docd - Instytut Techniki Cieplnej
download 
Reklamacja Transkrypt
d - Instytut Techniki Cieplnej
INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ im. Bohdana Stefanowskiego ITC Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechnika Warszawska Zastosowanie metody minimalizacji generacji entropii do doboru geometrii i parametrów pracy skraplacza Rafał Laskowski ITC Cel: • Dobór optymalnej wewnętrznej średnicy rurki skraplacza • Dobór optymalnego strumienia masy wody chłodzącej przy zmiennym obciążeniu ITC Metoda minimalizacji generacji entropii Dla wymiennika ciepła możemy wyróżnić dwa zjawiska fizyczne: przekazywanie ciepła, opory przepływu. Ze względu na różne jednostki, trudno jest je porównywać. Powodują pozytywne i negatywne efekty. • prędkość Re Nu współczynnik przenikania ciepła - efekt pozytywny • prędkość opory przepływu - negatywny efekt ITC Metoda minimalizacji generacji entropii Według II ZT w wymienniki ciepła podczas przekazywania ciepła zachodzą procesy nieodwracalne a ich miara jest generacja entropii. Strumień generacji entropii wynika z przepływu ciepła i oporów przepływu. S gen ST S p min Opis modelu ITC • Bilans energii m dh qdx • Bilans entropii dS gen qdx m ds T T ITC • Opis modelu Entalpia w postaci różniczkowej dh dq dp / • • Definicja entropii dq ds T Strumień ciepła przekazywany do wody q DT • Współczynnik przejmowania ciepła od strony wody NuD Opis modelu ITC • Generacja entropii na jednostkową długość rury S gen 2 3 q 32m f 2 2 2 5 L T Nu T D • Liczba Nusselta Nu 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 • Współczynnik oporów f 0.046 Re 0.2 1 0,25 f 4 k 5,74 log 0, 9 3 , 7 D Re 2 Opis modelu ITC • Strumień generacji entropii na jednostkę długości rury S gen • • 2 3 q 32m f 2 2 2 L T Nu T D 5 Związek pomiędzy średnicą wewnętrzną rury i liczbą Reynoldsa 4m D Re Strumień generacji entropii na jednostkę długości rury można przedstawić w funkcji liczby Reynoldsa i powinien dążyć do minimalnej wartości S gen Re L min ITC Analizowany skraplacz typu „church window” ITC Dane dla analizowanego skraplacza Dane geometryczne Liczba rurek Długość wymiennika [m] 3220 9.94 Zewnętrza średnica rurki [mm] Wewnętrzna średnica rurki [mm] podziałka [mm] Materiał rurki Parametry pracy Temperatura wody chłodzącej do wymiennika [oC] Prędkość wody chłodzącej w rurkach [m/s] 24 22 32 mosiądz Strumień kondensującej pary [kg/s] 49.36 22.4 2.0 Wyniki Total change in entropy generation, W/mK ITC 0.14 0.135 0.13 0.125 0.12 0.115 0.11 0.105 0.1 40000 44000 48000 52000 56000 60000 64000 68000 72000 Reynolds number 0.1 mm 0.15 mm 0.2 mm 0.01 mm Eq. (11) f 0.046 Re 0.2 Wyniki ITC Total entropy generation, W/mK 0.2 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Tube internal diameter D, mm 0.1 mm 0.15 mm 0.2 mm 0.01 mm Eq. (11) f 0.046 Re 0.2 Wyniki ITC Chropowatość, mm D, mm Sgen, W/mK Nu, 2, - W/m2K A, m2 w, m/s dp, bar Liczba Reynolds f 17.5 0.1018 326 11336 1761 3.16 0.569 63193 0.01 17.9 0.1031 321 10927 1797 3.03 0.562 61913 0.1 19.3 0.1088 302 9523 1940 2.60 0.566 57360 0.15 19.7 0.1104 297 9191 1978 2.50 0.571 56242 0.2 20.0 0.1117 293 8946 2008 2.43 