Угол наклона труб отопления с естественной циркуляцией: Уклон труб отопления: делаем правильно

Система отопления с естественной циркуляцией: принцип работы

Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (гравитационная система отопления) не имеет в своей конструкции циркуляционных насосов, а циркуляция теплоносителя осуществляется путем использования природных физических законов. Ее большим плюсом есть то, что она является весьма долговечной и не требует для своего функционирования наличия дополнительных источников энергии и дорогостоящего оборудования. При правильном проектировании и качественно выполненном монтаже гравитационная система отопления может работать без капитального ремонта не менее 35-40 лет. Она характеризуется небольшой протяженностью трубопроводов (ограничен радиус действия по горизонтали до 30 м), низкие гидравлические напоры и потери давления.

Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (гравитационная система отопления) была изобретена и запатентована в 1832 г.

русским инженером-металлургом, членом-корреспондентом Российской академии наук П. Г. Соболевским.

Принципиальная схема гравитационной системы отопления состоит из теплогенератора (отопительного котла), подающего и обратного магистральных трубопроводов, расширительного бака, и отопительных приборов (радиаторов).

Нагретый в теплогенераторе теплоноситель поступает по подающему и горизонтальным трубопроводам в нагревательные приборы (радиаторы), где происходит отдача им части своего тепла, в свою очередь элементы радиатора передают тепло в помещение. Затем по обратке (обратному трубопроводу) теплоноситель возвращается в теплогенератор, где снова подогревается до требуемой температуры, и далее цикл повторяется.

Естественная циркуляция теплоносителя (воды) по замкнутой системе трубопроводов обусловлена изменением веса и плотности жидкости, при повышении и понижении температуры. При нагреве теплоносителя в теплогенераторе снижается его масса и плотность в подающем трубопроводе.

В тоже время в обратном трубопроводе находится уже отдавший свое тепло более холодный теплоноситель, имеющий большую массу и плотность. В системе возникает давление под действием сил гравитации – горячий теплоноситель поднимается вверх по подающей магистрали и растекается по горизонтальным трубопроводам самотеком, замещая холодный теплоноситель, который также самотеком поступает обратно в теплогенератор (котел). Расширительный бак принимает в себя теплоноситель, объём которого увеличивается с повышением температуры, создаёт и поддерживает постоянное давление.

Гравитационное давление вызывает движение теплоносителя, однако оно также расходуется на преодоление сопротивлений в трубах. Сопротивления вызываются в основном трением теплоносителя о стенки труб, а всевозможные разветвления, угловые повороты, присутствующие в системе являются дополнительными источниками сопротивлений. При проектировании отопления одной из главных задач является свести к минимуму сопротивления в трубопроводе.

Для снижения сопротивления применяются трубы с большим сечением, также немалое значение имеет материал из которого изготовлены трубы.

Важным условием, обеспечивающим естественную циркуляцию теплоносителя, является наличие уклона в горизонтальных магистралях трубопроводов в сторону движения воды – уклон от подающего стояка к радиаторам, и уклон обратной магистрали от радиаторов к отопительному котлу. Если уклон будет выполнен в другую сторону, от система работать не будет.

Уклон трубопровода должен составлять как минимум 0,005 м на 1 метр погонный трубы.

Помимо обеспечения циркуляции теплоносителя уклон в трубах позволяет эффективно бороться с «завоздушиванием» системы. Пузырьки воздуха, образующиеся в процессе нагрева теплоносителя в системе, устремляется вверх по трубам и поступают в расширительный бак, а затем, соответственно, удаляются в атмосферу.

Проектируя систему отопления, необходимое гравитационное давление (циркуляционный напор) следует обязательно просчитывать по специальной формуле. Оно зависит от разности высот расположения котла и самого нижнего радиатора – чем больше эта разница (h), тем больше давление. Увеличению циркуляционного напора способствует также увеличение угла наклона подающей магистрали трубопровода, направленной в сторону радиаторов, и уклон обратной магистрали, направленной к теплогенератору (котлу).
Уклон трубопровода должен составлять, как минимум 0,005 м на 1 метр погонный трубы.

Такая схема позволяет теплоносителю легче преодолеть местные сопротивления в трубах. Возникающий циркуляционный напор также напрямую зависит от высоты установки радиаторов. Выполняя проектирование и последующий монтаж

системы отопления с естественной циркуляцией, котёл размещают в самой нижней точке так, чтобы все теплообменники (радиаторы) находились выше него.

Трубопроводы систем отопления по виду монтажа подразделяются на одно- и двухтрубные. (Не следует путать понятия «двухпоточная», «однотрубная», «двухтрубная»: первое характеризует направление потоков теплоносителя, «цикличность» их в системе, а два последних – только способы соединения трубопроводов с отопительными приборами при соблюдении цикличности).

Самотечная система отопления двухэтажного дома

Самотечная система отопления двухэтажного дома является единственным выходом в условиях, когда отсутствуют газ и электричество. Естественно, подобных проблем в современном мире просто не существует. Однако все-таки случаются ситуации, в которых приходится монтировать отопление открытого типа.

На что оказывает влияние отопление открытого типа?

По каким-либо соображениям вы решаетесь начать монтаж самотечного вида отопления. При этом следует учитывать, что это отразится на подборе следующих факторов:

  1. дизайн в доме при данном типе обогрева должен отвечать пожарной безопасности;
  2. отсутствие контроля за равномерным распределением тепла;
  3. представленные схемы отопления с естественной циркуляцией позволяют производить обслуживание и ремонт всей системы без особых затрат;
  4. небольшие объемы работ, связанных с прокладкой трубопровода и подключением открытого расширительного бака для отопления;
  5. оптимальная стоимость необходимого материала.

Если вас заинтересовала схема естественного отопления, то всевозможные примеры вы сможете отыскать на нашем сайте. Однако разобраться в чертежах удается не каждому специалисту. Поэтому мы рекомендуем обратиться за помощью к инженерам. Именно они смогут правильно рассчитать всю систему отопления, составить смету.

Преимущества отопления частного дома с естественной циркуляцией

Есть ли смысл рассказывать обо всех гранях использования самотечной системы отопления? Наверное, нет. Поэтому мы затронем лишь основные показатели тех преимуществ, которые вы оцените сразу же после запуска.

  1. Экономичность отопления частного дома с естественной циркуляцией – это важный фактор. Этот показатель можно оценить в самом начале работ. Ведь на монтаж системы, ее обслуживание и ремонт не потребуется больших финансовых затрат.
  2. Отсутствие дополнительного оборудования (насосов) можно считать основным преимуществом данной системы отопления. Как же так? Во время монтажа по схеме отопления (с естественной циркуляцией) и после запуска системы вы обнаружите, что отсутствуют вибрации, посторонние шумы.
  3. Снижение стоимости на электроэнергию гарантировано. Ведь насосы требуют энергообеспечения. В самотечном же варианте отсутствуют подобные нужды и, соответственно, траты.
  4. Постоянное движение выбранного вами теплоносителя в действующей системе отопления является залогом равномерного и постоянного распределения тепла между радиаторами.
  5. При работах по установке и запуску данного типа отопления не требуется особых умений, знаний и навыков.

Единственный секрет, о котором стоит сказать сразу – в отоплении открытого типа теплоноситель должен быть химическим. Вода зимою замерзает, а значит, ваша цель достигнута не будет.

Однако если вы планируете проводить самотечную систему в дачном доме, то вполне допускается использовать воду.

 

 

Технология монтажа самотечной системы отопления

  1. Определение модели котла и его местоположения — это самое важное во всей самотечной системе отопления. Этот агрегат производит нагрев теплоносителя.
  2. Теперь, согласно самотечной системе отопления, по схеме определяем расположение трубопровода. Существуют 2 типа прокладки труб – одинарный и двойной.
  3. Выбираем радиаторы, которые будут располагаться в комнатах, подвале и на чердаке (при необходимости).
  4. Не забываем о том, что так же необходимо подобрать расширительный бак.

В процессе монтажа трубопровода следует помнить о том, что создаваемая линия должна иметь определенный уклон. Этот показатель рассчитывают таким образом, чтобы каждый метр трубы наклонялся на 0,005 м. Направлять угол наклона следует в сторону нагревающего бака.

Для чего необходимо реализовывать данное требование?

  • Наличие уклона трубы позволяет ускорить движение теплоносителя.
  • Во время работы системы отопления данного типа возникают пузырьки воздуха. Для того чтобы устранить их из труб, делается наклон трубопровода. В этом случае в процессе нагревания воды, происходит расширение теплоносителя. И пузыри оказываются в открытом расширительном баке для отопления. Здесь предусмотрен их вывод в атмосферу.

Правила подбора котла

В связи с тем, что самотечная система отопления двухэтажного дома рассчитана на то, что в здании отсутствует газ и электричество, следует правильно подобрать главный нагревательный элемент. Ведь покупка современного устройства, работающего от напряжения, окажется простой тратой бюджета. Следовательно, останавливаем выбор лишь на тех моделях котлов, которые работают на твердом топливе.

Секрет монтажа расширительного бака

Казалось бы, что может быть сложного в том, чтобы следовать готовой схеме системы отопления. Однако на чертеже невозможно показать, точное местоположение элементов отопления. И в результате потраченное время и усилия окажутся излишними. Ведь при монтаже расширительного бака стоит помнить, что его следует закреплять в верхней точке всей системы отопления.

 

Схема закрытой системы отопления с принудительной циркуляцией – описание

В домах и дачах часто собирают систему водяного отопления с принудительной циркуляцией. Она может быть двух видов: открытая и закрытая. Последняя оборудуется расширительным баком. Для безопасности она снабжается дополнительными устройствами. Почему выбирают этот вид отопления, и другие вопросы, связанные с этой системой, рассматриваются в статье.

Общая схема

Для чего нужна принудительная система

Преимущества отопления с гравитационной циркуляцией:

  • проста в монтаже;·
  • не зависит от источника питания;·
  • безопасная.

Без насоса просто не обойтись, если:

  • протяжённость труб слишком большая;
  • необходимо уменьшить диаметр труб;
  • в систему включён «тёплый пол».

Уклон труб делать не нужно. Существуют и другие особенности. Чтобы лучше это увидеть, необходимо рассмотреть работу каждой системы в отдельности.

Как работает отопление без насоса

В любой отопительной системе присутствует три основных компонента:

  • генератор тепла;
  • система транспортировки теплоносителя;
  • теплообменник.

Генератор может быть одинаковым для разных систем, это же относится и к теплообменникам, а вот транспортировка выполняется по-разному. При естественной циркуляции жидкость нагревается в котле, расширяется, благодаря этому становится легче и стремится подняться выше. К котлу приваривают вертикальную трубу на максимально допустимую высоту. Такое расположение даёт воде возможность без дополнительного сопротивления занять наивысшую точку системы при нагревании.

Сравнение двух схем

Первая порция нагретой воды будет быстро охлаждаться о стенки холодной трубы и при смешивании с холодной. Поэтому скорость передвижения теплоносителя будет низкой. При достижении из верхней точки уже немного остывшая вода будет понемногу опускаться по трубопроводу, который имеет небольшой наклон. Скорость движения зависит только от поступления новой порции горячего теплоносителя, так как вся система заполнена холодной тяжёлой жидкостью. Когда нагретая вода достигает первой батареи, процесс охлаждения резко возрастает, начинается круговорот.

По этой причине сначала прогревается первая батарея, а затем по очереди следующие радиаторы.

Это один из недостатков самотечной системы – неравномерный прогрев. Второй недостаток в большом сопротивлении, которое создаётся в вертикальной трубе. При слишком большой её высоте, например, в многоэтажном доме, температуру в котле нельзя резко повышать. Невыполнение такого условия может привести к закипанию воды. Подробно о естественной циркуляции, разоблачении мифов о такой системе говорится в этом видео:

Принудительная система

В принудительной системе применяются такие же самые элементы, за исключением насоса. Насос создаёт давление − вода приходит в движение. Конструкция запускает циркуляцию по всей системе, из-за чего тепло распространяется равномерно. Такая система работает при любой протяжённости трубопровода, поэтому применяется во всех домах. При схеме с принудительной циркуляцией может применяться один из двух типов бака:

  • открытый;
  • закрытый.

Из чего состоит отопительная система

Котёл − основной элемент. Он может быть электрическим, газовым или твердотопливным, или работать на отработке. Передает тепловую энергию топлива теплоносителю. Для этого варят металлический бак и вставляют в топку печи или устанавливают отдельный металлический котёл с топкой внутри.

От него отходят металлические трубы. Применяются и металлопластиковые, но они хуже отдают тепло и при высоких температурах могут размягчаться. Металлические трубы являются теплообменниками, что ускоряет время нагрева воздуха в помещении. Пластиковые лучше всего монтировать там, где нужно сократить тепловые потери, например, при прокладке под землёй.

Радиаторы являются основными теплообменниками и вторичным источником тепла. При сборке системы отопления частного дома с принудительной циркуляцией без насоса не обойтись. Производители выпускают такие приборы 2 видов:

  • с регулируемой скоростью вращения;
  • автоматизированные.

Последние способны контролировать нагрузку и регулировать скорость без участия человека. В некоторых насосах установлены заглушки, через которые можно выпускать воздух из насоса при заполнении системы. Под заглушкой находится шлиц, выполненный под отвёртку, с его помощью можно провернуть вал насоса при его окислении.

Однотрубная схема

При однотрубной системе водяного отопления с принудительной циркуляцией труба идёт от котла, проходит все помещения и подходит к котлу, создавая замкнутую цепь. Поэтому радиаторы присоединяются только к одной трубе, но их нельзя подключать в разрыв системы, т. к. не будет возможности регулировать циркуляцию в каждом радиаторе. А это необходимо делать для создания оптимальных условий обогрева.

Пример такого подключения

Поскольку в системе используется только подача, то расход труб заметно сокращается, что позволяет сократить материальные и трудовые затраты. Основным недостатком при неправильном регулировании батарей является неравномерное нагревание радиаторов. Те, что ближе к котлу, нагреваются сильнее расположенные дальше всех. Такая разводка используется как для принудительной, так и гравитационной циркуляции. Любая система не может обойтись без расширительного бака.

Бак: требования и устройство

В открытой системе бачком может служить любая ёмкость подходящего размера. Конструкция позволяет при необходимости добавлять воду в систему. Недостатками являются:

  • быстрое испарение жидкости;
  • необходим контроль уровня;
  • проникновение мусора в трубы;
  • установка только выше системы, а это не совсем удобно.

Баки закрытого типа необходимы для отопления и водоснабжения.

Важно. Эти устройства не являются взаимозаменяемыми, потому что у них разное предназначение.

Расширители для отопления окрашивают в красный цвет. Они могут эксплуатироваться при температуре до +120 0С и давлении 4 бар. Второй вид окрашивают в голубой цвет, они выдерживают давление до 10 бар, но вот максимальная рабочая температура составляет не выше +70 0С.

Бак для отопления и воды

В металлическом корпусе имеется две камеры: одна для жидкости, другая для газа. Их разделение бывает следующих видов:

  • грушевидная мембрана;
  • плоская мембрана;
  • без разделения.

Грушевидная мембрана крепится к наружной стороне корпуса через муфту, в которую вварен штуцер. Через резьбовое соединение штуцер крепится к трубопроводу. При заполнении системы вода поступает в грушу и заполняет её. Другая часть корпуса заполнена воздухом, который находится под небольшим давлением. Заполнение водой происходит до тех пор, пока давление воздуха и воды не сравняется. Когда жидкость начинает нагреваться, она расширяется, давление увеличивается, и вода ещё больше входит в расширитель, сжимая воздух. При остывании теплоносителя происходит обратный процесс. Давление воздуха регулируется клапаном и ниппелем, вмонтированным в корпус.

Расширители с плоской мембраной не разбираются. Существуют расширители без мембраны. В них воздух и жидкость не имеют физического разделителя, поэтому газ смешивается с водой и постепенно уходит. Такие бачки время от времени подкачивают воздухом. Они более надёжны система, так как мембрана не рвётся и не требует замены.

Группа безопасности

Так называется комплект устройств, установленных на одной трубе и предназначенных для обеспечения безопасной работы всей системы. Сюда входят:

  • манометр;
  • аварийный клапан;
  • перепускной вентиль.

Манометр помогает визуально определить давление и состояние системы. По нему устанавливается утечка воды из-за разгерметизации системы, определяется рабочее давление системы. Это устройство предупреждает и об опасном повышении давления, которое может возникнуть при закипании воды в котле.

Вид группы безопасности

Аварийный клапан необходим для предотвращения разрыва котла или трубопровода в результате чрезмерного давления. Рядом расположен кран, с его помощью можно быстро сбросить давление.

Внимание. Группа безопасности должна проходить проверку в сроки, указанные в паспорте. Нарушение этого правила приводит повреждению системы и угрозе жизни и здоровью людей.

