Диссертация (Расчетно-экспериментальные исследования гидравлических характеристик трубопроводов систем теплоснабжения с учетом степени гидрофобности функциональных поверхностей)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиМорозов Михаил АлександровичРАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБОПРОВОДОВСИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С УЧЕТОМ СТЕПЕНИГИДРОФОБНОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ05.14.04 – Промышленная теплоэнергетикаДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наукВолков Александр ВикторовичМОСКВА 2016 г.Содержание2Основные условные обозначения и сокращения5ВВЕДЕНИЕ7ГЛАВА 1.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГОИССЛЕДОВАНИЯВЛИЯНИЯФУНКЦИОНАЛЬНЫХСИСТЕМСТЕПЕНИГИДРОФОБНОСТИПОВЕРХНОСТЕЙТЕПЛОСНАБЖЕНИЯНАИХ11ТРУБОПРОВОДОВГИДРАВЛИЧЕСКИЕХАРАКТЕРИСТИКИ1.1 Анализ современного состояния систем теплоснабжения.11Существующие способы повышения их эффективности.1.1.1 Состав и состояние трубопроводов систем теплоснабжения121.1.2 Причины состояния трубопроводов систем теплоснабжения161.1.3 Способы повышения эффективности систем теплоснабжения241.232Влияниехарактеристикповерхностинагидравлическоесопротивление и расчет трубопроводов систем теплоснабжения1.2.1Влияниеисходнойшероховатостиповерхностей32трубопроводов на гидравлический расчет систем теплоснабжения1.2.2Влияниеувеличенияшероховатостиповерхности36трубопроводов в процессе эксплуатации на гидравлический расчетсистем теплоснабжения1.2.3Влияниесостояниясмачивамостиповерхностина38гидравлическое сопротивление и расчет трубопроводов системтеплоснабжения1.3 Выводы и постановка задач исследованийГЛАВА2.ИССЛЕДОВАНИЯГИДРОФОБИЗИРУЮЩЕГО47ВЛИЯНИЕСЛОЯНАРЕЛЬЕФАИ49УСЛОВИЯСМАЧИВАЕМОСТИ И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ2.1 Исследование влияния рельефа на условия смачиваемости,249гидравлическоесопротивлениеплоскихповерхностейиморфологию гидрофобизирующего покрытияМетодика2.1.1экспериментальныхисследованийи49экспериментальный стенд2.1.2 Результаты экспериментальных исследований2.2Исследованиегидравлическоевлияния52гидрофобизирующегосопротивлениеплоскойслояповерхностина54потокужидкостиМетодика2.2.1экспериментальныхисследованийи55экспериментальный стенд2.2.2 Результаты экспериментальных исследований572.3 Способы имитации поверхности листа лотоса на различных60конструкционных материалах2.3.1Влияние типа рельефа на условия смачиваемости и60гидравлическое сопротивление поверхности2.3.2Примерырельефанаповерхностяхизразличных63конструкционных материалов, имитирующих поверхность листалотосаГЛАВА 3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯСТЕПЕНИГИДРОФОБНОСТИ70ФУНКЦИОНАЛЬНЫХПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУБОПРОВОДОВ НА ИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕХАРАКТЕРИСТИКИ3.1. Экспериментальный стенд для определения влияния степени70гидрофобности функциональных поверхностей трубопроводов наих гидравлические характеристики3.2 Методики экспериментальных исследований.3.2.1Методикаизменениястепени74гидрофобноститрубных75сопротивления77поверхностей3.2.2Методикаопределениягидравлическоготрубопроводов с измененной степенью гидрофобности33.2.3 Методика определения толщины молекулярных слоев ПАВ,79сорбированных на поверхности трубопровода.3.2.4Методикаопределенияфункциональныххарактеристик80поверхности3.3 Результаты экспериментальных исследований823.4 Оценка погрешности экспериментальных исследований93ГЛАВА 4. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТЕПЕНИГИДРОФОБНОСТИФУНКЦИОНАЛЬНЫХТРУБОПРОВОДОВНАИХ98ПОВЕРХНОСТЕЙГИДРАВЛИЧЕСКИЕХАРАКТЕРИСТИКИ4.1 Актуальность расчетного исследования.4.1.1Применениепрограммного98комплексаFlowVisionпри99исследовании гидравлических процессов4.2 Методика расчетного исследования1034.2.1 Верификация методики расчетного исследования1044.3 Результаты расчетных исследований1084.4 Гипотеза о механизме снижения гидравлического сопротивления115поверхностей путем изменения степени гидрофобности4.5Разработкаметодаэффективностиэксплуатациигидравлическоготеплоснабженияцеленаправленногорасчетасиповышения117совершенствованиятрубопроводныхгидрофобизированнымисетейсистемфункциональнымиповерхностями4.6 Оценка экономической эффективности применения метода118целенаправленного повышения эффективности эксплуатации исовершенствования гидравлического расчета трубопроводных сетейсистемтеплоснабжениясгидрофобизированнымифункциональными поверхностямиЗАКЛЮЧЕНИЕ122Список литературы1244Основные условные обозначения, сокращения и терминыФЗ – федеральный закон;ПАО – публичное акционерное общество;АО – акционерное общество;ТЭЦ – теплоэлектроцентраль;ПАВ – поверхностно-активные вещества;ГВС – горячее водоснабжение;ЦТП – центральный тепловой пункт;ЖКХ – жилищно-коммунальное хозяйство;КПД – коэффициент полезного действия;ПТЭ – правила технической эксплуатации;ВХР – водно-химический режим;УОО – установки обратного осмоса;ТЭН – тепловой электрический нагреватель;ПК – персональный компьютер;Ду – условный диаметр трубы;S- площадь контакта двух фаз; - поверхностное натяжение среды;l - длина трубопровода;d – диаметр трубопроводаρ - плотность перекачиваемой жидкости;V – скорость движения перекачиваемой жидкости;∆Р – перепад давления;λ- безразмерный коэффициент гидравлического трения;Знас - полные годовые затраты на насосную станцию; - коэффициент, учитывающий нормативные отчисления иэксплуатационные издержки;- расход сетевой воды в тепломагистрале;G - расход сетевой воды в тепломагистрале;Q - тепловая нагрузка магистрали;5сВ - теплоемкость воды; относительная шероховатость труб;Δэ – эквивалентная шероховатость труб;Re – число Рейнольдса;ν – кинематическая вязкость среды;θ – угол смачивания;α – угол скатывания;k – поправочный множитель в формулу Дарси-Вейсбаха;µ –коэффициент динамической вязкости;Cµ – коэффициент турбулентной вязкости;u* – динамическая скорость;y+, n+ – безразмерное расстояние, безразмерное расстояние по нормали;u+, w+ – безразмерные абсолютная и относительная скорости;n0+ – граница пограничного слоя.6ВВЕДЕНИЕАктуальность работыОдной из задач энергетической стратегии Российской Федерации напериод до 2030 года является реализация потенциала энергосбережения вразличных отраслях народного хозяйства.