0.575 55403 Aaktualna średnica = 22 mm ITC Analizowany skraplacz dla bloku 200 MW ITC Analizowany skraplacz dla bloku 200 MW Symbol Jed. Wartość Powierzchnia wymiany ciepła A m2 2x5710=11420 Liczba rurek - - 2x6878=13756 m Mg/h 2x14500=2900 0 wlocie tw1 oC 17/32 Temperatura wody chłodzącej na wylocie norm./ max tw2 oC 25.7/40.6 Znamionowy strumień masy skroplonej pary m p kg/s 127.8 Średnica zewnętrzna rurki Dz mm 30 Średnica wewnętrzna rurki D mm 28 Długość wymiennika L mm 9000 Średnie ciśnienie wody pw bar 3 Strumień masy wody chłodzącej Temperatura norm./max wody chłodzącej na Wyniki ITC Chropowatość, mm D, mm Smin, W/mK Nu, - 2, W/m2K A, m2 dp, w, m/s bar Re f 22.5 0.1078 364 9764 4368 2.96 0.810 68488 0.1 24.5 0.1144 340 8337 4769 2.48 0.691 62734 0.2 25.3 0.1173 331 7856 4929 2.33 0.700 60695 Aktualna średnica = 28 mm ITC Analizowany skraplacza – EC Siekierki Jednostka Wartość Liczba rurek - 11942 Długość wymiennika m 7.126 Wewnętrzna średnica rurki mm 25 Powierzchnia wymiany ciepła m2 6500 ITC Opis analizowanego skraplacza i wyniki strumień masy skroplonej pary Temperatura wody na wlocie do skraplacza Temperatura wody na wylocie ze skraplacza Strumień masy wody chłodzącej Strumień przekazy wanego ciepła t/h C C t/h MW 71.8 15.5 19.5 14000 65.18 57.5 4 7 8200 28.63 Chropowatość 0.4 mm Chropowatość 0.2 mm D, mm Smin, W/K 26.20 0.313 23.92 0.111 D, mm Smin, W/K 25.25 0.304 23.095 0.107 Aaktualna średnica 25 mm Opis modelu ITC • Generacja entropii na jednostkową długość rury S gen 2 3 q 32m f 2 2 2 5 L T Nu T D • Liczba Nusselta Nu 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 • Współczynnik oporów 1 0,25 f 4 k 5,74 log 0, 9 3 , 7 D Re 2 ITC Analiza na podstawie danych z symulatora skraplacza blok 200 MW Q U F t log Wielkości wejściowe do symulatora: Temperatura wody chłodzącej na wlocie do skraplacza, strumień masy wody chłodzącej, strumień masy pary tlog U Wielkości wyjściowe z symulatora: temperatura wylotowa wody chłodzącej, ciśnienie pary (t s t 2 o ) (t s t 2i ) t s t2o ln t s t 2i 1 d1 f d1 d1 1 ln 2 d 2 2 m d 2 f 1 2 0.023 Re 02.8 Pr20.4 k r g p 0.728 t d p 1 k 3 k 0.25 Współczynnika przenikania ciepła od temperatury wody chłodzącej na wlocie ITC współczynnik przenikania ciepła kW/m2K 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 9 10 11 12 13 14 15 16 temperatura wody chłodzącej na wlocie st. C d=24 d=26 d=28 17 18 19 Strumień generacji entropii od temperatury wody chłodzącej na wlocie ITC sumaryczna generacja entropii W/K 2,5 2,4 2,4 2,3 2,3 2,2 2,2 2,1 2,1 2,0 2,0 9 10 11 12 13 14 15 16 temperatura wody chłodzącej na wlocie st. C d=24 d=26 d=28 17 18 19 ITC Współczynnika przenikania ciepła od strumienia masy wody chłodzącej współczynnik przenikania ciepła kW/m2K 4,2 3,7 3,2 2,7 2,2 1,7 5000 6000 7000 8000 strumień masy wody chłodzącej kg/s d=24 d=26 d=28 9000 10000 ITC Strumień generacji entropii od strumienia masy wody chłodzącej sumaryczna generacja entropii W/K 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 5000 6000 7000 8000 strumień masy wody chłodzącej kg/s d=24 d=26 d=28 9000 10000 ITC Analizowany podukład – średnica wewnętrzna rurki Model