Радиаторы

Радиаторы служат для передачи тепла от теплоносителя окружающему воздуху, бывают:

  • алюминиевые;
  • стальные;
  • биметаллические;
  • чугунные.

Чугунные – самые инерционные, из-за толстого металла они долго нагреваются и долго остывают. Остальные быстрее реагируют на изменение температуры. Чугунные радиаторы очень тяжёлые, поэтому их чаще устанавливают на полу, а не монтируют на на стены. Алюминиевые самые лёгкие, но не очень прочные. Стальные прочные, но быстро окисляются от кислорода, содержащегося в воде. Биметаллические лёгкие и прочные, но дороже стальных и алюминиевых.

Если сравнивать по теплоотдаче, то чугунные большую часть тепла отдают с помощью излучения. Остальные — 50% с помощью излучения и 50% через конвекцию – движение воздушного потока.

Интересно. Именно конвекция позволяет быстрее прогреть помещение.

Разводка

Разводка – соединение теплообменников и котла с помощью трубопровода. Она создает рабочие условия для отопительной системы. Существует три способа соединения:

  • последовательное;
  • параллельное;
  • лучевое.

При последовательном соединении радиаторы подключаются друг за другом. Поломка одного из них влечет за собой остановку всей системы. Применяется только при однотрубной схеме. Недостаток заключается в том, что первая батарея будет нагреваться сильнее, а каждая последующая − хуже.

Последовательная разводка без регулирования

Параллельное – основной способ соединения, используется как при однотрубной, так и двухтрубной схеме. Каждый радиатор можно отрегулировать с помощью кранов, добившись равномерного распределения тепла по всему дому. Этого же результата можно добиться, уменьшая диаметр подающей и обратной трубы при каждом подсоединении батареи. Такой способ применяется при естественной циркуляции.

Пример лучевой разводки

Лучевое соединение производится от общего коллектора, расположенного примерно на одинаковом расстоянии от батарей. Применяется только в двухтрубной схеме и там, где есть возможность использовать подпольное пространство.

Можно комбинировать разные способы обвязки:

  • разделить систему на два рукава: один будет обогревать верхний этаж, другой − нижний;
  • пустить подачу по одному кругу, а обратку по-другому (в этом случае сопротивление труб будет одинаковым для каждого радиатора).

Двухтрубная система

Двухтрубная отличается от однотрубной тем, что батарея одновременно подключается к подаче и обратке. При этой схеме расходуется больше труб, но иногда это вынужденная мера: в некоторых случаях только так можно обеспечить равномерное прогревание помещения.

Обвязка встречными контурами

Преимущества принудительной системы

С циркуляционным насосом обогрев будет происходить быстрее, потому что вся система нагревается равномерно и постепенно. Хорошо будут работать чугунные батареи: они нагреваются медленно.

В этой системе трубы используются меньшего диаметра, чем в системе с гравитационной циркуляцией. Только в циркуляционной системе предусмотрено использование автоматики.

Экономим на трубах

При циркуляции естественным образом движущая сила возникает при перемещении нагретой воды. Чем больше сечение, тем быстрее идёт перемещение. Поэтому стараются использовать трубы с большим диаметром. Если в схеме отопления одноэтажного или многоэтажного дома с принудительной циркуляцией правильно произвести расчёт диаметра трубы, то можно значительно сэкономить на материале и энергоносителе. Расчет диаметра трубы для отопления производится на основании мощности насоса и гидравлического сопротивления.

Отказ от громоздких радиаторов

Высокая скорость насоса и теплоотдачи современных радиаторов дают возможность использовать лёгкие и компактные радиаторы. Это улучшает и эстетику помещения.

Безопасность и удобство эксплуатации

В системах с насосом используется группа безопасности. Сами насосы имеют несколько скоростей вращения ротора для выбора оптимального режима работы. Это особенно удобно, когда нет возможности рассчитать скорость движения теплоносителя.

Простота монтажа

При монтаже системы отопления, в которой имеется насос, не нужно выдерживать угол наклона трубопровода, что значительно упрощает монтаж. Меньший диаметр труб также облегчает работу. Фурнитура имеет резьбовое соединение, что позволяет обходиться без сварки.

Недостатки

При всех достоинствах и этой системы есть один существенный недостаток – энергозависимость. Главный компонент системы – насос – получает питание от электросети. Чтобы он мог работать в экстренных случаях, когда отключается электричество, необходимо обеспечить резервное питание.

Как заполнить систему отопления

Во время монтажа трубопровода находят самую нижнюю точку и в неё вваривают сливную трубу с краном. Заполнение также происходит через неё. Для того чтобы воздух из системы выходил, в самой верхней точке трубопровода устанавливают такую же трубку с краном.

При всей кажущейся сложности системы её можно выполнить качественно, если прислушаться к рекомендациям. В заключение несколько советов по установке радиаторов:

Средняя оценка оценок более 0 Поделиться ссылкой

Монтаж отопления в бане, сауне, доме в Ростове-на-Дону и области

При строительстве дома или бани уже на этапе проектирования необходимо продумать вид и схему отопления, а именно разводку и примерное местоположение батарей. Ведь установка системы обогрева зависит от конкретных факторов:

  • площадь отапливаемого помещения;

  • назначение помещения

  • материал изготовления и толщина стен;

  • высота потолков.

  • вид топлива (газ, дрова, электричество)

  • способы обогрева (радиаторы, теплый пол, камин)

Исходя из этих условий, подбирается источник тепла подходящей мощности.

Как правильно организовать тепло в доме с водяным отоплением:

Существует две популярные системы отопления домов: с естественной циркуляцией теплоносителя и с принудительной.

Плюсами первой будет то, что не придется тратиться на установку насосов для движения горячей воды, так как они не нужны, а следовательно, и потребность в электроэнергии отпадает. К минусам такой системы относится маленькая площадь отапливания (около 150 кв.м.) и большой объем теплоносителя, что увеличивает время прогрева и расход теплоресурсов.

Работа по установке отопления с естественной циркуляцией кропотлива и сложна: требуется определенный угол наклона трубы, так как нет насосов, да и сами трубы широкого сечения стоят недешево. Температура регулируется исключительно мощностью котла.

Второй вид обогрева экономичнее за счет использования дешевых труб узкого диаметра. Здесь воду качают насосы. Преимуществом отопления с принудительной циркуляцией будет совместимость с любыми типами радиаторов и малый объем теплоносителя, что уменьшает время прогрева и расход теплоресурсов

Что мы Вам даем

Если Вы решили организовать отопление в доме или бане, обращайтесь в компанию Радиан. Исходя из параметров Вашего помещения, наши специалисты создадут индивидуальный подходящий проект и реализуют его в кратчайшие сроки на высоком уровне.


Характеристики естественной циркуляции симметричного контура в наклонных условиях

Естественная циркуляция — важный процесс для первого контура некоторых морских интегрированных реакторов. Реактор работает в наклонных условиях, когда с кораблем случаются тяжелые аварии. В данной работе для исследования характеристик естественной циркуляции эксперименты проводились в симметричной петле под углом наклона 0 ~ 45 °. Модель CFD была также создана для предсказания поведения петли за пределами экспериментальной области.Общий расход циркуляции уменьшается с увеличением угла наклона. При этом одна циркуляция подавляется, а другая усиливается, и, соответственно, возникает несоответствие между ветвями циркуляции, которое увеличивается с увеличением угла наклона. Циркуляция происходит только в одной ответвленной цепи под большим углом наклона. Также на основе модели CFD прогнозируется влияние распределения гидравлического сопротивления и конфигурации контура на естественную циркуляцию. Численные результаты показывают, что проектирование петли с конфигурацией большого перепада высот и малой ширины позволяет уменьшить влияние наклона; однако слишком малая ширина петли вызовет серьезное снижение циркуляционной способности при большом угле наклона.

1. Введение

Естественная циркуляция широко используется в ядерных системах из-за ее преимуществ перед процессом с принудительным потоком, таких как устранение насоса, повышение безопасности и надежности, а также снижение затрат на техническое обслуживание [1, 2]. Некоторые судовые атомные электростанции интегрированного типа также используют процесс естественной циркуляции для переносного опреснения [3, 4]. Однако теплогидравлические характеристики естественной циркуляции на судовых установках намного сложнее, чем на наземных установках, из-за влияния движений судна, таких как качка, качение и наклон [5–9] (Рисунок 1).В случае таких инцидентов, как столкновение, затопление или посадка на мель, реактор будет работать в наклонных условиях. Понимание поведения естественной циркуляции при различных углах наклона имеет решающее значение, поскольку наклон вызывает уменьшение движущей силы, а также нарушение теплогидравлической симметрии реактора, в котором парогенераторы кольцеобразно окружают активную зону.


Различные группы провели экспериментальные и численные исследования конкретных систем, чтобы предсказать влияние наклона.Иёри [10] использовал модель морского реактора интегрированного типа для исследования влияния наклона на однофазную естественную циркуляцию. Результаты показали, что распределение температуры от парогенератора при наклонном положении в первую очередь зависело от высоты. Ким [11] выполнил эксперименты с установившейся естественной циркуляцией на испытательном стенде системно-интегрированного модульного усовершенствованного реактора (SMART), установленного на наклонном оборудовании для наклона. В ходе экспериментов изучались асимметричные режимы потока в верхнем коллекторе давления, кассетах парогенератора и сливном стакане во время изоляции и наклона питательной воды.Ким [12] также разработал модель CFD и исследовал трехмерные эффекты наклона для той же системы. Исида [13] исследовал влияние наклона на теплогидравлическое поведение DRX (глубоководный реактор) с помощью кода RETRAN-02 / GRAV. Численные результаты показали, что наклон корабля, даже на 60 °, вызвал уменьшение потока в активной зоне, но мощность реактора восстановилась до начальных уровней мощности из-за внутренних характеристик активной зоны DRX. Гао [14] разработал простую математическую модель для прогнозирования характеристик циркуляции в наклонных условиях, но асимметричные эффекты в этой модели не учитывались.В принципе, все эти результаты ограничиваются конкретными системами. Механизмы влияния наклона до сих пор не представлены исчерпывающе и количественно для разных систем.

В данной статье представлено исследование процесса естественной циркуляции в симметричном двухконтурном испытательном контуре в наклонных условиях. Эксперименты проводились под углами наклона 0 ~ 45 °. Построена CFD-модель, на основе которой также проанализированы термодинамические характеристики естественной циркуляции при углах наклона 45 ~ 90 °.Кроме того, в этой статье обсуждаются вариации в общей циркуляционной способности, неравномерность циркуляции ответвлений, а также влияние конфигурации петли и распределения сопротивления.

2. Испытательное оборудование

Испытательный цикл состоял из трех подциклов (рис. 1). Первичный контур представлял собой испытательную секцию, спроектированную как симметричный двухконтурный контур для моделирования симметричных характеристик реальной установки. Источник тепла питали три электронагревателя (ЭН), расположенные в общей части двух контуров.Каждый нагреватель состоял из нагревательных трубок из нержавеющей стали длиной 1080 мм. Во время работы к электронагревателю подавали постоянный ток с напряжением до 75 В и общим током 2000 А. Радиатор представлял собой два парогенератора (ПГ), которые были симметрично установлены в верхней части каждой цепи. Тепло, генерируемое EH, наконец, было выброшено в окружающую среду через SG, вторичный контур и третий контур, чтобы установить энергетический баланс. Эффективная разница высот между источником тепла и радиатором H0 составляла 2100 мм.Расстояние между центрами парогенератора составляло 1255 мм. Первичный контур был установлен на платформе моделирования движения корабля, которая наклонялась относительно оси -оси и -оси с максимальными углами 45 ° и 20 °, соответственно. В качестве рабочего тела первого контура использовалась деминерализованная вода с давлением 4,0 МПа.

Вторичный контур состоял из насоса, теплообменника, двух смесителей и компенсатора давления. В качестве теплоносителя для вторичного контура использовалась вода, приводимая в действие насосом, а не естественной циркуляцией.Смеситель и регулирующие клапаны использовались для равной настройки температуры охлаждающей жидкости и расхода в двух контурах, чтобы избежать несбалансированной нагрузки. Во вторичном контуре поддерживается высокое давление (4,0 МПа), чтобы предотвратить возникновение двухфазного потока из-за простоты оборудования. Компрессор был заполнен газообразным азотом под высоким давлением, чтобы регулировать и поддерживать давление. Основным оборудованием для третьего контура была градирня, через которую поступление тепла из вторичного контура окончательно выводилось в окружающую среду с циркуляцией теплоносителя.

Ультразвуковые расходомеры измеряли поток естественной циркуляции на выходах каждого модуля электронагревателя и парогенератора. Счетчики имели точность 0,5% по сравнению с измеренным значением расхода и не оказывали дополнительного сопротивления циркуляции. Расходы во вторичном и третьем контурах измерялись расходомерами диафрагменного типа. Температура измерялась термопарами с точностью 1% во всем диапазоне температур (согласно данным производителя). В общей сложности 36 термопар были установлены в критических местах по всему испытательному контуру, включая входы и выходы EH, SG и теплообменник.

3. Результаты экспериментов

Серии экспериментов были проведены при углах наклона 0 °, 15 °, 22,5 °, 30 ° и 45 °. Максимальный угол наклона составляет 45 ° из-за ограничений платформы моделирования движения корабля. Подвод мощности от электронагревателя контролировал нагрузку от 50 до 100%. Расходы во вторичном и третьем контурах поддерживались постоянными во время экспериментов. Тестирование проводилось в течение 2 часов для каждого угла наклона для достижения устойчивого состояния.

Регистрировали объемный расход каждого выхода парогенератора. Общий массовый расход был получен путем умножения рассчитанной плотности на местное давление и температуру. Результаты показали, что увеличение угла наклона постепенно ослабляет циркуляцию. Наклонный угол 45 ° имел массовый расход примерно на 10% меньше, чем наклонный угол 0 ° (Рисунок 2). Средняя разница температур между горячей ногой и холодной ногой увеличивалась с увеличением угла наклона (рис. 3).Здесь определяется



Как уменьшение расхода, так и увеличение разницы температур показали, что циркуляционная способность была нарушена при увеличении угла наклона.

Асимметрия нагрузки парогенератора может вызвать изменения свойств пара и механические проблемы. Однако перепад высот между холодными ногами возникает в наклонных условиях и приводит к несоответствию циркуляционной способности. Если система наклоняется против часовой стрелки, кровообращение в правой ветви всегда было сильнее, чем в левой.Расход правого ответвления увеличился примерно на 2%, когда (по сравнению с), в то время как расход левого контура уменьшился на 26%, как показано на Рисунке 4.

4. Численная модель

Численный анализ естественной циркуляции в Тестовая часть проводилась с использованием пакета CFD ANSYS FLUENT. Все сетки были структурированы и созданы с помощью ICEM. Всего в ячеистой системе существует 15 интерфейсов, которые разделили тестовую секцию на отдельные части. Сетки были созданы для деталей индивидуально и соединены интерфейсами.Для всех каналов потока была построена сетка пограничного слоя. Сетка, использованная для этого анализа, показана на рисунке 5.

В этом анализе не учитывались изменения свойств воды в зависимости от температуры. При расчете выталкивающей силы использовалось предположение Буссинеска.

В расчетах использовалась реализуемая модель турбулентности. Эта схема идеальна для потоков, включающих вращение, пограничные слои при сильных неблагоприятных градиентах давления, отрыв и рециркуляцию. Схема степенного закона дискретизации используется для уравнений турбулентной кинетической энергии и скорости диссипации.Связь давления и скорости осуществлялась по схеме SIMPLEC. Уравнения моментума были дискретизированы с использованием схемы QUICK. Критерий сходимости использовался для непрерывности, для скоростей, энергии, и.

Мы использовали модель пористой среды при моделировании потока и теплопередачи в парогенераторах и электронагревателях. В этой модели сопротивление потоку рассчитывается через коэффициент, который является входным параметром FLUENT. Мощность электрического обогрева была представлена ​​исходным членом уравнения энергии.Теплопередача в парогенераторе рассчитывалась по среднему коэффициенту теплопередачи и разнице температур между жидкостями первичного и вторичного контура и добавлялась в уравнение энергии в качестве источника с помощью программирования UDF (определяемая пользователем функция).

Численная модель была проверена путем сравнения с экспериментальными результатами, как показано в таблице 1. Видно, что численные результаты хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Поля распределения температуры и скорости показаны на рисунке 6.


Параметры Экспериментальный Числовой

Массовый расход SG-A 0,61 0,62
Массовый расход SG -B 0,62 0,62
Температура на входе SG-A 181,10 180,50
Температура на выходе SG-A 144.63 145,55
Температура на входе SG-B 181,71 180,50
Температура на выходе SG-B 147,38 145,55

5. Численные результаты
5.1. Картины потока при большом угле наклона (45 ~ 90 °)

Температурные поля и поля скорости были получены с помощью моделирования CFD (рис. 7). По сравнению с условием отсутствия наклона очевидные несоответствия возникают в условиях наклона.Циркуляция нижнего ответвления почти прекратилась, когда угол наклона увеличился почти до 90 °.

