алхасова Д.А., Мамаев Н.И. Исследование процесса теплообмена на модели внутрискважинного теплообменника.//Материалы I школы молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов». Махачкала, 2006. С. 172-177.

4. Мамаев Н.И., Алхасова Д.А. Способ подогрева воды для отопления и установка для его осуществления.//Патент RU 2336466 C2. 2008. Бюл. № 29.

5. Алхасова Д.А. Увеличение теплообмена между потоками оребрением перегородки.//Современные проблемы математики и смежные вопросы. Материалы Международной конференции «Мухтаровские чтения». Махачкала, 2008. С. 31-34.

6. Алхасова Д.А. Расчет прямоточного внутрискважинного теплообменника.//Материалы шестой Всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии». Москва, 2008. С. 13-19.

7. Алхасова Д.А. Расчет влияния толщины на передачу тепла от внутреннего потока скважинного теплообменника к внешнему потоку через оребренную поверхность.//Материалы II школы молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов». Махачкала, 2008. С. 229-236.

8. Алхасова Д.А. Оценка теплопереноса в геотермальном скважинном теплообменнике.//Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты». Махачкала, 2009. С. 51-55.

Размещено на .ru