generacji entropii ITC • Strumień generacja entropii od strony wody chłodzącej S2 gen T2o m 23 1 m 2 s2 m 2c2 ln L 2 2 T2i 2T2 2 F d 2i 0.25 k 5.74 0.9 log 3.7 d 2i Re 2 2 ITC Model generacji entropii • Strumień generacja entropii od strony kondensującej pary S1gen Q Ts ITC Model generacji entropii • Strumień generacji entropii od ostatniego upustu do wylotu z części NP turbiny St , gen m 1 sor sb hor hb htt Pt m 1 hor hb ITC Model generacji entropii • Strumień generacji entropii dla pompy S p , gen m 2 s po s pi Pp m 2 p p 2 p m 2 hpo hpi ITC Model generacji entropii • Sumaryczny strumień generacji entropii S S2 gen S1gen St , gen S p , gen S m 2 min Współczynnika przenikania ciepła od temperatury wody chłodzącej na wlocie ITC Overall heat transfer coefficient, 2 kW/(m K) 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 9 10 11 12 13 14 15 16 Inlet cooling water temperature, oC d=24 mm d=26 mm d=28 mm 17 18 19 ITC Strumień generacji entropii od temperatury wody chłodzącej na wlocie Total entropy generation, W/K 56.0 54.0 52.0 50.0 48.0 46.0 44.0 42.0 40.0 9 10 11 12 13 14 15 16 o Inlet cooling water temperature, C d=24 mm d=26 mm d=28 mm 17 18 19 ITC 32000 31000 Pt-Pp, kW 30000 29000 28000 27000 26000 25000 24000 9 10 11 12 13 14 15 16 o Inlet cooling water temperature, C d=24 mm d=26 mm d=28 mm 17 18 19 ITC Współczynnika przenikania ciepła od strumienia masy wody chłodzącej Overall heat transfer coefficient, 2 kW/(m K) 4.2 3.7 3.2 2.7 2.2 1.7 5000 6000 7000 8000 Cooling water mass flow rate, kg/s d=24 mm d=26 mm d=28 mm 9000 10000 ITC Strumień generacji entropii od strumienia masy wody chłodzącej 49.5 Total entropy generation, W/K 49.0 48.5 48.0 47.5 47.0 46.5 46.0 45.5 45.0 5000 6000 7000 8000 Cooling water mass flow rate, kg/s d=24 mm d=26 mm d=28 mm 9000 10000 ITC 27000 26500 Pt-Pp, kW 26000 25500 25000 24500 24000 5000 6000 7000 8000 9000 Cooling water mass flow rate, kg/s d=24 mm d=26 mm d=28 mm 10000 ITC Analizowany podukład – strumień masy wody chłodzącej Strumień generacji entropii wynikająca z przekazania ciepła do wody kW/K ITC Strumień generacji entropii wynikający z przekazywania ciepła do wody 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 strumień masy wody chłodzącej kg/s 100% 90% 80% 70% 10000 11000 12000 Strumień generacji entropii wynikający z przekazywania ciepła od pary ITC Strumień generacji entropii wynikająca z przekazania ciepła od pary kW/K 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 strumień masy wody chłodzącej kg/s 100% 90% 80% 70% 10000 11000 12000 ITC Strumień generacji entropii na skutek oporów przepływu wody chłodzącej i w pompie Strumień generacji entropii, kW/K 7 6 5 4 dla pompy 3 2 na skutek oporów przepływu wody chłodzącej 1 0 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 strumień masy wody chłodzącej, kg/s 100% 90% 80% 70% 10000 11000 12000 Strumień generacji entropii od ostatniego upustu do wylotu z części NP ITC Strumień generacji entropii od upustu do wylotu z części NP kW/K 18 16 14 12 10 8 6 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 strumień masy wody chłodzącej kg/s 100% 90% 80% 70% 10000 11000 