Общий массовый расход непрерывно уменьшается с увеличением угла наклона (Рисунок 8), в соответствии с анализом в Разделе 3. При большом угле наклона циркуляция в основном происходит в верхнем контуре. Эффективная разница высот достигает минимального значения, которое составляет половину ширины петли. Общий массовый расход уменьшается на 58% под углом наклона 90 °.


Отводящий поток SG-B быстро уменьшается при увеличении угла наклона.Когда угол наклона достигает 75 °, расход SG-B исчезает (Рисунок 9). Скорость потока EH-A также уменьшается, что вызывает повышение температуры на выходе EH-A (Рисунок 7). Если угол наклона увеличится до 90 °, температура EH-A превысит температуру насыщения (250 ° C) (рисунок 10), и произойдет кипение. Это опасно для реактора.



5.2. Эффект конфигурации

Предыдущий анализ показал, что наклон вызвал снижение общей циркуляционной способности и несоответствие в способности ветвления циркуляции.Оптимизация конфигурации контура может уменьшить эти нежелательные эффекты.

Чтобы уменьшить несоответствие различных возможностей циркуляции ответвлений, внешний силовой контур (рисунок 11) должен быть запрещен, а внутренний силовой контур должен быть усилен. Соотношение двух движущих сил следующее:


Уравнение (2) показывает, что увеличение уменьшило относительную важность движущей силы внешней цепи, а затем уменьшило несоответствие в способностях ветвления циркуляции (Рисунок 12).Разница между массовыми расходами двух холодных ветвей быстро увеличивалась с увеличением угла наклона при малых значениях. Это указывает на то, что для того, чтобы контролировать влияние наклона, длинная и тонкая активная зона реактора является лучшей конфигурацией контура для конструкции реактора.


5.3. Влияние распределения сопротивления потоку

Соотношение между перепадами давления в горячем и холодном ответвлениях также влияет на величину несоответствия в циркуляции ответвления (рис. 12).Несоответствие уменьшалось с уменьшением (Рисунок 13). Следовательно, предпочтительно уменьшать коэффициент сопротивления потоку горячей ветви (или увеличивать холодную ветвь), а также увеличивать площадь поперечного сечения проточного канала горячей ветви (или уменьшать холодную ветвь).


6. Заключение

В данной работе экспериментально и численно исследована стационарная однофазная естественная циркуляция в наклонных условиях. Как экспериментальные, так и численные результаты показали, что в наклонных условиях циркуляционная способность была нарушена — общий массовый расход уменьшался и увеличивался.Это было вызвано уменьшением средней эффективной высоты. Кроме того, движущая сила по внешнему контуру контура имела противоположный эффект на циркуляцию ответвления и вызвала несоответствие массовых расходов ответвления. Увеличение угла петли (уменьшение ширины) уменьшило неравномерность циркуляции ответвлений и смягчило снижение общей циркуляционной способности. Кроме того, уменьшение значения также способствовало уменьшению неравномерности ветвления циркуляции. Элементы электронагревателя будут перегреваться при большом наклоне из-за резкого снижения скорости циркуляционного потока.

Номенклатура
: Площадь поперечного сечения [м 2 ]
: Удельная теплоемкость
: Плотность [м / с 2 ]
: Высота [м]
: Способность естественной циркуляции
: Массовый расход [кг / с]
: Номер холодного участка
: Компонент петли номер
: Коэффициент сопротивления
: Температура [° C]
: Ширина контура [м].
Греческие буквы
: Угол наклона [градус]
: Угол конфигурации [градус]
: Коэффициент теплового расширения
: Массовый расход соотношение
: Плотность [кг / м 3 ]
: Соотношение движущих сил.
Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Работа поддержана к.т.н. Программный фонд Министерства образования Китая (№ 20100002120036) и исследовательский проект Университета Цинхуа (№ 2012Z02145).

Имитационное исследование характеристик работы ПАТЭС с естественной циркуляцией в накатном и наклонном состоянии

В последнее время плавучая атомная электростанция (FNPP) получает все больше внимания и стремительное развитие в связи с очень широкой перспективой применения на удаленных территориях или островах. .В целом, IPWR (Интегральный реактор с водой под давлением) адаптирован для удовлетворения требований ограниченного пространства, ядерной безопасности и маневренности на море. IPWR может зависеть от режима естественной циркуляции для отвода остаточного тепла активной зоны в аварийных условиях или в условиях работы с низкой нагрузкой. Поскольку напор привода низкий, на поток естественной циркуляции, вероятно, влияют качение и наклон. Для уточнения характеристик потока с естественной циркуляцией активной зоны при качении и наклонном состоянии ПАТЭС на основе модифицированного кода театра путем добавления модуля движения океана и модуля преобразования пространственных координат были получены основные теплогидравлические параметры изменения параметров в качении и наклонном состоянии. .Обсуждается влияние угла наклона, амплитуды и периода качения на естественный циркуляционный поток. Естественный циркуляционный поток в активной зоне периодически колеблется с перекатывающимся движением. Наклон и перекатывание также вызовут колебания степени перегрева пара вторичной стороны OTSG, что может повлиять на стабильную работу системы вторичной стороны.

Список литературы

1 Кузнецов В.М. .: Плавучие атомные электростанции в России: угроза Арктике, Мировому океану и Договор о нераспространении ядерного оружия.Агентство «Ракурс Продакшн», 2004 г. Поиск в Google Scholar

2 Костин В.И.; Самойлов, О. Б .; Вавилкин В. Н. и др. .: Малые плавучие атомные электростанции с реакторами ABV для выработки электроэнергии, производства тепла и опреснения морской воды. Ядерные технологии и социальные потребности, 2004 г. Поиск в Google Scholar

3 Zhong, J .; Ян, X .; Jiang, S : Обзор характеристик естественной циркуляции морского реактора в условиях океана. Международная конференция по ядерной инженерии.(2009) ICONE17-43543, стр. 573–585, DOI: 10.1115 / ICONE17-75633 Поиск в Google Scholar

4 Hussain, M .; Рейцма, Ф .; Субки, М. Х. и др. .: Достижения в разработке технологий малых модульных реакторов. Информационная система МАГАТЭ по усовершенствованным реакторам (ARIS), 2018 Поиск в Google Scholar

5 Minelli, P .; Buongiorno, J .; Голай, М. и др. .: Баланс станции и передачи энергии для морской плавучей атомной электростанции. 16-е Международное тематическое совещание по теплогидравлике ядерных реакторов (NURETH-16), 2015 г. Поиск в Google Scholar

6 Memmott, M.J .; Manera, A .; Boyack, J .; и др. .: Концепция системы теплоносителя первого контура интегрального безопасного по своей природе легководного реактора. Annals of Nuclear Energy 100 (2017) 53–67, DOI: 10.1016 / j.anucene.2016.08.016 Искать в Google Scholar

7 Wang, M .; Manera, A .; Меммотт, М. Дж .; Lee, J. C .; Qiu, S .: Эскизный проект системы защитной оболочки I 2 S-LWR. Annals of Nuclear Energy 145 (2020) 106065, DOI: 10.1016 / j.anucene.2018.03.014 Искать в Google Scholar

8 Strother, M.B .: Гидродинамический анализ морской плавучей атомной электростанции. Массачусетский технологический институт, 2015 г. Поиск в Google Scholar

9 Ян, Б. H .: Обзор теплогидравлических исследований ядерного реактора в движении океана. Ядерная инженерия и дизайн 313 (2017) 370–385, DOI: 10.1016 / j.nucengdes.2016.12.041 Поиск в Google Scholar

10 Huang, Z .; Gao, P.-Z .; Tan, S .; Она, Y.-J .: Анализ механизма влияния качения на теплопередачу.Атомная энергетика 31 (2010) 50–54 Искать в Google Scholar

11 Лю Ю. С .: Исследование характеристик пульсирующего потока в прямоугольном канале (докторская диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2011 г. Поиск в Google Scholar

12 Yan, B.H .; Ю., Л .; Ян, Ю. H .: Теоретическая модель ламинарного потока в канале или трубе в условиях океана. Преобразование энергии и управление им 52 (2011) 2587 –2597, DOI: 10.1016 / j.enconman.2011.01.007 Искать в Google Scholar

13 Qin, S .; Gao, P .: Влияние качения на силы, действующие на пузырьки в переохлажденном кипящем потоке. Nuclear Power Engineering 29 (2008) 20–23 Искать в Google Scholar

14 Ян Ц., Ян Ц., Сан L : Анализ дополнительной радиальной силы, действующей на пузырек, подверженный периодической силе. Наука и технологии в области атомной энергии 47 (2013) 2220–2224, DOI: 10.7538 / yzk.2013.47.12.2220 Искать в Google Scholar

15 Tan, S.С .: Влияние качения на теплогидравлические свойства ядерной циркуляции (кандидатская диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2006 г. Поиск в Google Scholar

16 Cao, X. X .: Влияние условий прокатки на структуру двухфазного потока в вертикальных трубах (докторская диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2006 г. Поиск в Google Scholar

17 Zhang, J. H .: Исследование структуры потока и характеристик сопротивления двухфазного потока воздух-вода при качении (Ph.D. диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2009 г. Поиск в Google Scholar

18 Jia, H .; Tan, S .; Гао, П., Ян, C .: Экспериментальное исследование характеристик сопротивления горизонтальному однофазному потоку воды в условиях нестационарного потока. Наука и технологии в области атомной энергии 45 (2011) 168–173 Искать в Google Scholar

19 Pendyala, R .; Jayanti, S .; Балакришнан А. Р .: Конвективный теплообмен в однофазном потоке в вертикальной трубе, подверженной осевым низкочастотным колебаниям.Тепломассообмен 44 (2008) 857–864, DOI: 10.1007 / s00231-007-0302-3 Искать в Google Scholar

20 Liu, Y. S .: Исследование характеристик пульсирующего потока в прямоугольном канале ( Докторская диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2011 г. Поиск в Google Scholar

21 Xie, Q .; Ян Ц .; Cao X .; и др. .: Характеристики однофазного потока в узком канале при качении. Наука и технологии в области атомной энергии 46 (2012) 294–298 Искать в Google Scholar

22 Xing, D.; Ян, Ц .; Вс, л .; и др. .: Влияние качения на сопротивление однофазному ламинарному потоку принудительной циркуляции с различным напором насоса. Annals of Nuclear Energy 54 (2013) 141–148, DOI: 10.1016 / j.anucene.2013.09.035 Искать в Google Scholar

23 Zhuang N, Tan S, Yuan H и др. .: Характеристики гидравлического сопротивления пульсирующего ламинарное течение в прямоугольных каналах. Annals of Nuclear Energy 73 (2014) 398–407, DOI: 10.1016 / j.anucene.2014.06.057 Искать в Google Scholar

24 Lan, S.; Тан С. С .: Характеристики теплопередачи в узком прямоугольном канале при качении. Международная конференция по ядерной инженерии. Американское общество инженеров-механиков, 2013 г., 55812: V004T09A106, DOI: 10.1115 / ICONE21-16584 Поиск в Google Scholar

25 Yu, Z .; Lan, S .; Юань, H .; и др. .: Характеристики колебаний температуры в мини-прямоугольном канале при качении. Прогресс в ядерной энергии 81 (2015) 203–216, DOI: 10.1016 / j.pnucene.2015.01.017 Искать в Google Scholar

26 Li, H .; Zhu, Q .; Wang, S .; и др. .: Перспектива создания малых модульных реакторов. Отчет о прогрессе в области ядерной науки и технологий в Китае (Том 3). Материалы ежегодного академического собрания Китайского ядерного общества в 2013 г., № 10 — Подтом «Экономика ядерных технологий и модернизация управления». 2014 Поиск в Google Scholar

27 Jin, G .; Ян, Ц .; Вс, л .; и др. .: Исследование переходного сопротивления пузырькового потока в прямоугольном канале при качательных движениях.Наука и технологии в области атомной энергии 46 доп. (2012) 255–258, DOI: 10.1063 / 1.4816847 Поиск в Google Scholar

28 Liu, X .; Huang, Y .; Ma, J .; и др. .: Характеристики сопротивления трению однофазного потока в узком прямоугольном канале при качении. Nucl. Мощность англ. 33 (2012) 54–58 Искать в Google Scholar

29 Fan, G .; Ян, Ц .; Cao, X .: Сравнительное исследование двухфазного потока и колебания перепада давления в прокатных и устойчивых вертикальных трубах.Прикладная наука и технологии 7 (2006) Поиск в Google Scholar

30 Луан, F .: Исследование влияния условий качения на газо-водяной поток в горизонтальных трубах (докторская диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2009 г. Поиск в Google Scholar

31 Zhang, J. H .: Исследование характера течения и характеристик сопротивления двухфазного потока воздух-вода при качении (докторская диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2009 г. Поиск в Google Scholar

32 Wang, C .: Исследование течения и теплообмена в прямоугольном канале в периодическом силовом поле (кандидатская диссертация). Харбинский инженерный университет, Харбин, Китай, 2013 г. Поиск в Google Scholar

33 Yan, C .; Ю, К .; Luan, F .; и др. .: Влияние качения на структуру двухфазного потока и паросодержание. Атомная энергетика 29 (2008) 35–38 Искать в Google Scholar

34 Iyori, I .; Inasaka, F .; Matsuoka, T .; и др. .: Основные расходные характеристики естественной циркуляции морских реакторов при наклонном положении.Материалы второго международного тематического совещания по теплогидравлике и эксплуатации АЭС. 1986 Поиск в Google Scholar

35 Iyori, I .; Aya, I .; Murata, H .; и др. .: Естественная циркуляция морского реактора интегрированного типа при наклонном положении. Ядерная инженерия и дизайн, 1987, 99: 423–430, DOI: 10.1016 / 0029-5493 (87)

-5 Искать в Google Scholar

36 Murata, H .; Sawada, K .; Кобаяси, М .: Характеристики естественной циркуляции морского реактора при качении и теплопередаче в активной зоне.Ядерная инженерия и дизайн 215 (2002) 69–85, DOI: 10.1016 / S0029-5493 (02) 00042-0 Искать в Google Scholar

37 Murata, H .; Sawada, K .; Кобаяши, М .: Экспериментальное исследование естественной конвекции в активной зоне морского реактора при качении. Journal of Nuclear Science and Technology 37 (2000) 509–517, DOI: 10.1080 / 18811248.2000.9714924 Искать в Google Scholar

38 Ishida, I .; Кусуноки, Т .; Мурата, Х. и др. .: Теплогидравлическое поведение морского реактора во время колебаний.Ядерная инженерия и дизайн 120 (1990) 213–225, DOI: 10.1016 / 0029-5493 (90) -7 Искать в Google Scholar

39 Ishida, I .; Кусуноки, Т .; Ochiai, M .; и др. .: Влияние морской волны на теплогидравлику морской реакторной системы. Journal of Nuclear Science and Technology 32 (1995) 740–751, DOI: 10.1080 / 18811248.1995.9731769 Искать в Google Scholar

40 Ishida, I .; Yao, T .; Тешима, N .: Эксперименты по динамике двухфазного течения морского реактора при вертикальном движении.Journal of Nuclear Science and Technology 34 (1997) 771–782, DOI: 10.1080 / 18811248.1997.9733741 Поиск в Google Scholar

41 Kim, J. H .; Park, G.C .: Разработка кода Retran-03 / mov для теплогидравлического анализа ядерного реактора в условиях кошения. Ядерная инженерия и технологии 28 (1996) 542–550 Искать в Google Scholar

42 Kim, J. H .; Kim, T.W .; Lee, S.M .; и др. .: Исследование характеристик естественной циркуляции реактора интегрального типа для вертикальных и наклонных условий.Ядерная инженерия и дизайн 207 (2001) 21–31, DOI: 10.1016 / S0029-5493 (00) 00417-9 Искать в Google Scholar

43 Yun, G .; Qiu, S. Z .; Su, G.H .; и др. .: Влияние условий океана на неустойчивость двухфазного потока в параллельной многоканальной системе. Annals of Nuclear Energy 35 (2008) 1598–1605, DOI: 10.1016 / j.anucene.2008.03.003 Искать в Google Scholar

44 Jiang, C. L .: Исследование рабочих характеристик морской атомной электростанции в океане движение (Ph.D. диссертация). Университет Цинхуа, 2002 г. Поиск в Google Scholar

45 Yan, B .; Ю., Л .: Теоретические исследования эксплуатационных характеристик судовой ядерной техники с естественной циркуляцией в условиях океана. Annals of Nuclear Energy 36 (2009) 733–741, DOI: 10.1016 / j.anucene.2009.02.005 Искать в Google Scholar

46 Tan C, Zhang H, Zhao H : Разработка кода состояния океана на основе RELAP5 . Атомная энергетика 30 (2009) 53–56 Искать в Google Scholar

47 He, L.; Ван, Б .; Xia, G .; и др. .: Исследование характеристик естественной циркуляции IPWR в условиях наклона и качения. Ядерная инженерия и дизайн 317 (2017) 81–89, DOI: 10.1016 / j.nucengdes.2017.03.033 Искать в Google Scholar

48 Месина, Г.Л .; Aumiller, D. L .; Бушман, Ф. X .; Кайл, М. Р .: Моделирование движущихся систем с помощью RELAP5–3D. Nuclear Science and Engineering 182 (2016) 83–95, DOI: 10.13182 / NSE15-3 Искать в Google Scholar

49 Li, Z. W .; Чжан, X.Y .; Chen, H.D .; и др. .: Подканальный анализ теплогидравлических характеристик PWR в условиях океана. Наука и технологии в атомной энергии 10 (2015) 1758–1765 Искать в Google Scholar

50 Wu, P .; Shan, J .; Сян, X .; и др. .: Разработка и применение кода подканала в океанской среде. Annals of Nuclear Energy 95 (2016) 12–22, DOI: 10.1016 / j.anucene.2016.04.030 Искать в Google Scholar

51 Khan, S.U.D .; Peng, M .; Хан, С.U. D .: Нейтронный анализ и анализ теплогидравлической связи интегрированного реактора с водой под давлением. International Journal of Energy Research 37 (2013) 1709–1717, DOI: 10.1002 / er.2981 Поиск в Google Scholar

52 Wang, Z. Y .; Ван, Г. H .: Справочник по методам моделирования в театре. GSE Power Systems, 2001 Поиск в Google Scholar

53 Ghadimi, P .; Bandari, H.P .; Ростами, A. B .: Определение вертикального и тангажного движений плавающего цилиндра путем аналитического решения его дифракционной задачи и изучения влияния геометрических параметров на его динамику в регулярных волнах.Международный журнал прикладных математических исследований, 2012 г., 1 (4): 611–633, DOI: 10.14419 / ijamr.v1i4.396 Поиск в Google Scholar

54 Li, R .: Исследование характеристик потока с естественной циркуляцией Водяной реактор в движении океана (кандидатская диссертация). Харбинский инженерный университет, 2014 г. Поиск в Google Scholar

КЛАССИФИКАЦИЯ КОТЛА

КЛАССИФИКАЦИЯ КОТЛА

Котлы значительно различаются по деталям и конструкции.Большинство котлов могут быть классифицированы и описаны с точки зрения нескольких основных характеристик или характеристик. Некоторое знание методов классификации дает полезную основу для понимание конструкции и конструкции различных типов морских котлов.