Среди областей, обладающихзначительнымпотенциаломэнергосбереженияидляширокогоповышениявнедрениянадежности,технологийявляютсясистемытеплоснабжения, в которых особое место занимают магистральные иразводящие трубопроводные сети, совершенствование функционированиякоторых позволяет значительно снижать потери и повышать их надежность.Мероприятия, направленные на повышение эффективности эксплуатациисистем теплоснабжения, регулируются ФЗ-190 «О теплоснабжении».Современный гидравлический расчет системы теплоснабжения, какправило, производится с учетом постепенного увеличения, в процессеэксплуатации, гидравлического сопротивления в 2 раза.

Следует отметить,чтофактическоеувеличениегидравлическогосопротивлениятрубопроводных сетей систем теплоснабжения, находящихся в эксплуатации30 лет, с соблюдением всех норм функционирования, составляет 3 и болеераз, а затраты на транспортировку теплоносителя в распределенных сетяхиногда значительно превышают его себестоимость.Существующие на сегодняшний день технологии изменения степенисмачиваемости, в частности гидрофобизация, функциональных поверхностейтрубопроводов позволяют изменять их гидравлические характеристики.Гидрофобизация внутритрубных поверхностей обеспечивает снижениегидравлического сопротивления потока теплоносителя и приводит куменьшению затрат электроэнергии на привод насосов. В связи в этимэкспериментальное и расчетное изучение влияния степени гидрофобностифункциональныхповерхностейнагидравлическиехарактеристикитрубопроводов с целью снижения затрат на транспортировку теплоносителя,7и как следствие повышение эффективности систем теплоснабжения, являетсяактуальной задачей.Цель работыЦель работы заключается в разработке метода, направленного на повышениеэффективности эксплуатации и совершенствования гидравлического расчетатрубопроводных сетей систем теплоснабжения с модифицированными, наоснове гидрофобизации, функциональными поверхностями.Научная новизнаНаучная новизна работы состоит в следующем:1.Разработан метод целенаправленного повышения эффективностиэксплуатацииисовершенствованиягидравлическогорасчетатрубопроводных сетей систем теплоснабжения с гидрофобизированнымифункциональными поверхностями.2.На основе экспериментальных исследований получены зависимостиснижения гидравлического сопротивленияPот измененияугловскатывания  поверхности для трубопроводов различного диаметра.3.На основе программного пакета FlowVision разработан методгидравлическогошероховатостирасчетаиопределеноизменениеэквивалентной Э мод /  Эисх в зависимости от характеристики состоянияфункциональных поверхностей трубопроводов ( ,  ).4.Впервыеполученазависимостьгидрофобизирующего покрытиядиаметра трубопроводаdbоптимальнойтолщиныот исходного состояния поверхности идля максимального снижения гидравлическогосопротивления.8Практическая ценностьРазработанный метод может быть использован в ПАО «МОЭК», ПАО«Мосэнерго»,АО«Мосводоканал»идругихтеплоэнергетических,водоснабжающих и проектных организациях при проектировании новых, атакжепримодернизациисуществующихтрубопроводныхсистем.Экспериментальные и расчетные исследования являются основой дляразработки способов повышения эффективности систем теплоснабжения.Достоверность научных положений и полученных результатовДостоверность и обоснованностьполученных в работе результатовопределяется:1.

Использованием апробированных методик планирования и проведенияисследований,методиканализаэкспериментальныхрезультатов,применением средств измерений необходимой точности.2.Удовлетворительной сходимостью результатов при многократныхповторениях.3. Использованием апробированных пакетов расчетных исследованийгидродинамических процессов.Апробация работыОсновные положения работы, результаты теоретических и расчетныхисследований докладывались и обсуждались на:1. 18-19, 21 Международных научно-технических конференциях студентов иаспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2012– 2015 гг.).2. 1-ой Международная конференция по производству энергии в 21-м веке«Energy Quest 2014» (Екатеринбург 2014 г.)3.