12000 ITC Sumaryczny strumień generacji entropii Sumaryczny strumień generacji entropii kW/K 50 45 40 35 30 25 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 strumień masy wody chłodzącej kg/s 100% 90% 80% 70% 10000 11000 12000 Róznica pomiędzy mocą części NP i mocą pompy, kW ITC Różnica pomiędzy mocą części NP (od ostatniego upustu do wylotu) i mocą pompy 28000 26000 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 strumień masy wody chłodzącej, kg/s 100% 90% 80% 70% 11000 12000 Róznica pomiędzy mocą części NP i mocą pompy, kW ITC Różnica pomiędzy mocą części NP turbiny (od ostatniego upustu do wylotu) a mocą pompy w funkcji sumarycznej generacji entropii 28000 26000 24000 22000 20000 18000 16000 14000 25 30 35 40 45 Sumaryczny strumień generacji entropii, kW/K 100% 90% 80% 70% 50 55 ITC Strumień masy wody chłodzącej kg/s minimalnego Dla maksymalnej różnicy pomiędzy Obciążenie Dla strumienia generacji mocą części NP turbiny (od ostatniego upustu do wylotu) i mocą entropii pompy wody chłodzącej 100% 7500 11250 90% 7000 11000 80% 6500 10000 70% 6000 9500 ITC , P f Td , Tw , S gen Td , Tw ITC ITC Q1 m w1cw T2 w1 T2 d Q 2 m w 2 cw T2 w 2 T2 d Q Q1 Q 2 T2 w1 T2 w T2 w1 T2 w 2 T2 w T2 w 2 m w m w1 m w 2 Q m w cw T2 w T2 d m w m w m w cw T2 w T2 d cw T2 w T2 w1 T2 d cw T2 w T2 w 2 T2 d 2 2 T2 w1 T2 w 2 0 ITC T2 d T2 w1 T2 d T2 w T2 w1 A Q1 kA1 Tn1 k Tn Tn1 2 2 2 T2 d T2 w 2 T2 d T2 w T2 w 2 A Q2 kA2 Tn 2 k Tn Tn 2 2 2 2 T2 d T2 w Q kATn 2 T2 d T2 w 1 T T T2 d T2 w T2 w1 1 T T T2 d T2 w T2 w 2 T n1 n2 n 2 n 2 n 2 2 2 Tn1 Tn 2 0 ITC S gen 2 S gen T2 w1 m w T2 w 2 Q1 Q 2 m w cw ln cw ln 2 T2 d 2 T2d Tn1 Tn 2 T T2 w1 T T2 w1 T2 w T2 w1 T2 d T2 w T2 w1 T2 d ln 2 w ln 2 w m w cw T2 d T2 d Tn Tn1 Tn Tn1 S gen f T2 w1 , Tn1 S gen T2 w1 S gen Tn1 0 0 1 1 1 1 0 T2 w T2 w1 T2 w T2 w1 Tn Tn1 Tn Tn1 T2 w T2 w1 T2 d T2 w T2 w1 T2 d 0 2 2 (Tn Tn1 ) (Tn Tn1 ) Tn1 0 T2 w1 0 Tn1 Tn 2 0 T2 w1 T2 w 2 0 ITC • • • • • Artykuły Laskowski Rafał, Rusowicz Artur, Smyk Adam: Weryfikacja średnicy rurek skraplacza na podstawie minimalizacji generacji entropii, w: Rynek Energii, KAPRINT, vol. 116, nr 1, 2015, ss. 71-75 Laskowski Rafał, Rusowicz Artur: Minimalizacja generacji entropii w celu określenia optymalnej średnicy rurki skraplacza typu "church window", w: Energetyka, problemy energetyki i gospodarki paliwowoenergetycznej, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, vol. 734, nr 8, 2015, ss. 526-530 Laskowski Rafał, Rusowicz Artur, Grzebielec Andrzej: Estimation of a tube diameter in a ‘church window’ condenser based on entropy generation minimization, w: Archives of Thermodynamics, The Committee on Thermodynamics and Combustion, vol. 36, nr 3, 2015, ss. 49-59, DOI:10.1515/aoter-2015-0021 Laskowski Rafał, Jaworski Maciej, Smyk Adam: Entropy generation in a condenser and related correlations, w: Archives of Thermodynamics, The Committee on Thermodynamics and Combustion, vol. 36, nr 2, 2015, ss. 27-48, DOI:10.1515/aoter-2015-0013 Laskowski Rafał, Smyk Adam: Dobór strumienia masy wody chłodzącej dla bloku kondensacyjnego przy zmiennym obciążeniu, materiały konferencyjne, KAPRINT, ZET 2016