В следующих параграфах мы рассмотрели классификацию военно-морских котлы по назначению, расположению пожарных и водных пространств, типу циркуляции, устройства парового и водяного пространств, количества печей, расположение горелки, давление в топке, тип пароперегревателя, контроль перегрева, и рабочее давление.

ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Хорошим местом для начала классификации котлов является рассмотрение их предназначения. услуга. По такому способу классификации морские котлы делятся на два классы, ДВИГАТЕЛЬНЫЕ КОТЛЫ и ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КОТЛЫ. Пропульсивные котлы используются для обеспечения паром силовых установок судов и жизненно важных вспомогательных служб. Вспомогательные котлы установлены на дизельных судах и на многих паровых двигателях. боевые корабли. Они поставляют пар и горячую воду на камбуз, отопление и прочие гостиничные услуги и другие вспомогательные услуги в порту.

РАСПОЛОЖЕНИЕ ПОЖАРНЫХ И ВОДНЫХ ПРОСТРАНСТВ

Одна из основных классификаций котлов по относительной расположение пожарного и водного пространств. По такому способу классификации котлы делятся на два класса: КОТЛЫ ПОЖАРНЫЕ и КОТЛЫ ВОДЯНЫЕ. в топочные котлы, газы сгорания проходят через трубы и тем самым нагрейте воду, которая окружает трубки. В водотрубных котлах вода течет через трубы и нагревается газами сгорания, которые заполняют топку и нагрейте внешние металлические поверхности трубок.

Все маршевые котлы, применяемые на кораблях ВМФ, являются водотрубными. Вспомогательные котлы могут быть как жаротрубными, так и водотрубными.

ТИП ОБРАЩЕНИЯ

Водотрубные котлы классифицируются далее по методу воды. тираж. Водотрубные котлы могут быть отнесены к ЕСТЕСТВЕННЫМ ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ КОТЛАМ. или КОТЛЫ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ.

В котлах с естественной циркуляцией циркуляция воды зависит от разница между плотностью восходящей смеси горячей воды и пара и нисходящее тело с относительно прохладной и свободной от пара водой.Разница в плотность возникает из-за того, что вода расширяется при нагревании и, таким образом, становится меньше плотный. Другой способ описать естественное кровообращение — сказать, что оно вызвано конвекционными потоками, возникающими из-за неравномерного нагрева воды содержится в котле.

Естественная циркуляция может быть свободной или ускоренной. В котле со свободным естественная циркуляция, генераторные трубы установлены практически горизонтально, с небольшим наклоном к вертикали.Когда генерирующие трубки установлен под гораздо большим углом наклона, скорость циркуляции воды определенно увеличено. Поэтому котлы, в которых трубы достаточно наклонены, круто от парового барабана к водяному барабану имеют естественную циркуляцию ускоренный тип.

Большинство морских котлов предназначены для ускоренной естественной циркуляции. В таком котлов, большие трубы (диаметром 3 дюйма и более) устанавливаются между паровой барабан и водяной барабан.Эти большие трубы, или DOWNCOMERS, расположены вне печи и вдали от источников тепла сгорания. Они служат тропами для нисходящего потока относительно прохладной воды. Когда будет достаточно неудачников Установленные, все маленькие трубки могут быть генерирующими трубками, несущими пар и воду. вверх, и весь нисходящий поток может быть унесен с помощью нисходящих труб. Размер и количество количество установленных сливных стаканов варьируется от одного типа котла к другому, но сливные стаканы установлены на всех морских котлах.

Котлы с принудительной циркуляцией, как следует из их названия, существенно отличаются конструкция от котлов, использующих естественную циркуляцию. Котлы с принудительной циркуляцией зависят от насосов, а не от естественной разницы в плотности, так как циркуляция воды внутри котла. Поскольку котлы с принудительной циркуляцией не ограничивается требованиями, что горячая вода и пар должны течь вверх, в то время как более холодная вода течет вниз, множество вариантов расположения можно найти в котлах с принудительной циркуляцией.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ
Инженерное обучение

ЛИСТ НАЗНАЧЕНИЯ

БАЗОВЫЙ ПАРОВОЙ ЦИКЛ / КОТЛЫ

Номер присвоения 60B-102

ВВЕДЕНИЕ

Пар — это рабочее вещество, используемое для приведения в движение многих надводных кораблей, включая атомные и паровые корабли с традиционными двигателями. Центральное место в понимании работы парового двигателя занимает основной паровой цикл, процесс, в котором мы генерируем пар в котле, расширяем пар через турбину для извлечения работы, конденсируем пар в воду и, наконец, подаем воду обратно в котел. .Это достигается серией теплопередач и рабочих обменов по всей системе. Мы познакомим вас с основами морской силовой установки и вспомогательных котлов, рассмотрим основной паровой цикл и подробно рассмотрим основные компоненты этого цикла, уделяя особое внимание требуемым температурам и давлениям, а также тем, где добавляются и удаляются тепло и работа.

ТЕМА УРОКА ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Терминал Цель:

2.0 ОБЪЯСНИТЕ основы и принципы термодинамики и механики жидкости в отношении проектирования, строительства и эксплуатации оборудования машиностроительных заводов.(JTI: A)

Обеспечивающие цели:

2.10 ОПИСАТЬ теорию естественной циркуляции и ее применение к работе котла.

2.11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ конечных точек котла.

2.12 НАРИСИТЕ и НАКЛЕЙТЕ схему основного парового цикла, включающую функции следующих основных компонентов:

а. Котел.

г. Перегреватель.

г. Турбина высокого давления.

г.Турбина низкого давления (с задними элементами).

e. Главный конденсатор.

ф. Главный воздушный эжектор.

г. Главный конденсатный насос.

ч. Конденсатор эжектора главного воздуха.

I. Бак деаэрирующий питательный (DFT).

Дж. Подкачивающий насос основной подачи.

к. Главный питающий насос.

л. Экономайзер.

г. Судовой турбогенератор (ССТГ).

п. Выхлопной ствол турбины НД.

о. Хотвелл.

с. Узел понижающей передачи.

кв. Пароохладитель.

2.13 ОПИСАТЬ типы пропульсивных котлов:

а. 1200 фунтов на квадратный дюйм, однопечная D.

г. 600 фунтов на квадратный дюйм, однопечная D.

2.14 ОПИСАТЬ типы дополнительных котлов:

а. Водяная труба-естественная циркуляция.

г. Котлы-утилизаторы.

2.15 УКАЗАТЬ, какие системы / оборудование используют основной пар.

2.16 ОПИСАТЬ операции с перекрестными и раздельными соединениями.

2.17 УКАЗАТЬ нормальные рабочие значения следующих пунктов применительно к паровой силовой установке.

а. Температура и давление на выходе из пароохладителя.

г. Температура и давление на выходе перегревателя.

г. Температура выхлопа турбины НД.

г. Температура на выходе из конденсатора главного воздушного эжектора.

e. Давление и температура в питающем баке деаэрации.

ф. Давление нагнетания подкачивающего насоса основной подачи.

г. Давление нагнетания главного питающего насоса.

ч. Входная и выходная температура экономайзера.

I. Давление в главном конденсаторе.

Дж. Главный конденсатор вакуумный.

к. Температура горячего колодца главного конденсатора.

л. Давление в паровом барабане.

2.18 ОБСУЖДЕНИЕ температуры и давления на всех этапах основного парового цикла.

2.19 Не назначен; зарезервировано для использования в будущем.

2.20 Не назначен; зарезервировано для использования в будущем.

2.21 Не назначен; зарезервировано для использования в будущем.

НАЗНАЧЕНИЕ НА ИССЛЕДОВАНИЕ

1. Прочтите информационный лист 60B-102.

2. Кратко изложите информационный лист 60B-102, используя вспомогательные цели урока 60B-102 в качестве руководства.

3. Сценарии изучения ответов.

СЦЕНАРИИ ИЗУЧЕНИЯ:

Вы офицер котельной на борту двухконтурного двухвинтового корабля.Корабль в настоящее время находится в порту и находится в выбранной доступности.

1. У вас есть время, поэтому вы решили поработать над подготовкой к получению квалификации EOOW. Изобразите основной паровой цикл. Включите фазы и общие температуры и давления на протяжении всего цикла.

Читая свои записи, вы натолкнетесь на следующее описание работы котла: при зажигании котла вода проходит в паровой барабан, через нисходящие стаканы к водяному барабану и коллекторам и вверх через генераторную батарею обратно в паровой барабан. .

2. Если внутри котла нет насосов или направляющих клапанов, объясните, почему пароводяная смесь проходит через котел таким образом (конкретизировать).

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ

БАЗОВЫЙ ПАРОВОЙ ЦИКЛ / КОТЛЫ

Номер информационного листа 60B-102

ВВЕДЕНИЕ

Пар — это рабочее вещество, используемое для приведения в движение многих надводных кораблей, включая атомные и паровые корабли с традиционными двигателями.Центральное место в понимании работы парового двигателя занимает основной паровой цикл, процесс, в котором мы генерируем пара в котле, расширяем пар через турбину для извлечения работы, конденсируем пара в воду и, наконец, подать воды обратно в бойлер. Это достигается серией теплопередач и рабочих обменов по всей системе.

Мы познакомим вас с основами морской силовой установки и вспомогательных котлов, рассмотрим основной паровой цикл и подробно рассмотрим основные компоненты этого цикла, уделяя особое внимание требуемым температурам и давлениям, а также тем, где добавляются и удаляются тепло и работа.

ССЫЛКИ

(а) Элементы прикладной термодинамики, Роберт М. Джонсон и др.

(b) Принципы военно-морской техники NAVPERS 10788 серия

ИНФОРМАЦИЯ

  1. Котлы — котлы используются почти на всех военно-морских судах, либо для подачи пара в двигательные турбины, либо для подачи пара в гостиничных услугах, таких как обогреватели, водонагреватели, буфеты, прачечные и т. Д. военно-морской флот.Их можно классифицировать по-разному.
    1. Котлы можно классифицировать по расположению топочной и водяной секций.
      1. Водотрубные котлы — это котлы, в которых вода содержится в генерирующих трубах, а горячие дымовые газы проходят вокруг труб для их нагрева. К этому типу относятся пропульсивные котлы.
      2. Жаротрубные котлы направляют дымовые газы через трубы, окруженные водой. Некоторые вспомогательные котлы относятся к этому типу.
      3. Котлы также можно классифицировать по способу циркуляции воды в котле. В котлах с естественной циркуляцией используется конвекция для циркуляции воды в котле (рисунок 1). Относительно холодная вода поступает в паровой барабан из экономайзера и из-за своей более высокой плотности циркулирует вниз через сливные стаканы большого диаметра к водяному барабану и нижним коллекторам. Оттуда вода поднимается по генераторным трубам и начинает кипеть, превращаясь в пар. Для этого процесса насос не требуется.Разница плотностей жидкости перемещает рабочую жидкость.

      4. Естественная циркуляция может быть свободной или ускоренной в зависимости от крутизны угла наклона генерирующих труб и расположения труб, по которым более холодная вода направляется вниз. Котлы с ускоренной естественной циркуляцией имеют генераторные трубы с очень крутым наклоном.
      5. Принудительная циркуляция — это конфигурация котла, в которой для циркуляции воды через котел используется насос.Принудительная циркуляция в основном используется для вспомогательных котлов и наземных электростанций, где существует небольшая разница в спросе.

      Рисунок 1: Принцип естественной циркуляции

    2. Котлы обычно классифицируются в зависимости от предполагаемого использования. Пропульсивные котлы — это котлы, которые обеспечивают паром двигательные турбины и перемещают корабль по воде с помощью редукторов, вала и гребного винта. Существуют две основные конфигурации пропульсивных котлов, используемых сегодня на военно-морских судах: тип D на 1200 фунтов на кв. Дюйм и тип D на 600 фунтов на квадратный дюйм.1200 фунтов на квадратный дюйм и 600 фунтов на квадратный дюйм относятся к приблизительному давлению, при котором работают котлы. Тип D просто означает, что части сосуда под давлением котла вместе образуют форму, похожую на букву «D.»
      1. На большинстве судов пропульсивные котлы также вырабатывают пар при пониженном давлении для упомянутых выше гостиничных услуг. Например, на судах, не оснащенных паровыми, газотурбинными и дизельными двигателями, для подачи пара для гостиничных услуг все еще используются котлы определенного типа.Таких котлов бывает два типа:
        1. Вспомогательные котлы — это, как правило, меньшие по размеру, с более низким давлением версии пропульсивных котлов, в которых ископаемое топливо сжигается для нагрева труб котла. Суда класса LSD-41 и AOE-6 являются примерами судов, на которых используются вспомогательные котлы. Эти котлы состоят в основном из парового барабана и водяного барабана, которые соединены рядом генерирующих труб. Эти котлы не оборудованы пароперегревателями, пароохладителями или экономайзерами. Большинство этих котлов не оборудовано сливными трубами.Между водяным барабаном и паровым барабаном происходит естественная циркуляция через генерирующие трубы и сетчатые трубы. Самые задние генерирующие трубы действуют как нисходящие стаканы для подачи воды в оставшиеся генерирующие трубы и водяной барабан. Эксплуатация этих котлов сильно различается, необходимо использовать специальные инструкции по эксплуатации от производителя. (Рисунок 2)
        2. Рисунок 2: Вспомогательный котел

        3. Котлы-утилизаторы используют тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую при выбросе в атмосферу для нагрева воды и производства пара.Например, суда классов DD 963, DDG 993 и CG 47 используют отработавшие газы сгорания газотурбинных генераторов в качестве источника тепла для котлов-утилизаторов. Пар для судовых нужд генерируется котлами с принудительной циркуляцией воды трубчатого типа. Рециркуляция котловой воды обеспечивается циркуляционным насосом с высоким напором, который подает минимум 500 процентов избыточной воды при максимальной потребности в испарении. Трубы котла оребрены и расположены в виде спирального пучка. Выхлопные газы поступают в нижнюю часть котла и выводятся через боковую часть корпуса.(Рисунок 3)

      Рисунок 3: Котел-утилизатор

    3. Количество пара, которое может производить котел, ограничено. Если на котел подается чрезмерная потребность в паре, количество топлива или воздуха, которое может подаваться в котел, может быть физически ограничено. Это конечная точка горения, которая приведет к неправильному горению в топке котла. За пределами этой точки повышенная потребность в паре может фактически привести к выходу жидкой воды из котла вместе с паром.Это конечная точка уноса влаги, которая разрушительна для паровых труб, турбин и другого оборудования. В конце концов, чрезмерная потребность в паре может даже вызвать нарушение процесса естественной циркуляции, о котором говорилось ранее. Это конечная точка естественного кровообращения.
  2. Основной цикл подачи пара — это четырехфазный замкнутый цикл нагрева. Это означает, что жидкость в системе используется повторно, и в цикл необходимо добавить тепло. Тепло добавляется в топку или топку котла, где химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию дымовых газов, а вода кипятится, чтобы произвести пара.Этот пар расширяется в турбинах, преобразуя тепловую энергию пара в механическую энергию двигателей и другого оборудования с турбинным приводом, такого как турбогенераторы и главные питающие насосы. Этот пар выпускается в конденсатор , который охлаждает пар и превращает его в жидкость, которую можно снова прокачивать через систему. Этот конденсированный пар или конденсат деаэрируется и предварительно нагревается для удаления кислорода и хранится до тех пор, пока он не понадобится. Когда необходимо, вода, которая теперь называется питательной водой, повышается до надлежащего давления, чтобы ее можно было снова подать в цикл.Базовый паровой цикл показан на Рисунке 4. Следует понимать, что значения давления и температуры в следующем тексте и на Рисунке 4 являются репрезентативными для нормальных параметров в типичном паровом цикле 600 фунтов на квадратный дюйм. Фактические параметры зависят от конкретной конструкции судна и условий эксплуатации или конфигурации паровой установки. Используйте данные параметры в сравнительной манере, чтобы получить представление о конструкции и работе системы.
    1. Фаза генерации.
    2. Для генерации пара необходимо нагреть воду до точки кипения, добавив достаточно тепла, чтобы кипящая вода превратилась в пар. Тепло, необходимое для превращения кипящей воды в пар при любой заданной температуре кипящей воды, называется скрытой теплотой парообразования. Когда пар конденсируется обратно в воду и выделяется такое же количество тепла, это называется скрытой теплотой конденсации. Количество тепла, необходимое для преобразования кипящей воды в пар, или количество тепла, выделяемого при конденсации пара обратно в воду при температуре кипения, зависит от давления, под которым происходит процесс.
      1. Питательная вода поступает в паровой барабан котла через перфорированную внутреннюю подающую трубу. Подающая труба обеспечивает равномерное распределение входящей питательной воды (которая теперь называется котловой водой внутри котла) по всей длине парового барабана. Затем котловая вода проходит по сливным трубам между воздушными кожухами к водяному барабану. Когда вода движется вверх по генерирующим трубам, вода нагревается до точки кипения за счет лучистого тепла от топки котла. Смесь пар / вода повторно входит в паровой барабан при 490 ° F.Вода, которая не превратилась в пар, повторяет процесс. Пар направляется в сепараторы влаги в паровом барабане, чтобы удалить всю захваченную воду. Затем насыщенный пар по трубопроводу выводится из парового барабана в пароперегреватель.
      2. Чтобы приводить турбину в действие более эффективно и экономично, нам необходимо повысить уровень энергии пара. Мы достигаем этого путем перегрева насыщенного пара в пароперегревателе . Перегреватель обычно представляет собой четырехходовой теплообменник, расположенный ближе к пламени сгорания, чем генераторные трубы.Когда пар проходит через перегреватель, его температура повышается до 800-850F. Пар, выходящий из перегревателя, имеет давление 600 фунтов на квадратный дюйм и называется «перегретым» или, чаще, «основным» паром.
      3. Часть перегретого пара не будет использоваться для основных паровых систем и направляется в теплообменник, называемый пароохладителем . В зависимости от конструкции котла пароохладитель располагается либо в водяном, либо в паровом барабанах. Часть перегретого пара 800-850F проходит через пароохладитель и отдает часть (не всю) своего перегрева воде в паровом или водяном барабане.Пар выходит из пароохладителя примерно при 650 ° F. Хотя этот пар упоминается как «вспомогательный» или «пароохлаждаемый пар на 600 фунтов», он все же является перегретым. Этот пар будет использоваться в небольших вспомогательных турбинах (отсюда и название вспомогательный пар) или с пониженным давлением для других целей, таких как пар под давлением 150 фунтов на квадратный дюйм для воздушных эжекторов и распыления пара.
    3. Фаза расширения.
    4. Фаза расширения основного парового цикла — это когда пар расширяется в турбинах для преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращения в турбинах.В турбинах главного двигателя механическая энергия используется для привода гребного вала и гребного винта корабля. В судовых турбогенераторах (SSTG) эта механическая энергия вращения далее преобразуется в электрическую энергию в генераторе. Основная паровая система — это система трубопроводов, по которым пар от котла поступает к турбинам, использующим основной пар. Это всегда главные двигатели и SSTG, а иногда и главные питающие насосы (MFP).
      1. После выхода из пароперегревателя большая часть основного пара подается на турбины высокого и низкого давления главного двигателя (турбины высокого и низкого давления).Оставшийся основной пар используется в судовых турбогенераторах (SSTG) и в некоторых конструкциях главными питательными насосами (MFP). В турбинах тепловая энергия (увеличивающаяся за счет перегрева) преобразуется в механическую энергию, которая вращает турбины. Когда пар «расширяется» через турбины (т.е. его тепловая энергия преобразуется в механическую), давление и температура пара значительно снижаются.
      2. После того, как пар проходит через турбину низкого давления (турбину низкого давления), он попадает в главный конденсатор .Пар, проходящий через SSTG, поступает во вспомогательный конденсатор . В зависимости от количества пара, проходящего через турбины высокого и низкого давления (функция скорости двигателя), пар выходит из турбины низкого давления примерно при 100 ° F. В конденсаторе (теплообменнике) морская вода проходит по трубкам, а пар направляется по трубам. Когда пар соприкасается с охлаждающими трубками, пар отдает тепло (скрытую теплоту конденсации) морской воде и конденсируется в воду, называемую конденсатом.
    5. Фаза конденсации.
      1. Когда пар меняет фазу с пара на воду в главном и вспомогательном конденсаторах, эта вода называется конденсатом . Основной и вспомогательный конденсаторы работают под вакуумом, чтобы снизить температуру конденсации пара. Чем больше разница температур между источником тепла (котлом) и радиатором (конденсатором), тем выше эффективность системы. Проще говоря, чем больше разрежение в конденсаторе, тем эффективнее система.Когда пар конденсируется и покидает турбину низкого давления или выходит из нее, он становится частью конденсатной системы. Конденсатная система — это часть парового цикла, в которой пар конденсируется в воду и перекачивается из основного конденсатора в котел. Прежде чем его можно будет использовать в котле, его необходимо преобразовать в питательную воду, которая образуется в фазе питания. Тремя основными компонентами конденсатной системы по очереди являются главный конденсатор (включая горячий колодец), главные конденсатные насосы (обычно два) и конденсатор главного эжектора воздуха.
      2. Главный конденсатор представляет собой кожухотрубный теплообменник с перекрестным потоком, который принимает пар от турбины низкого давления и конденсирует его в воду. Главный конденсатный насос представляет собой центробежный насос, всасывающий из горячего колодца главного конденсатора и подающий конденсат в деаэрирующий питающий резервуар (DFT). Расход этого насоса регулируется устройством контроля погружения в конструкцию. Это означает, что уровень воды в горячем колодце регулирует расход насоса и давление нагнетания в зависимости от расположения насоса по отношению к горячему колодцу и размера трубопровода.
      3. Вакуум в конденсаторе измеряется в дюймах рт. Вакуум в конденсаторе создается за счет конденсации пара. Когда большой объем пара быстро конденсируется в небольшой объем воды, пространство, формально занимаемое паром, становится пустым или вакуумом. К сожалению, с паром смешано некоторое количество воздуха и других неконденсируемых газов, которые остаются после того, как пар конденсируется в воду.Эти газы необходимо удалить из конденсатора, чтобы сохранить вакуум. Для этой задачи воздушные эжекторы всасывают конденсатор для удаления воздуха и неконденсируемых газов. Главный эжектор воздуха всасывает основной конденсатор, а для каждого SSTG имеется вспомогательный эжектор воздуха . В любом конденсаторе нормой является разрежение 28-29 дюймов рт.ст. (0,5-1,0 фунт / кв. отвод конденсата из воздушного эжектора.Во время низких скоростей (скорость судна) образуется мало конденсата, и скорость потока конденсата, проходящего через конденсаторы эжектора воздуха, низкая. Температура конденсата на выходе увеличивается, поскольку он дольше остается внутри конденсатора, поглощая больше тепла. Когда температура превышает 140 ° F, TRV открывается, отправляя некоторое количество конденсата обратно в конденсатор, тем самым эффективно увеличивая расход конденсата через конденсатор воздушного эжектора, что снижает температуру нагнетания конденсата. При более высоких колоколах расход конденсата увеличивается (больше пара конденсируется = больше конденсата), и TRV рециркулирует мало конденсата или не рециркулирует его совсем.Хотя пар конденсируется в главном конденсаторе около 100 ° F, температура конденсата в горячем колодце может колебаться в пределах 100-130 ° F из-за смешивания с горячим конденсатом, рециркулируемым воздушным эжектором TRV.
      4. Конденсат собирается в нижней точке конденсатора, называемой горячим колодцем. Отсюда конденсат течет к одному или обоим основным конденсатным насосам (MCP) от основного конденсатора и к вспомогательному конденсатному насосу каждого вспомогательного конденсатора . Эти насосы нагнетают конденсат под давлением 20-25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы обеспечить достаточный напор для протекания через систему конденсата и преодоления давления в корпусе 15 фунтов на квадратный дюйм в деаэрирующем питающем резервуаре (DFT).
      5. После выхода из основного и вспомогательного конденсатных насосов конденсат попадает в DFT. DFT разделяет фазы конденсата и подачи. Его три основные функции: деаэрация конденсата путем освобождения его от увлеченного кислорода и воздуха, предварительный нагрев конденсата и накопление питательной воды для адаптации к изменениям в потребностях системы. Когда конденсат попадает в DFT, он разбрызгивается в верхний купол резервуара с помощью подпружиненных форсунок. Конденсат нагревается для предварительного нагрева воды перед ее поступлением в котел и для деаэрации воды.ТСП поддерживается на уровне 15 фунтов на квадратный дюйм, что поднимает точку насыщения водой примерно до 250F. Тепло облегчает выход кислорода и газов конденсата из раствора. Эта концепция называется «обратной растворимостью», что означает, что чем горячее становится жидкость, тем легче растворенным газам выходить из раствора. Здесь конденсатный туман нагревается за счет дополнительного выхлопа (выхлопной пар от турбин, не имеющих конденсаторов) и дренажей высокого давления (пар). Воздух поднимается вверх, где он откачивается из верхней части DFT, а бескислородный конденсат опускается в нижнюю часть DFT.
    6. Фаза подачи.
    7. Конденсат, который собирается в накопительной секции DFT, теперь называется питательной водой и становится источником пара для парового цикла. Он также обеспечивает положительный напор на всасывании для подкачивающих насосов основной подачи (MFBP) или основных питающих насосов (MFP), в зависимости от ситуации.
      1. Питательная вода в нижней части DFT подается по трубопроводу к главным подкачивающим насосам (MFBP). Эти насосы принимают всасывание на DFT и повышают статическое (или гравитационное) давление напора питательной воды с 15-25 фунтов на квадратный дюйм до 35-50 фунтов на квадратный дюйм, чтобы обеспечить положительную высоту всасывания для основного питающего насоса (MFP).Поскольку MFP является центробежным насосом, ему необходим положительный напор на всасывании, чтобы обеспечить достаточный поток для охлаждения насоса. MFBP обеспечивают эту положительную высоту всасывания для MFP, предотвращая кавитацию и мигание на всасывании MFP. На некоторых судах нет MFBP, потому что DFT физически расположен на значительном расстоянии над MFP. Из-за такой разницы по высоте статическое давление напора достаточно, чтобы обеспечить положительный напор всасывания для MFP.
      2. МФУ работают с переменной скоростью, чтобы поддерживать постоянное давление в системе питания котла.MFP нагнетает питательную воду в систему главного питающего трубопровода под давлением на 150-200 фунтов на кв. Дюйм, превышающим рабочее давление котла. Например, давление нагнетания MFP, нагнетаемого в котел, работающее под давлением 600-650 фунтов на квадратный дюйм, обычно составляет 750-850 фунтов на квадратный дюйм. Это давление нагнетания поддерживается во всей системе основного питающего трубопровода, однако объем воды, выпускаемой в котел, регулируется регулирующим клапаном питательной воды, который открывается или закрывается по мере необходимости для поддержания надлежащего уровня воды в котле.МФУ защищены от перегрева при очень низких скоростях пропаривания за счет рециркуляции некоторой части нагнетания обратно в DFT или на всасывание насоса.
      3. После того, как питательная вода покидает MFP, она проходит через теплообменник, расположенный в выхлопной трубе котла, который называется экономайзером . Экономайзер расположен в потоке горячих выхлопных газов, выходящих из котла, и использует горячие газы для передачи дополнительного тепла питательной воде, прежде чем она попадет в паровой барабан. За счет использования тепла выхлопных газов, которое в противном случае теряется, требуется меньше топлива (экономия) для повышения температуры воды до точки кипения.Питательная вода поступает в экономайзер из системы подачи примерно при 246–249 F и давлении 750–800 фунтов на кв. Дюйм. В зависимости от мощности котла, экономайзер передает примерно 100-200F от выхлопных газов в питательную воду, так что питательная вода поступает в котел примерно 350-450F. Поскольку вода была предварительно нагрета на протяжении фазы конденсации, бойлеру нужно только обеспечить достаточно энергии, чтобы поднять температуру воды примерно на 40-140 ° F для образования пара.
      4. Хотя основной паровой цикл представляет собой замкнутый цикл, это несовершенная система, и существуют различные потери питательной воды, которые необходимо восполнить.Предпринимаются все попытки восстановить рабочую жидкость с помощью таких средств, как сбор конденсированного пара в системах трубопроводов (называемых «стоками») в центральное место и перекачка его обратно в систему. Это центральное место известно как сборный резервуар для слива пресной воды (FWDCT). Даже несмотря на все усилия по извлечению рабочего тела, существуют потери из-за утечек и т. Д. Существуют также безвозвратные потери, связанные с кораблями, такие как паровое распыление мазутных горелок и удары котлов с поверхности и снизу.Эти потери компенсируются добавлением питательной воды в цикл через конденсаторы. Эта подпиточная вода (MUF) — это просто качественная питательная вода, которая хранится в резервуарах и вводится в цикл по мере необходимости. Уровень воды DFT определяет количество MUF, необходимое системе.
    8. Конфигурации паровых установок сильно различаются по сложности: от тендерных эсминцев с двумя котлами и одним главным двигателем до авианосцев с четырьмя главными машинными отделениями, восемью котлами и четырьмя главными двигателями.
      1. На кораблях с несколькими силовыми установками, таких как авианосцы и десантные корабли, пар может производиться одним котлом и согласовываться с одним главным двигателем и SSTG (ами) в одном помещении, а другой котел в другом помещении может питать другое главный двигатель и SSTG в этом пространстве. Это называется режимом сплит-установки. Для судов с более чем одной силовой установкой это нормальное выравнивание. Это означает, что авария котла влияет только на половину подвижности корабля и вспомогательного оборудования.
      2. На этих судах с несколькими установками котлы в одном помещении могут быть выровнены для подачи пара на все работающее оборудование на обеих установках. Это называется операцией кросс-соединения. Это позволяет использовать один котел для пропаривания двух установок, но также означает, что авария одного котла может повлиять на все работающее оборудование.

Рисунок 4: Основной цикл пара

Естественный конвекционный поток наножидкости в наклонном квадратном корпусе, частично заполненном пористой средой

, 1 , 2, 3 , 1 и 1

А.I. Alsabery

1 Центр математических наук и данных, факультет науки и технологий, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 UKM Bangi Selangor, Малайзия

AJ Chamkha

2 Департамент машиностроения, принц Мохаммад бин Фахд Университет, Аль-Хобар, 31952 Саудовская Аравия

3 Фонд принца Султана по вопросам энергетики и окружающей среды, Университет принца Мохаммада бин Фахда, PO Box 1664, Al-Khobar, 31952 Саудовская Аравия

H.Салех

1 Центр математических наук и наук о данных, факультет науки и технологий, Университет Кебангсаан, Малайзия, 43600 UKM Bangi Selangor, Малайзия

I. Hashim

1 Центр математических наук и наук о данных, факультет Наука и технологии, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 UKM Bangi Selangor, Malaysia

1 Центр математических наук и данных, факультет науки и технологий, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 UKM Bangi Selangor, Малайзия

2 Департамент Машиностроение, Университет принца Мохаммада бин Фахда, Аль-Хобар, 31952 Саудовская Аравия

3 Фонд принца Султана по вопросам энергетики и окружающей среды, Университет принца Мохаммада бин Фахда, П.О. Box 1664, Al-Khobar, 31952 Саудовская Аравия

Автор для переписки.

Поступило 4 марта 2016 г .; Принято 10 апреля 2017 г.

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или любом формате, при условии, что вы должным образом укажете автора (авторов) и источник, укажите ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения.Изображения или другие материалы третьих лиц в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной линии для материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons для статьи и ваше предполагаемое использование не разрешено законодательными актами или превышает разрешенное использование, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Эта статья цитируется в других статьях PMC.

Abstract

В данной работе анализируется свободноконвекционное течение наножидкости в наклонном квадратном корпусе, состоящем из пористого слоя и слоя наножидкости, с использованием методологии конечных разностей. Граничные условия синусоидальной температуры накладываются на две противоположные вертикальные стенки. Наножидкости с водой в качестве основы и наночастицами Ag, Cu или Al 2 O 3 или TiO 2 рассматриваются для решения этой проблемы. Связанными параметрами этого исследования являются число Дарси, объемная доля наночастиц, отклонение фазы, отношение амплитуд, толщина пористого слоя и угол наклона полости.Проведено сравнение с ранее опубликованными работами, результаты хорошо согласуются. Представлены подробные численные данные о потоке жидкости и тепловом распределении внутри квадратного корпуса, а также числа Нуссельта. Полученные результаты показывают, что на теплоотдачу существенное влияние оказывает прирост пористого слоя. Несколько наночастиц показали улучшение разнообразия конвективной теплопередачи.

Введение

Исследования свободного конвективного течения жидкости и теплопередачи в областях пористой среды привлекли значительное внимание в последние несколько лет, и их результаты приобретают все большее значение.Это связано с их способностью решать широкий спектр экологических ситуаций или промышленных применений, таких как геотермальные системы, теплоизоляция, процессы фильтрации, загрязнение грунтовых вод, хранение ядерных отходов, процессы сушки, отверждение отливок, хранение сжиженных газов, рост биопленки, топливные элементы. Проблема движения жидкости в прозрачной области и в пористой среде изучается в течение многих лет. Биверс и Джозеф 1 представили простую ситуацию граничных условий между пористой средой и однородной жидкостью.Poulikakos и др. . 2 считается высоким значением Рэлея при свободной конвекции в жидкости, покрывающей пористый слой, с использованием модели Дарси. Между тем, Beckermann et al . 3 исследовали свободноконвективное течение и теплопередачу между слоем жидкости и пористым слоем внутри прямоугольной полости. Свободный конвективный тепломассоперенос при затвердевании был изучен Беккерманом и др. . 4 . С другой стороны, Чен и Чен 5 исследовали конвективную устойчивость в наложенном друг на друга жидком и пористом слое при нагревании снизу.Теплопередача и поток жидкости через волокнистую изоляцию были изучены Ле Бретоном и др. . 6 . Сингх и Торп 7 представили сравнительное исследование различных моделей свободной конвекции в замкнутой жидкости и вышележащем пористом слое. Проблема с изучением обмена растворенными веществами за счет конвективных осадков в устьевых отложениях рассматривалась Webster и др. . 8 . Гойо и др. . 9 обсуждалась проблема использования одно- или двухдоменных формулировок для уравнений сохранения.Между тем, Гобин и др. . 10 проанализировали указанный подкласс таких задач, где свободная конвекция занимает место в замкнутой полости с частично насыщенной пористой средой. Нессрин и др. . 11 применили модель не-Дарси для изучения характеристик потока и теплопередачи в пористой среде, насыщенной трубой. Sui и др. . 12 аналитически использовал метод гомотопического анализа для изучения конвективной теплопередачи и пограничного слоя в степенной жидкости через движущийся конвейер и наклонную пластину.Их результаты показали, что увеличение угла наклона явно улучшает скорость теплопередачи.

Бхаттачарья и Дас 13 рассмотрели численно различные значения чисел Рэлея и Нуссельта для естественного конвективного потока в полости квадратной формы. Теплоносители очень важны для передачи тепла во многих промышленных приложениях. Плохая теплопроводность классических жидкостей-теплоносителей, таких как вода и масла, является фундаментальным ограничением в улучшении рендеринга и компактности некоторых инженерных приложений.Твердое тело обычно имеет большую проводимость, чем жидкость, например, теплопроводность меди (Cu) в 700 раз выше, чем у воды, и в 3000 раз больше, чем у моторного масла. Новым механизмом улучшения теплопередачи является использование твердых частиц в базовой жидкости (то есть наножидкостей) в области размером 10–50 нм 14 . Благодаря небольшим размерам и большой площади поверхности наночастиц, наножидкости обладают выдающимися характеристиками, такими как повышение теплопроводности, меньшая блокировка при прохождении потока жидкости, более длительная стабилизация и однородность 15 .Следовательно, наножидкости имеют огромную область возможных применений, например, в автомобилях, электронике и ядерных приложениях, где желательны улучшенная теплопередача и эффективное рассеивание тепла. Ramiar и др. . 16 изучал влияние осевой проводимости и переменных свойств на сопряженную теплопередачу наножидкости в микроканале. Сундар и др. . 17 исследовали увеличение теплопроводности и вязкости нанокомпозитных наножидкостей наноалмаз-никель.Арани и др. . 18 исследовали свободную конвекцию в заполненной наножидкости квадратной полости. Чамха и Исмаэль 19 впервые провели численное исследование для решения проблемы дифференциально нагретой и частично слоистой вертикальной пористой полости, заполненной наножидкостью при свободной конвекции, впервые с использованием модели Дарси-Бринкмана. Sui и др. . 20 представили экспериментальное исследование многоуровневой эквивалентной модели агломерации для увеличения теплопроводности в наножидкостях.Зараки и др. . 21 теоретически применил метод конечных разностей для исследования эффектов размера, формы, типа наночастиц, типа базовой жидкости, рабочей температуры тепла свободного конвективного пограничного слоя и массопереноса наножидкостей. Линь и др. . 22 провели численное исследование магнитогидродинамического потока неньютоновских наножидкостей и теплопередачи внутри конечной тонкой пленки и с эффектом тепловыделения.Они использовали четыре различных типа наночастиц и пришли к выводу, что локальное число Нуссельта уменьшается за счет увеличения объемной доли твердого вещества. Хамид и др. . 23 использовал модель Буонджорно для исследования течения наножидкости через проницаемый растягивающийся / сжимающийся лист в точке застоя неровностей. На основании закона Дарси, Zhang et al . 24 численно рассмотрели химические эффекты на поток в пограничном слое и теплопередачу внутри пластины с пористой средой, насыщенной жидкостью и тремя видами наночастиц.Тем не менее исследование свободноконвективного течения наножидкости в квадратной полости, частично состоящей из пористой среды, на основе модели Дарси до сих пор не проводилось.

В последнее время проблемы свободной конвекции в ограждениях для различных температурных условий вызывают огромный интерес в результате разнообразных исследований. Саррис и др. . 25 исследовали свободную конвекцию в закрытой полости, когда верхняя стенка имеет синусоидальный температурный режим, в то время как остальные стенки остаются изолированными.Саид и Яакоб 26 изучали свободную конвективную теплопередачу в корпусе с переменной температурой горячей левой стенки и постоянной температурой холодной правой стенки. Билген и Йеддер 27 исследовали свободную конвективную теплопередачу в прямоугольном корпусе, когда левая вертикальная стенка корпуса имеет синусоидальное распределение температуры, а остальные стенки были адиабатическими. Дэн и Чанг 28 численно обсудили конвективную теплопередачу в полости прямоугольной формы, когда вертикальные стенки нагреваются с использованием переменных синусоидальных температур.Sathiyamoorthy и Chamkha 29 31 исследовали конвекционный поток в камере с линейно-вертикальными нагреваемыми стенками. Бхуванесвари и др. . 32 рассматривается МГД-конвекция в квадратном корпусе с синусоидальными температурными полями на обеих вертикальных стенках. Чамха и др. . 33 исследовали магнитогидродинамическую конвекцию в прямоугольном корпусе вместе с линейно сосредоточенными и вертикальными нагретыми стенками.Cheong и др. . 34 провели исследование влияния соотношения сторон на свободную конвекцию в наклонном прямоугольном корпусе с синусоидой на вертикальной левой стене. Кефаяти и др. . 35 применили методологию Решетки Больцмана для изучения магнитоконвекционного потока наножидкости в полости. Бен-Шейх и др. . 36 проанализировал поток свободной конвекции наножидкости в квадратном корпусе, нагретом переменным температурным полем внутри нижней горизонтальной стенки.Бухаллеб и Аббасси 37 использовали метод конечных элементов для решения проблемы свободного конвективного течения наножидкости в наклонном прямоугольном корпусе с синусоидальным тепловым условием на правой вертикальной границе. Однако тема свободной конвективной жидкости и теплового потока в частично насыщенной пористой среде корпуса с синусоидальными температурами нагрева на стенках еще не рассматривалась. Целью данной работы является изучение влияния естественного конвективного потока Дарсиана наножидкости и характеристик теплопередачи в наклонной квадратной камере с частично насыщенным пористым слоем с использованием синусоидальных граничных условий.

Математическая постановка

Мы рассматриваем стационарный 2D свободно конвективный поток жидкости и тепла в прямоугольном корпусе длиной L , левая часть полости заполнена пористым слоем W , а остальная часть полости ( L W ) заполнен наножидкостью, как показано на рис. Вертикальные стенки корпуса нагреваются неравномерно (синусоидальная температура), а верхняя и нижняя горизонтальные стенки являются адиабатическими.Внешние границы считаются непроницаемыми, в то время как границы слоя наножидкости считаются проницаемыми. Поры заполнены жидкостью, состоящей из наночастиц Ag, Cu или Al 2 O 3 или TiO 2 в воде в качестве базовой жидкости. Согласно приближению Буссинеска, физические свойства жидкости фиксированы, но меняются в зависимости от плотности. При сделанных выше предположениях уравнения сохранения массы, Дарси и уравнения энергии для установившейся свободной конвекции для пористого и наножидкостного слоев будут рассматриваться отдельно 38

∂up∂y − ∂vp∂x = Kpβpgν (∂ Tp∂xcosϕ − ∂Tp∂ysinϕ),

2

up∂Tp∂x + vp∂Tp∂y = α (∂2Tp∂x2 + ∂2Tp∂y2).

3

Уравнения сохранения массы, импульса и энергии для слоя наножидкости:

∂unf∂x + ∂vnf∂y = 0,

4

un∂unf∂x + vnf∂unf∂y = −1ρnf∂pnf∂x + νnf (∂2unf∂x2 + ∂2unf∂y2) + βnfg (Tnf − Tc) sinϕ,

5

undevnf∂x + vf∂vnf∂y = −1ρnf∂pnf∂ y + νnf (∂2vnf∂x2 + ∂2vnf∂y2) + βnfg (Tnf − Tc) cosϕ,

6

undeTnf∂x + vnf∂Tnf∂y = αnf (∂2Tnf∂x2 + ∂2Tnfy) ,

7

, где u и v — компоненты скорости в направлении x и y , индексы p , bf и nf относятся к твердой матрице. из пористой среды, прозрачная жидкость в пористой среде (вода) и наножидкость, насыщенная в пористой среде. p — давление, ν — кинематическая вязкость, φ — угол наклона полости, T — размерная температура, K p — проницаемость пористой среды, g, — ускорение свободного падения, ϕ — объемная доля твердой фазы, k nf представляет собой эффективную теплопроводность наножидкости, ρ nf обозначает эффективную плотность наножидкости, мкм nf — эффективная динамическая вязкость наножидкости, и все эти величины определены ниже:

αnf = knf (ρCp) nf, ρnf = (1 − φ) ρbf + φρsp, μnfμbf = 1 (1 − φ) 2.5.

8

Тепловая емкость наножидкостей может быть определена с помощью

( ρ C p ) n f = (1 — ρ C p ) b f + φ ( ρ C p ) s p.

9

Физическая модель свободной конвекции в замкнутом пространстве с координатами x и y и углом наклона.

Коэффициент теплового расширения наножидкости определяется как

βnf = (1 − φ) (β) bf + φβsp,

10

( ρ β ) n f = (1 — φ ) ( ρ β ) b f + φ ( ρ β ) s p .

11

Теплопроводность наножидкости по модели Максвелла-Гарнетта (MG) приведена ниже:

knfkbf = ksp + 2kbf − 2φ (kbf − ksp) ksp + 2kbf + φ (kbf − ksp).

12

В терминах функции тока ψ и завихренности ω , которые обычно определяются как:

u = ∂ψ∂y, v = −∂ψ∂x,

13

ω = ∂v∂x − ∂u∂y,

14

, а также ввести следующие безразмерные переменные:

X = xL, Y = yL, Ω = ωL2αbf, Ψ = ψαbf, θnf = Tnf− TcTh − Tc, θp = Tp − TcTh − Tc.

15

Безразмерные определяющие уравнения для пористого слоя:

∂2Ψp∂X2 + ∂2Ψp∂Y2 = RabfDa (∂θp∂Xcosϕ − ∂θp∂Ysinϕ),

16

∂Ψp∂X ∂θp ∂Y − ∂Ψp∂Y∂θp∂X = kpknf (∂2θp∂X2 + ∂2θp∂Y2).

17

Безразмерные определяющие уравнения для слоя наножидкости можно записать как:

∂2Ψnf∂X2 + ∂2Ψnf∂Y2 = −Ωnf,

18

∂Ψnf∂Y∂Ωnf∂X − ∂Ψnf∂X ∂Ωnf∂Y = μnfμbf [Prbf (1 − φ) + φρspρbf] (∂2Ωnf∂X2 + ∂2Ωnf∂Y2) + βnfβbfRabfPrbf (∂θnf∂Xcosϕ − ∂θnf∂Ysinϕ),

∂Ysinϕ θnf∂X − ∂Ψnf∂X∂θnf∂Y = (ρCp) bf (ρCp) nfknfkbf (∂2θnf∂X2 + ∂2θnf∂Y2),

20

где R a b = г ρ b f β b f ( T h 3 / ( μ b f α b f ) представляет собой число Рэлея воды, Da = K / L 2 — число Дарси для пористого слоя, а Pr = ν f / α f обозначает число Прандтля воды.Безразмерные граничные условия для решения уравнений ( 16 ) — ( 20 ) следующие:

Ω = −∂2Ψ∂X2, θl = θp = sin (2πY) atX = 0,

21

Ω = — ∂2Ψ∂X2, θr = θnf = εsin (2πY + γ) atX = 1,

22

Ω = −∂2Ψ∂Y2, ∂θp∂Y = ∂θnf∂Y = 0atY = 0, Y = 1,

23

и на границе раздела с использованием условий согласования, предложенных Биверсом и Джозефом 1

∂Ψ + ∂X = ∂Ψ − ∂X, ∂2Ψ + ∂X2 = α¯ (∂Ψ + ∂X − ∂Ψ − ∂X) / Da, θ | X = s + = θ | X = s−, knf∂θnf∂Xs + = kp∂θp∂Xs−, Ω + = — ∂2Ψ + ∂X2 + ∂2Ψ + ∂Y2.

24

В нашем исследовании значение α¯fix равно 1, а нижние индексы + и — показывают, что соответствующие величины оцениваются при приближении к границе раздела от наножидкостного и пористого слоев соответственно.

Местное число Нуссельта для обеих вертикальных стен, которые определяются, соответственно, как

Nul = — (∂θp∂X) X = 0,

25

Nur = — (∂θnf∂X) X = 1 .

26

Жидкость будет получать тепло от наполовину нагретой вертикальной боковой стенки, что дает Nu > 0.Однако жидкость имеет тенденцию терять тепловой нагрев от полуохлажденной вертикальной боковой стенки и, следовательно, Nu <0. Сложение средних чисел Нуссельта двух нагретых частей вертикальных границ даст скорость теплопередачи полости, учитывая как 39 :

Nu¯nf = (knfkbf) [∫heatinghalfNuldY + ∫heatinghalfNurdY].

27

Численный метод и проверка

В данной работе методология конечных разностей (FD) используется для решения безразмерных управляющих уравнений ( 16 ) — ( 20 ) с соответствующими граничными условиями ( 21 ) — ( 24 ) в зависимости от метода неявного переменного направления (ADI) и алгоритма трехдиагональной матрицы (TDMA).Численные результаты текущего исследования сравниваются с результатами, представленными Сингхом и Торпом 7 , демонстрируют очень хорошую валидацию путем расчета значений Nu¯ с различными значениями числа Рэлея и толщины слоя жидкости ( D ) с фиксированная температура для вертикальных стен при Da = 10 −4 , ϕ = 0 и φ = 0, как показано в таблице. Кроме того, мы также сравнили настоящие цифры с данными Сингха и Торпа 7 для Ra = 10 6 , Da = 10 −5 , ϕ = 0, S = 0.5 и φ = 0, как показано на рис. Кроме того, мы сравнили текущие цифры с цифрами, представленными Дэном и Чангом 28 для чистой жидкости (Pr = 0,71), как показано на рис. На рисунке показаны результаты этой статьи с соответствующими рисунками, представленными Дэном и Чангом 28 для синусоидальных граничных условий на обеих боковых стенках при Ra = 10 5 , γ = π4, ε = 1, ϕ = 0, S = 0 и φ = 0.Эти результаты данных обеспечивают надежность для измерения точности текущей численной методологии.

Таблица 1

Сравнение Nu¯ для модели Дарси для пористой среды с горизонтальным разделением при постоянной температуре левой и правой стенки для Da = 10 −4 и ϕ = 0.

Ra D Сингх и Торп 7 Настоящее время
10 4 0.3 1.061 1.063
10 4 0,5 1,548 1,550
10 5 0,3 2,190 2,191 2,190 2,191 0,5 3,376 3,377
10 6 0,3 5,432 5,432
10 6 0,5 6.950 6.949

Streamlines ( a ), Singh and Thorpe 7 (слева), настоящее исследование (справа), изотермы ( b ), Singh and Thorpe 7 слева), настоящее исследование (справа) для Ra = 10 6 , Da = 10 −5 , ϕ = 0, S = 0,5, φ = 0 и Pr = 0,71.

Линии тока ( a ), Дэн и Чанг 28 (слева), настоящее исследование (справа), изотермы ( b ), Дэн и Чанг 28 (слева), настоящее исследование (справа) ) для ϕ = 0, φ = 0 и Pr = 0.71.

Результаты и обсуждение

В этой части мы приводим численные результаты для линий тока пористых / наножидкостных слоев и изотерм пористых / наножидкостных слоев с различными значениями числа Дарси (10 −5 Da ≤ 10 −3 ), объемная доля наночастиц (0 ≤ ϕ ≤ 0,2), фазовое отклонение, (0 ≤ γ π ), отношение амплитуд, (0 ≤ ε ≤ 1 ), толщина пористого слоя (0,1 ≤ S ≤ 0.9), угол наклона полости (0 ° ≤ φ ≤ 90 °), число Рэлея ( Ra bf = 10 4 , 10 5 ) и число Прандтля ( Pr bf = 6,2). Значения среднего числа Нуссельта вычислены для различных значений φ и S . В таблице перечислены жидкости на водной основе ( Pr bf = 6.2) с теплофизическими свойствами рассматриваемых наночастиц.

Таблица 2

Термофизические свойства воды с Ag, Cu, Al 2 O 3 и TiO 2 .

Физические свойства Вода Ag Cu Al 2 O 3 TiO 2
С p (Дж / кг · К) 4179 235 383 765 686.2
ρ (кг / м 3 ) 997,1 10500 8954 3600 4250
к (Wm −1 K −1 ) 0,6 429 400 46 8.954
β × 10 −5 (1 / K) 21 5,4 1,67 0,63 2,4

Рисунки и демонстрируют влияние нескольких значений γ на линии тока и изотермы для различных значений толщины пористого слоя ( S = 0.2, 0,6 и 0,8) для воды – Cu при Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ε = 1 и φ = 0 °. Нагрев вертикальных стенок корпуса с использованием аналогичных температурных профилей ( γ = 0) явно влияет на характеристики потока. При меньшей толщине пористого слоя ( S = 0,2) течение внутри полости появляется с двумя симметричными ячейками рядом с левой стенкой (одна против часовой стрелки, а другая — по часовой стрелке) и двумя симметричными ячейками справа. вертикальная стена.Где положительный знак обозначает тепловой поток жидкости против часовой стрелки, отрицательный знак Ψ обозначает тепловой поток жидкости по часовой стрелке. Когда линии тока циркулировали в виде вихрей по часовой стрелке (отрицательные знаки), сила циркуляции потока была обозначена как Ψ мин . Добавление 0,1 наночастиц Cu не способствует движению потока из-за неравномерного нагрева стенок. Снижение силы циркуляции потока отчетливо проявляется при применении наножидкости (см. Ψ мин. значения).Интенсивность линий тока сильно проявляется в слое наножидкости с двумя симметричными циркуляционными ячейками с приращением пористого слоя. Интенсивность картины изотерм увеличивается с увеличением толщины пористого слоя. Под влиянием сопротивления гидродинамики пористого слоя сила циркуляции потока уменьшается с увеличением пористого слоя до максимального значения ( S = 0,8), как показано на фиг. По мере увеличения отклонения фазы (γ = π4) структура потока значительно улучшается.Ячейка для обтекания по часовой стрелке почти захватывается в полость, а ячейка с обтекаемой по часовой стрелке ячейкой оказывается у нижней стенки. Сила циркуляции потока увеличивается с увеличением отклонения фазы из-за минимально возможной толщины пористого слоя. Сила циркуляции потока увеличивается с добавлением наночастиц Cu (см. Значения Ψ мин. ). Увеличение отклонения фазы до π может замедлить поток с двумя аналогичными ячейками линий тока для всех значений S .Интенсивность рисунка изотерм имеет тенденцию быть более разбросанной внутри полости, как показано на фиг.

Эволюция линий тока на γ и S для Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ε = 1, φ = 0 °, ϕ = 0 (сплошные линии) и ϕ = 0,1 ( пунктирные линии).

Эволюция изотерм по γ и S для Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ε = 1, φ = 0 °, ϕ = 0 (сплошные линии) и ϕ = 0.1 (пунктирные линии).

На рисунках и иллюстрациях влияние различных значений отношения амплитуд на линии тока и изотермы для различных значений числа Дарси ( Да = 10 −5 , 10 −4 и 10 −3 ) для воды –Cu в Ra bf = 10 5 , γ = π2, S = 0,5 и φ = 0 °. Влияние постоянной температуры ( ε = 0) на движение потока и профили температуры представлены на рис.Линии тока в корпусе показывают две симметричные ячейки в верхней и нижней частях слоя наножидкости в корпусе. Это связано с отсутствием ε на правой вертикальной стенке. Мы наблюдали сильное влияние на поведение потока за счет увеличения числа Дарси из-за увеличения силы плавучести или интенсивности конвекции. Две линии тока в симметричных ячейках имеют тенденцию расширяться по мере движения к пористому слою. Такое поведение явно проявляется в наножидкости по сравнению с чистой жидкостью.Следовательно, сила циркуляции потока увеличивается вместе с изменением числа Дарси. Под влиянием постоянной температуры на правой стенке распределения изотерм появляются ближе к левой стенке полости. На поведение потока явно влияет низкое значение отношения амплитуд ( ε = 0,3) и число Дарси, которые используются в качестве линий тока, определяющих три различные ячейки в полости. В центре полости отчетливо видна основная ячейка с циркуляцией по часовой стрелке, в то время как две вторичные ячейки с циркуляцией против часовой стрелки располагаются ближе к адиабатическим стенкам.Когда Da = 10 -3 , сила циркуляции потока увеличивается с добавлением наночастиц из-за приращения кинетической энергии. Очевидно, что искажение структуры потока при более высоком соотношении амплитуд (1) связано с неоднородной температурой на вертикальных стенках. Интенсивность и количество картин изотерм увеличивались вдоль левой и правой стенок из-за увеличения отношения амплитуд, как показано на фиг.

Эволюция обтекания на ε и Da для Ra bf = 10 5 , γ = π2, S = 0.5, ϕ = 0 °, ϕ = 0 (сплошные линии) и ϕ = 0,1 (пунктирные линии).

Эволюция изотерм по ε и Da для Ra bf = 10 5 , γ = π2, S = 0,5, φ = 0 °, ϕ = 0 (сплошные линии) и ϕ = 0,1 (пунктирные линии).

На рисунках и демонстрации влияния угла наклона кожуха на линии тока и изотермы для различных значений фазового отклонения ( γ = 0, γ = π2 и γ = π ) для вода – Cu при Ra. bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ε = 1 и S = 0.5. Структура потока и температурные профили в отсутствие угла наклона ( φ = 0 °) показаны на рис. И. Подобно предыдущим результатам, поток внутри полости появляется с двумя симметричными ячейками в верхнем и нижнем сегментах слоя наножидкости. Увеличение значения фазового отклонения приводит к изменению поведения потока, на которое влияет неоднородный температурный профиль на вертикальных стенках полости. Линии тока выделяют состав потока трех различных ячеек, расположенных в центре каверны и вблизи адиабатических стенок.По мере увеличения фазового отклонения сила циркуляции потока увеличивается с добавлением наножидкости (см. Ψ мин. значения). На изотермы явно влияет приращение отклонения фазы из-за улучшения теплопередачи. Мы наблюдаем значительные изменения в структуре потока, применяя меньшее значение угла наклона ( φ = 30 °), линии тока выглядят как ячейка, вращающаяся по часовой стрелке внутри слоя наножидкости. Другими словами, введение меньшего значения угла наклона заставляет линии тока выглядеть как единичная вращающаяся ячейка, которая подобна постоянному распределению температуры.При более высоком значении отклонения фазы ( γ = π ) поведение потока значительно ухудшается. Циркуляция линий тока характеризуется единственной ячейкой, вращающейся против часовой стрелки. Увеличение угла наклона до большего значения ( φ = 90 °) приводит к перераспределению линий тока и изотерм. Причина такого поведения связана с силой тяжести, толкающей поток жидкости, и изменения направления потока кажутся похожими на постоянный нагрев снизу, как показано на рис.

Эволюция линий тока на φ и γ для Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ε = 1, S = 0,5, ϕ = 0 (сплошные линии) и ϕ = 0,1 (штриховые линий).

Эволюция изотерм по φ и γ для Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ε = 1, S = 0.5, ϕ = 0 (сплошные линии) и ϕ = 0,1 (штриховые линии).

На рисунке показано влияние различных наночастиц на абсолютные нижнее и верхнее значения силы линий тока с объемными долями наночастиц для Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , γ = π2, ε = 1, S = 0,5 и φ = 0 °. Рисунок ясно показывает, что абсолютное более низкое значение силы циркуляции потока увеличивается с добавлением наножидкости.Это происходит из-за увеличения силы вязкости и силы инерции. Сильное увеличение прочности линий тока, полученных с наночастицами Ag, происходит благодаря большей теплопроводности Ag. Кроме того, такое поведение приводит к появлению заметно большей концентрации наночастиц ( ϕ ≥ 0,1). Однако мы наблюдаем различное влияние на абсолютные верхние значения силы циркуляции потока приращения объемной доли наночастиц, как показано на рис.. Этот рисунок также показывает, что сила циркуляции потока значительно уменьшается с добавлением наножидкости для всех видов наночастиц.

Значения абсолютного ( a ) минимального и ( b ) максимального значения Ψ с ϕ для различных наночастиц при Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , γ = π2, ε = 1, S = 0,5 и φ = 0 °.

На рисунке показано влияние различных значений отношения амплитуд и отклонения фазы, соответственно, на Nu и вдоль координат Y для воды – Cu, Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ϕ = 0.1, S = 0,5 и φ = 0 °. Влияние различных значений девиации фазы соответственно для левой и правой сторон по вертикали на местное число Нуссельта и вдоль координат Y показано на рис. Очевидно, что усиление теплоотдачи на правой стенке проявляется сильнее, чем на левой стенке, из-за изменения фазового отклонения. Изогнутые линии местного числа Нуссельта на левой вертикальной стенке слабо усиливаются изменениями девиации фазы.Увеличение фазового отклонения от 0 до π привело к тому, что область нагрева на правой стенке переместилась наверх, в то время как область охлаждения имела тенденцию перемещаться вниз, что вынуждает локальное число Нуссельта иметь синусоидальную форму. На рисунке показано влияние различных значений отношения амплитуд для левой и правой вертикальных стенок соответственно на координаты Nu и Y . У правой вертикальной стенки нет изменения теплоотдачи при отсутствии ε .Увеличение значения отношения амплитуд приводит к значительному улучшению теплопередачи. Кроме того, более высокое отношение амплитуд ( ε = 1) существенно способствует теплопередаче, при которой может быть получено более высокое значение местного среднего числа Нуссельта.

Значения Nu интерфейсов с Y для ( a ) разных γ и ( b ) разных ε при Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , ϕ = 0.1, S = 0,5 и φ = 0 °.

Рисунок наглядно демонстрирует влияние различных значений толщины пористого слоя и угла наклона соответственно на локальное число Нуссельта и по координатам Y для воды – Cu, Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , γ = π2, ε = 1 и ϕ = 0,1. На рисунке показано влияние различных значений толщины пористого слоя для левой и правой сторон по вертикали в координатах Nu, и Y .Из кривых числа Нуссельта ясно видно, что конвекционная теплопередача явно увеличивается при нагревании нижней части и охлаждении верхней части левой стенки. Другими словами, теплопередача усиливается за счет нагрева нижней половины левой вертикальной стенки, в то время как охлаждение верхней половины стенки имеет тенденцию уменьшать усиление теплопередачи. В правой вертикальной стенке по кривым локальных чисел Нуссельта мы наблюдаем значительный эффект теплопередачи через распределение температуры.На рисунке представлены эффекты различных значений угла наклона вертикальных стенок по Nu и по координатам Y для воды – Cu, Ra . bf = 10 4 , Da = 10 −4 , γ = π2, ε = 1, ϕ = 0,1 и S = 0,5. Из-за неравномерной температуры на вертикальных стенках усиление распределения тепла приводит к тому, что область нагрева на правой стенке перемещается вверх, в то время как область охлаждения имеет тенденцию перемещаться вниз для всех значений φ .На правой стенке кривые числа Нуссельта имеют тенденцию образовывать форму V для значений φ , на которые влияет изменение скорости.

Значения Nu интерфейсов с Y для ( a ) разных S и ( b ) разных φ при Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , γ = π2, ε = 1 и ϕ = 0,1.

Влияние различных значений параметров на Nu¯ с углом наклона резонатора наглядно показано на рис., для воды – Cu, Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 и ε = 1. На конвекционную теплопередачу существенно влияет приращение угла наклона, на которое влияет изменение скорости. Сильное увеличение скорости теплопередачи достигается за счет изменения фазового отклонения. На увеличение и уменьшение среднего числа Нуссельта указывает фиксированный угол наклона. Минимальное снижение скорости конвективного теплообмена возникает при отсутствии фазового отклонения ( γ = 0), а максимальное приращение происходит, когда значение γ равно π4.Кроме того, этот график показывает, что наилучшее улучшение теплопередачи достигается при наименьшей толщине пористого слоя ( S = 0,2). Кроме того, более высокая концентрация твердой объемной доли ( ϕ = 0,2) вместе с наименьшей толщиной пористого слоя могут влиять на распределение теплопередачи, что приводит к более высокому среднему числу Нуссельта.

Значения Nu¯ интерфейсов с φ для ( a ) разных γ , ( b ) разных S и ( c ) разных ϕ при Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 и ε = 1.

На рисунке показано влияние различных значений параметров на среднее число Нуссельта с толщиной пористого слоя для воды – Cu, Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , γ = π2 и ϕ = 0,1. Конвекционная теплопередача систематически снижается с увеличением толщины пористого слоя из-за сопротивления гидродинамике пористого слоя. По мере увеличения отношения амплитуд увеличивается скорость теплопередачи, что вызвано неравномерным распределением температуры.Кроме того, более высокое отношение амплитуд ( ε = 1) сильно увеличивает скорость теплопередачи, что приводит к максимальным средним значениям числа Нуссельта. Этот рисунок также показывает, что скорость теплопередачи принимает различное поведение с увеличением угла наклона из-за изменений скорости. На рисунке четко показано влияние различных значений наночастиц на Nu¯ с толщиной пористого слоя для Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , γ = π2, ε = 1, ϕ = 0.1 и φ = 0 °. Из этого рисунка можно наблюдать очень интересный результат. При низких значениях S (0,1 ≤ S ≤ 0,3) Ag появляется с более высоким увеличением скорости теплопередачи по сравнению с другими наночастицами. Однако за счет увеличения толщины пористого слоя наночастицы Al 2 O 3 имеют тенденцию переносить больше тепла внутри полости. Другими словами, добавление наночастиц Al 2 O 3 к воде в полости с более высокой толщиной пористого слоя помогает переносить больше тепла из-за более низкого теплового расширения наночастиц Al 2 O 3 .

Значения Nu¯ интерфейсов с S для ( a ) разных ε , ( b ) разных φ и ( c ) разных sp при Ra bf = 10 5 , Da = 10 −4 , γ = π2 и ϕ = 0,1.

Выводы

В данной работе рассматривается проблема естественного конвекционного потока наножидкости в наклонном квадратном корпусе с частично насыщенным пористым слоем с переменной синусоидальной температурой на двух противоположных боковых стенках на основе закона Дарси и приближения Буссинеска.Методология конечных разностей используется для решения безразмерных определяющих уравнений с соответствующими граничными условиями. Подробные числовые данные о потоке жидкости и тепловом распределении внутри корпуса, а также местные и средние числа Нуссельта представлены графически. Замечательные выводы исследования представлены ниже:

  1. Значительное улучшение структуры потока достигается за счет применения меньшего угла наклона. Это привело к появлению линий тока в виде вращающейся по часовой стрелке ячейки внутри слоя наножидкости.Другими словами, введение более низкого значения угла наклона вынуждает линии тока образовывать единственную вращающуюся ячейку, которая подобна постоянному распределению температуры.

  2. Абсолютно более низкие значения силы циркуляции потока увеличиваются с добавлением объемной твердой доли, в то время как значительное снижение абсолютных более высоких значений силы циркуляции потока проявляется для всех типов наночастиц. Это происходит из-за изменения сил вязкости и силы инерции.

  3. Изогнутые линии местного числа Нуссельта на левой вертикальной стенке слабо усиливаются за счет изменения девиации фазы. Между тем, область нагрева на правой стенке вверх, а область охлаждения перемещается вниз, в результате чего локальное число Нуссельта формирует синусоидальную форму, вызванную увеличением отклонения фазы.

  4. На скорость теплопередачи в значительной степени влияет приращение угла наклона, на которое влияет изменение скорости.Огромный рост теплопередачи достигается за счет изменения фазового отклонения. Увеличение и уменьшение среднего числа Нуссельта обозначаются фиксированным углом наклона.

  5. При низкой толщине пористого слоя Ag появляется с более высоким увеличением скорости теплопередачи по сравнению с другими наночастицами. Однако за счет увеличения толщины пористого слоя наночастица Al 2 O 3 имеет тенденцию переносить больше тепла внутри полости. Это связано с меньшим тепловым расширением наночастицы Al 2 O 3 .

Благодарности

Мы благодарим рецензентов за их комментарии, которые значительно улучшили качество статьи. Работа поддержана грантом Министерства образования Малайзии FRGS / 1/2014 / SG04 / UKM / 01/1 и грантом Министерства высшего образования Малайзии GSP / 1/2015 / SG04 / UKM / 01/1.

Вклад авторов

A.I.A., H.S. и И. выполнил численный анализ, интерпретировал результаты и написал рукопись. A.J.C. написал обзор литературы и стал соавтором рукописи.Все авторы разработали задачу и рецензировали рукопись.

Примечания

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Сноски

Примечание издателя: Springer Nature сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий на опубликованных картах и ​​принадлежностей организаций.

Ссылки

1. Биверс Г.С., Джозеф Д.Д. Граничные условия у естественно проницаемой стены. J. Fluid Mech.1967. 30: 197–207. DOI: 10.1017 / S0022112067001375. [CrossRef] [Google Scholar] 2. Поуликакос Д., Бежан А., Селимос Б., Блейк К. Конвекция с высоким числом Рэлея в жидкости, покрывающей пористый слой. Int. J. Тепловой поток жидкости. 1986. 7: 109–116. DOI: 10.1016 / 0142-727X (86)-1. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Беккерманн С., Рамадхьяни С., Висканта Р. Естественный конвекционный поток и теплопередача между слоем жидкости и пористым слоем внутри прямоугольного корпуса. J. Теплопередача. 1987; 109: 363–370. DOI: 10,1115 / 1.3248089. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Беккерманн Ч., Висканта Р., Рамадхьяни С. Естественная конвекция в вертикальных корпусах, содержащих одновременно жидкие и пористые слои. J. Fluid Mech. 1988. 186: 257–284. DOI: 10.1017 / S0022112088000138. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Чен Ф., Чен С. Экспериментальное исследование конвективной устойчивости в наложенной жидкости и пористом слое при нагревании снизу. J. Fluid Mech. 1989; 207: 311–321. DOI: 10.1017 / S002211208

94. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Ле Бретон П., Кальтаджироне Дж., Аркиз Э.Естественная конвекция в квадратной полости с тонкими пористыми слоями на ее вертикальных стенках. J. Теплопередача. 1991; 113: 892–898. DOI: 10,1115 / 1,28. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Сингх А., Торп Г. Естественная конвекция в замкнутой жидкости над пористым слоем — сравнительное исследование различных моделей. Ind. J. Pure Appl. Математика. 1995; 26: 81–95. [Google Scholar] 8. Вебстер I, Норки С., Росс Ф., Вудинг Р. Обмен растворенных веществ за счет конвекции в эстуарных отложениях. Устье, побережье. Shelf Sci. 1996. 42: 171–183.DOI: 10.1006 / ecss.1996.0013. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Goyeau B, Lhuillier D, Gobin D, Velarde M. Перенос импульса на границе раздела жидкость – пористая среда. Int. J. Тепломассообмен. 2003. 46: 4071–4081. DOI: 10.1016 / S0017-9310 (03) 00241-2. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Gobin D, Goyeau B, Neculae A. Конвективный перенос тепла и растворенных веществ в частично пористых полостях. Int. J. Тепломассообмен. 2005; 48: 1898–1908. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2004.12.016. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Nessrine Z, Ayda B, Hcen D, Sassi BN.Течение и теплопередача во время такта расширения в композитной жидкости / пористой системе. J. Appl. Жидкий мех. 2010; 3: 87–95. [Google Scholar] 12. Суй Дж., Чжэн Л., Чжан Х, Чен Г. Теплообмен смешанной конвекции в жидкостях по степенному закону по движущемуся конвейеру вдоль наклонной пластины. Int. J. Тепломассообмен. 2015; 85: 1023–1033. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2015.02.014. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Бхаттачарья, П. и Дас, С. Исследование устойчивого естественного конвективного теплообмена внутри квадратной полости для различных значений чисел Рэлея и Нуссельта. Дж . Заявление . Механизм подачи жидкости . 8 (2015).

14. Чол С. Повышение теплопроводности жидкостей наночастицами. ASME Fluids Eng. Div. 1995; 231: 99–106. [Google Scholar] 15. Насрин Р., Алим М. Свободный конвективный поток наножидкости с двумя наночастицами внутри сложной полости. Int. J. Тепломассообмен. 2013; 63: 191–198. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2013.03.068. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Рамиар А., Ранджбар А., Хоссейнизаде С. Влияние осевой проводимости и переменных свойств на двумерную сопряженную теплопередачу наножидкости из смеси Al 2 O 3 -эг / вода в микроканале.J. Appl. Жидкий мех. 2012; 5: 79–87. [Google Scholar] 18. Арани А.А., Махмуди М, Себдани С.М. О процессе охлаждения наножидкости в квадратном корпусе с линейным распределением температуры на левой стенке. J. Appl. Жидкий мех. 2014; 7: 591–601. [Google Scholar] 19. Chamkha AJ, Ismael MA. Естественная конвекция в дифференциально нагретых частично пористых слоистых полостях, заполненных наножидкостью. Нумер. Теплообмен А. 2014; 65: 1089–1113. DOI: 10.1080 / 10407782.2013.851560. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Суй Дж, Чжэн Л., Чжан Икс, Чен И, Ченг З.Новая эквивалентная модель агломерации для улучшения теплопроводности в наножидкостях. Sci. Отчет 2016; 6: 19560. DOI: 10,1038 / srep19560. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

21. Зараки, А., Галамбаз, М., Чамха, А.Дж., Галамбаз, М., Де Росси, Д. Теоретический анализ естественной конвекции тепла в пограничном слое и массоперенос наножидкостей: влияние размера, формы и типа наночастиц, типа базовой жидкости и рабочей температуры. Расширенный . Порошок Технол .(2015).

22. Линь И, Чжэн Л., Чжан Х, Ма Л., Чен Г. Нестационарное течение и теплопередача МГД псевдопластической наножидкости в конечной тонкой пленке по растягивающейся поверхности с внутренним тепловыделением. Int. J. Тепломассообмен. 2015; 84: 903–911. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2015.01.099. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Хамид Р.А., Назар Р., Поп И. Поток наножидкости через проницаемый растягивающийся / сжимающийся лист в точке застоя без выравнивания: модель Буонджорно. Sci. Отчет 2015; 5: 14640. DOI: 10,1038 / srep14640.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 24. Чжан Ц., Чжэн Л., Чжан Х, Чен Г., Ченг З. МГД-поток и радиационная теплопередача наножидкостей в пористых средах с переменным поверхностным тепловым потоком и химической реакцией. Прил. Математика. Модель. 2015; 39: 165–181. DOI: 10.1016 / j.apm.2014.05.023. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Саррис И., Лекакис И., Влахос Н. Естественная конвекция в двумерном корпусе с синусоидальной температурой верхней стенки. Нумер. Теплопередача А. 2002; 42: 513–530. DOI: 10.1080 / 104077802675.[CrossRef] [Google Scholar] 26. Саид Н.Х., Якоб Ю. Естественная конвекция в квадратной полости с пространственным изменением температуры боковой стенки. Нумер. Теплопередача А. 2006; 49: 683–697. DOI: 10.1080 / 10407780500359943. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Билген Э., Йеддер РБ. Естественная конвекция в шкафу с обогревом и охлаждением по синусоидальным профилям температуры с одной стороны. Int. J. Тепломассообмен. 2007. 50: 139–150. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2006.06.027. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Дэн Q-H, Чанг J-J.Естественная конвекция в прямоугольном корпусе с синусоидальным распределением температуры на обеих боковых стенках. Нумер. Теплопередача А. 2008; 54: 507–524. DOI: 10.1080 / 01457630802186080. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Sathiyamoorthy M, Chamkha A. Влияние магнитного поля на поток естественной конвекции в заполненной жидким галлием квадратной полости для линейно нагретой боковой стенки (стенок) Int. J. Therm. Sci. 2010; 49: 1856–1865. DOI: 10.1016 / j.ijthermalsci.2010.04.014. [CrossRef] [Google Scholar] 30. Sathiyamoorthy M, Chamkha AJ.Естественно-конвективное течение в магнитном поле в квадратной полости для равномерно (или) линейно нагретых соседних стенок. Int. J. Numer. Meth. Тепловой поток жидкости. 2012; 22: 677–698. DOI: 10.1108 / 09615531211231307. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Sathiyamoorthy M, Chamkha AJ. Анализ естественной конвекции в квадратной полости с тонкой перегородкой для линейно нагреваемых боковых стенок. Int. J. Numer. Meth. Тепловой поток жидкости. 2014; 24: 1057–1072. DOI: 10.1108 / HFF-02-2012-0050. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Бхуванесвари М., Шивасанкаран С., Ким Ю.Магнитоконвекция в квадратном корпусе с синусоидальным распределением температуры на обеих боковых стенках. Нумер. Теплообмен А. 2011; 59: 167–184. DOI: 10.1080 / 10407782.2011.541219. [CrossRef] [Google Scholar] 33. Чамха А.Дж., Абд Эль-Азиз М., Ахмед С.Е. Гидромагнитная двухдиффузионная конвекция в прямоугольном корпусе с линейно нагретыми и концентрированными стенками при наличии эффектов тепловыделения / поглощения. Прог. Comput. Fluid Dyn. 2012; 12: 400–414. DOI: 10.1504 / PCFD.2012.049812. [CrossRef] [Google Scholar] 34.Чеонг Х., Сири З., Сивасанкаран С. Влияние соотношения сторон на естественную конвекцию в наклонном прямоугольном корпусе с синусоидальным граничным условием. Int. Commun. Тепломассообмен. 2013; 45: 75–85. DOI: 10.1016 / j.icheatmasstransfer.2013.04.017. [CrossRef] [Google Scholar] 35. Кефаяти ГР. Решеточно-больцмановское моделирование естественной конвекции МГД в заполненной наножидкостью полости с синусоидальным распределением температуры. Пудра Технол. 2013; 243: 171–183. DOI: 10.1016 / j.powtec.2013.03.047. [CrossRef] [Google Scholar] 36.Бен-Шейх Н., Чамха А.Дж., Бен-Бейя Б., Лили Т. Естественная конвекция наножидкостей на водной основе в квадратном корпусе с неравномерным нагревом нижней стенки. J. Mod. Phys. 2013; 4: 147–159. DOI: 10.4236 / jmp.2013.42021. [CrossRef] [Google Scholar] 37. Бухаллеб М., Аббасси Х. Естественная конвекция в наклонном прямоугольном корпусе, заполненном наножидкостью CuO – H 2 O, с синусоидальным распределением температуры. Int. J. Hydrog. Энергия. 2015; 40: 13676–13684. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2015.04.090. [CrossRef] [Google Scholar] 38.Baytaş AC. Генерация энтропии для естественной конвекции в наклонной пористой полости. Int. J. Тепломассообмен. 2000; 43: 2089–2099. DOI: 10.1016 / S0017-9310 (99) 00291-4. [CrossRef] [Google Scholar] 39. Альсабери А.И., Чамха А.Дж., Салех Х., Хашим И. Визуализация тепловой линии сопряженной естественной конвекции в квадратной полости, заполненной наножидкостью, с синусоидальными колебаниями температуры на обеих горизонтальных стенках. Int. J. Тепломассообмен. 2016; 100: 835–850. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2016.05.031. [CrossRef] [Google Scholar]

Исследование двухфазного потока в наклонных трубах | Journal of Petroleum Technology

Было исследовано течение газожидкостного потока в наклонных трубах для определения вертикального угла наклона трубы при задержке жидкости и потере давления.Корреляции для удержания жидкости и коэффициента трения были разработаны для прогнозирования градиентов давления для двухфазного потока в трубах под всеми углами для многих градиентов давления потока для двухфазного потока в трубах под всеми углами для многих условий потока.

Введение

Прогнозирование падения давления и удержания жидкости во время двухфазного газожидкостного потока в трубопроводах представляет особый интерес для нефтяной, химической и ядерной промышленности. В ядерной промышленности двухфазный поток возникает в охлаждающем оборудовании реактора, и задержка жидкости сильно влияет на теплопередачу.Двухфазный поток часто возникает при химической переработке, и для проектирования технологического оборудования и систем трубопроводов необходимы знания о падении давления, задержке жидкости и часто модели потока. В нефтяной промышленности двухфазный поток возникает в трубопроводах и в нефтяных и газовых скважинах. Более половины природного газа, собираемого в США, проходит по двухфазным трубопроводам. Большинство газодобывающих скважин добывают некоторое количество жидкости, а большинство нефтяных скважин добывают некоторое количество газа. Поскольку энергия естественного резервуара истощается, многие скважины оборудованы системами искусственного подъема, такими как газлифт.Для проектирования этих систем требуется метод прогнозирования градиентов давления двухфазного потока. градиенты давления обязательны. Хотя в течение последних 25 лет проводились обширные исследования двухфазного потока, большая часть этих исследований была сосредоточена на горизонтальном или вертикальном потоке. Существует несколько хороших корреляций для прогнозирования падения давления и удержания жидкости при прогнозировании падения давления и удержания жидкости в горизонтальном или вертикальном потоке, но эти корреляции не увенчались успехом при применении к наклонному потоку.Многие сборные линии и магистральные трубопроводы проходят по холмистой местности. Это не представляет проблемы в однофазном потоке, потому что проблема потенциальной энергии в однофазном потоке, потому что потенциальная энергия, потерянная при подъеме, восстанавливается на участке спуска. Это не относится к двухфазному потоку, потому что задержка жидкости и, следовательно, плотность смеси обычно намного ниже при нисходящем потоке. По этой причине восстановление давления на спусковых участках обычно не учитывается при проектировании двухфазных трубопроводов.Число направленных или наклонных переходов увеличивается по мере того, как поиск нефти перемещается в ранее неизведанные области. При морском бурении на ранее неизведанных территориях. При морском бурении несколько наклонно-направленных скважин обычно бурятся с одной платформы по экономическим причинам. Отклонения на 35 град. на платформу по экономическим причинам. Отклонения на 35 град. до 45 град. от вертикали обычны. В районах вечной мерзлоты на Аляске и в Канаде стоимость фундаментов для буровых установок и сложность транспортировки требуют, чтобы несколько скважин было направленно пробурено из одного места.Существующие корреляции вертикального потока часто не позволяют прогнозировать градиенты давления в этих скважинах в допустимых пределах. Линии сбора от морских скважин обычно прокладываются по морскому дну с уклоном к берегу. Повышенный градиент давления в трубопроводе с очень небольшим наклоном вверх от горизонтали может быть намного больше, чем градиент давления трения. Следовательно, чтобы предсказать падение давления, необходимо точно спрогнозировать задержку жидкости. Способность прогнозировать задержку жидкости также важна для проектирования оборудования для обработки месторождений, такого как газожидкостные сепараторы.

JPT

P. 607

IRJET-Запрошенная вами страница не найдена на нашем сайте

IRJET приглашает статьи из различных инженерных и технологических, научных дисциплин для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г. Публикация продолжается …

Обзор статей


Получено IRJET «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


Получено IRJET Сертификат регистрации системы менеджмента качества ISO 9001: 2008.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Статьи


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Статьи


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Статьи


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Статьи


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Статьи


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г. Публикация продолжается …

Просмотр Статьи


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 8 (август 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 8, август 2021 г.

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *