Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Использование термических эффектов кавитации для нагрева технологических жидкостей при проведении геологоразведочных работ

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Рябчинский, Александр Сергеевич

Введение.

Глава 1. Современное состояние исследований по кавитации и анализ процессов её сопровождающих.

1.1. Обзор теоретических исследований кавитации и физических эффектов её сопровождающих.

1.2. Анализ влияния свойств жидкости на кавитационный процесс и возможности управления им.

1.2.1. Влияние примесей и физических параметров жидкости.

1.2.2. Управление кавитационными колебаниями.

1.3. Анализ физических эффектов сопровождающих кавитацию.

1.4. Анализ тепловых явлений сопровождающих кавитационное течение.

1.5. Обзор технических решений, позволяющих использовать кавитацию для нагрева технических жидкостей и жидкостей отопительных систем.

Выводы по первой главе.<.*.

Глава 2. Теоретическое исследование явления тепловыделения и теплопередачи при гидравлической кавитации.

2.1. Процессы зарождения, роста и схлопывания кавитационной каверны с точки зрения термодинамики.

2.2. Термодинамические процессы, протекающие в одиночном пузырьке при колебательных процессах в потоке жидкости.

2.3. Термодинамические и гидравлические процессы, сопровождающие течение жидкости через сопло Вентури.

2.4. Анализ явлений протекающих в генераторе кавитации с точки зрения процессов тепловых насосов и баланс мощности в потоке кавитирующей жидкости.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования тепловых процессов в кавитационном потоке сопла Вентури.

3.1. Задачи и методика проведения экспериментальных исследований.

3.2. Методика обработки результатов эксперимента.

3.3. Экспериментальные исследования кавитационного теплогенератора (сопло Вентури), установленного в гидравлической системе бурового насоса.

3.4. Анализ и оценка результатов исследований.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Определение рациональных режимов работы теплогенератора, основанного на использовании кавитационных процессов в соплах Вентури.

4.1 Сравнительный анализ экспериментальных исследований различных режимов кавитационных течений сопла Вентури.

4.2. Оценка эффективности установки по коэффициенту преобразования теплового насоса.

4.3. Разработка рекомендаций по использованию кавитационных теплогенераторов, в системе промывки, при бурении геологоразведочных скважин.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Использование термических эффектов кавитации для нагрева технологических жидкостей при проведении геологоразведочных работ"

Актуальность работы. Специфика проведения работ по разведочному бурению на воду и твёрдые полезные ископаемые предполагает, что работы очень часто ведутся в районах с суровыми природно-климатическими условиями, так как большая доля геологоразведочных предприятий на территории России располагается в районах с низкими среднегодовыми температурами.

Наиболее доступным и недорогим видом промывочной жидкости при выполнении буровых работ является техническая вода. Она используется при прохождении устойчивых, неразмывающихся негидрофильных и слабогидрофильных породах. При проведении работ с отрицательными температурами воздуха, очень часто сталкиваются с проблемой замерзания промывочной жидкости в элементах гидросистемы промывки скважины, особенно во время технологических перерывов.

У большинства авторов, рассматривающих тепловые процессы, сопровождающие режим эксплуатации скважин, рассматривается температура циркулирующей промывочной жидкости только в плане её влияния на различные факторы в скважине, такие как теплообмен со стенкой скважины, охлаждение бурового инструмента и т.д.

В отличие от бурения на нефть и газ, где буровые комплексы имеют системы подогрева промывочной жидкости большой мощности, вплоть до котельных установок, в случае с геологоразведочными скважинами, где водосборники располагаются на открытом воздухе и не предусмотрены системы подогрева промывочной жидкости, проблема замерзания решается индивидуально, на месте, с использованием простейших и обычно низкоэффективных способов [2, 33, 36, 49].

Разработка устройства для подогрева жидкости, в условиях удалённой, автономной буровой установки, является весьма актуальным вопросом. Кроме того, в области сбережения энергоресурсов, важным направлением является разработка теплонасосов, которые позволяют использовать низкопотенциальные энергоресурсы, и особенно целесообразно это при децентрализованном теплоснабжении, к каким и относится большинство геологоразведочных предприятий.

Использование явления кавитации для создания теплогенератора, позволит при минимальных вложениях получить для подогрева жидкости парокомпрессионный теплогенератор с высоким КПД, не требующий никаких иных источников энергии, кроме бурового насоса. Такой теплогенератор обладает хорошей компоновкой с основным буровым оборудованием, а также простотой и высокой надёжностью.

Цель диссертационной работы.

Целью настоящей работы является создание устройства, предотвращающего замерзание промывочной жидкости и повышающего эффективность используемых средств подогрева, в условиях отрицательных температур в районе проведения работ.

Идея работы заключается в том, что в качестве устройства предотвращающего замерзание жидкости в циркуляционной системе предлагается использовать сопло Вентури, в котором тепловые и колебательные процессы обусловлены кавитационными явлениями.

Основные задачи исследований. Выполнение поставленной цели достигается решением следующих задач:

1. Проведение анализа существующих способов нагрева промывочных жидкостей, используемых при бурении геологоразведочных скважин в условиях низких температур воздуха.

2. Проведение анализа теоретических исследований и практических разработок в области использования кавитационных эффектов.

3. Исследование возможностей использования тепловых процессов кавитационного течения с целью создания теплогенератора для нагрева промывочной жидкости.

4. Экспериментальное исследование тепловыделения и теплопередачи в результате кавитации, возбуждаемой соплом Вентури при различных режимах, геометрических параметрах и условиях окружающей среды.

5. Разработка математической модели достоверно описывающей тепловые процессы сопровождающие кавитационное течение жидкости через сопло Вентури.

6. Анализ экспериментальных данных с целью выбора рациональных режимов работы кавитационного теплогенератора.

7. Анализ рабочих режимов буровых насосных установок и разработка практических рекомендаций для использования кавитационного теплогенератора в конкретных геолого-технологических условиях.

Методика исследований. Поставленные задачи решались путем анализа существующих теоретических и экспериментальных работ по изучаемой теме. Исследования тепловых процессов, сопровождающих кавитацию, выполнялись с использованием современных контрольно-измерительных приборов. Обработка и оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований производилась с использованием методов математической статистики.

Научная новизна. В ходе теоретических и экспериментальных исследований была осуществлена оценка процесса увеличения тепловой энергии в результате кавитации в соплах Вентури. При кавитации протекают процессы испарения в объеме жидкости и расширения паровых каверн в результате резкого падения давления, и последующее их сжатие и конденсация при росте давления. На характер протекания этих процессов в соплах оказывают влияние ряд факторов, наиболее значительными из которых являются: параметр управления (отношение давления на выходе из сопла (Pj) к давлению на входе {Pi)), температура жидкости и угол раскрытия сопла (/?). Кавитационные колебания способствуют интенсификации процессов теплообмена и перераспределению тепловых потоков в системе. Научная новизна заключается в том, что автором впервые: рекомендуется использовать в качестве теплогенератора сопло Вентури, которое обеспечивает высокую надежность, простоту конструкции и регулирования; установлены закономерности изменения интенсивности тепловыделения от таких конструкционных параметров как угол раскрытия сопла (/?), длина выходного трубопровода теплогенератора (1тр), а так же от режимов кавитации (Р2/Р\ - 0,1-0,6), т.е. от частот (f), амплитуд колебаниям/у жидкости за соплом и геометрических размеров каверны(/;„ <5VK); получена математическая зависимость, позволяющая определять тепловыделение в зависимости от температуры жидкости и параметра управления;

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями. Оценка достоверностей аналитических зависимостей позволяет утверждать, что эти зависимости имеют информационную способность и адекватны результатам экспериментальных исследований с надёжностью 97,5%. 7

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате исследований:

1. получено выражение, позволяющее производить инженерные расчёты по определению приращения тепловой мощности в кавитационном теплогенераторе;

2. разработаны рекомендации по созданию устройства для нагрева промывочной жидкости при разведочном бурении;

3. определены рациональные параметры теплогенератора для нагрева промывочной жидкости и рекомендована схема их включения в систему циркуляции, в зависимости от параметров промывки скважины;

4. создан теплогенератор, в основе которого лежат кавитационные колебания в сопле Вентури;

5. создан стенд, позволяющий производить исследовательские работы сопла Вентури в процессе обучения студентов на учебных практиках.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской Геологоразведочной академии им. С.Орджоникидзе (1996г.)

- III, IV и V международных конференциях «Новые идеи в науках о земле» (1997, 1999, 2001 г.)

- научных конференциях факультета «Техники разведки и разработки» МГГА (2000 г.)

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Рябчинский, Александр Сергеевич

Выводы по четвёртой главе. Исходя из всего вышесказанного, можно сформулировать следующие рекомендации для использования кавитационного теплогенератора в контуре бурового насоса:

- наиболее эффективным является режим теплогенератора с параметром кавитации близким 0,3, при которых амплитуда колебаний является максимальной;

- в зависимости от температуры жидкости наилучшие результаты работы теплогенераторов соответствуют температуре воды около 32 °С. Данное свойство актуально только в том случае, если осуществляется подогрев небольшого количества жидкости в замкнутом контуре, поскольку в системе промывки скважины температура промывочной жидкости будет всегда ниже этого значения;

- конструкционно теплогенераторы могут располагаться только в сливной линии, и при этом должны иметь обводной трубопровод, который позволит при необходимости включать и выключать теплогенератор из работы.

- поскольку эффективность работы устройства зависит от перепада температур в каверне и окружающей среды, то использование кавитационного теплогенератора может интенсифицировать теплообмен между жидкостью и внешними нагревательными приборами используемые совместно.

Заключение

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Предложено теоретическое объяснение, согласно которой источником дополнительной тепловой энергии при увеличении температуры воды в кавитационном теплогенераторе является окружающая среда.

2. Предложена конструкция кавитационного теплогенератора, в основе которого лежит генератор колебаний в виде сопла Вентури.

3. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий исследовать работу кавитационных теплогенераторов в условиях приближённых к реальным, а так же использовать в процессе обучения студентов на учебных практиках.

4. Определены рациональные параметры и режимы эксплуатации кавитационного теплогенератора.

5. Для расчета тепловой энергии получаемой, в результате кавитационных колебаний воды в контуре с соплом Вентури (Ытв), предложена математическая зависимость, устанавливающая взаимосвязь с параметром управления (Р2/ Рх) и температурой воды (Тж).

6. Для сравнения и оценки кавитационных теплогенераторов различной конфигурации и конструкций предложен коэффициент преобразования.

7. Наиболее эффективный режим работы установки обеспечивается при значении параметра управления Р2/Р1 лежащем в пределах от 0,2 до 0,3.

8. Предложена схема подключения теплогенератора к системе промывки скважины, а также разработаны рекомендации, позволяющие согласовать выбранные режимы работы теплогенератора с основными режимами работы бурового насоса.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рябчинский, Александр Сергеевич, Москва

1. A.c. №543824 СССР. Генератор колебаний жидкого теплоносителя в кожухотрубном теплообменнике. Манько И.К., Задонцев В.А., Пилипенко В.В. Бюл.№3, 1977.

2. Ананикян Л.П., Штокман Е.А. Системы лучистого панельного отопления. М.1962.

3. Адам Р.К. Физика и химия поверхностей. М., Гостехиздат, 1947.

4. Акуличев В. А. Гидротация ионов и кавитационная прочность воды. -Акустический журнал, 1966, т. 12, №2 , с. 160-166.

5. Акустическая кавитация и применение ультразвука в химической технологии. Всесоюзный научный симпозиум.: Тезисы докладов. Славское, 1985.

6. Акустическая кавитация и проблемы интенсификации технологических процессов. Всесоюзный научный симпозиум.: Тезисы докладов. Одесса, 1989.

7. Башкатов Д.Н. Планирование эксперимента в разведочном бурении. М.: Недра, 1985.

8. Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы, каверны. М., 1964.

9. Биркгоф Г. Математический анализ кавитации. Сб. переводов и обзоров иностранной периодической литературы. Механика, 1972, №3 , с. 66-68.

10. Болога М. К. Работает пустота. Кишенев,1985.

11. Буйвол В.Н. Тонкие каверны в течениях с возмущениями. Киев,1980.

12. Бурдуков А.П., Кувшинов Г.Г., Накоряков В.Е. Особенности теплообмена при пузырьковом кипении недогретой жидкости в большом объёме при субатмосферных давлениях. В сб. Теплопередача при кипении и конденсации, с.94-118. Новосибирск, 1978.

13. Воробьев Г. А. Защита гидротехнических сооружений от кавитации. М., Энергоатомиздат, 1990.

14. Гавранек В.В., Болынуткин Д.Н., Зельдович В.И. Термическое и механическое действия, кавитационной зоны на поверхность металла. Физика металлов и металловедение, т. 10(262), вып.2, 1960.

15. Гальперин Р. С., Осколков А. Г. Кавитация на гидросооружениях. М., 1977.

16. Ганджумян P.A. Практические расчёты в разведочном бурении. М.: Недра, 1986.

17. Ганин И.П., Сердюк Н.И. Кавитация и возможность её применения в горном деле и геологоразведке. Геология и разведка, №3, 1996, с.121-124.

18. Гименез Г. Обобщение результатов кавитационных исследований. Перевод (ГПНТБ), 1984.

19. Голубничий П. И., Царёв В. А., Чечин В. А. К вопросу об ускорительном механизме холодного ядерного синтеза. М., 1989.

20. Горшков А. С., Русецкий А. А. Кавитационные трубы. J1. ,1972.

21. Егоров И.Т., Садовников Ю.М., Исаев И.И., Басин М.А. Искусственная кавитация. Л., 1971.

22. Ермакова В.И. Исследование и разработка рациональных режимов работы быстроходных буровых насосов. Дис. канд. техн. наук. М., МГРИ, 1973.

23. Зельдович Я. Б. К теории образования новой фазы. Кавитация. ЖЭТФ, т. 12, №1112, с.525-538, 1942.

24. Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л., 1980.

25. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М., 1975.

26. Кавитационное автоколебание в насосных системах. 4.1 и 4.2. Киев, 1976.

27. Кнэпп Р., Джейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация . М., 1974.

28. Козловский Е.А. Горная энциклопедия. Т.1. М., 1984.

29. Круг Г.К. Учебное пособие по курсу статистические методы в инженерных исследованиях. Специальные методы планирования. М., 1977.

30. Круг Г.К. Учебное пособие по курсу статистические методы в инженерных исследованиях. Элементы математической статистики. М., 1977.

31. Ламекин Н. С., Шальнев К.К., Шалобасов И.А. Наука о кавитации вчера и сегодня. Природа, 1975, №9 , с36-41.

32. Левковский Ю. Л. Структура кавитационных течений. Л., 1978.

33. Лимитовский A.M. Электро- и теплоснабжение геологоразведочных работ: Справочное пособие. М., 1988.

34. Милн-Томсон Л. М. Теоретическая гидромеханика. М., Мир, 1964.

35. Моисеев A.M. Исследование предельных режимов работы прецизионной быстроциркулирующей пузырьковой камеры. Препринт. Протвино. 1996.

36. Муравеник В.И., Курас Д.М., Тимофеев В.Н. Состояние микроклимата рабочих мест геологоразведочных буровых установок и пути его нормализации. М., ВИЭМС, 1978.

37. Наугольнов С.И., Алексеев В.В. Методические рекомендации по определению индивидуальных норм расхода электроэнергии на буровые работы. М., 1989.

38. Нигматулин Р.И., Хабеев Н.С. Теплообмен газового пузырька с жидкостью. Изв. АН СССР, МЖГ. 1974, №5, с.94-100.

39. Патент №2045715 РФ. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей. Потапов Ю.С.,1995.

40. Патент №2061195 РФ. Способ тепловыделения в жидкости. Душкин A.JL, Краснов Ю.И., Ларионов Л. В. Бюл. .№15, 1996.

41. Патент №2059162 РФ. Система теплоснабжения потребителей. Дмитриев Н.Т., Яхно В. А. и др. Бюл. .№15,1996.

42. Патент №2125215 РФ. Теплогенератор. Лунин Н.П., Становский Б.В., Лунин Ю.Н., Становский А.Б. Бюл.№2, 1999.

43. Патент №2131094 РФ. Кавитационный тепловой генератор. Пищенко Л.И., .Меренков Ю. А. Бюл. .№15, 1999.

44. Патент №2132025 РФ. Устройство для нагрева жидкости.Душкин А.Л., Долотказин В.И., Рязанцев H.H. Бюл.№17,1999.

45. Перник А. Д. Проблемы кавитации . Л., 1966

46. Пилипенко В.В. Кавитационное автоколебание и динамика гидросистем. М., 1977.

47. Пилипенко В. В. Кавитационное автоколебание. Киев, 1989.

48. Пирсол И. Кавитация . М., 1975.

49. Плотель С.Г. Отопительные котельные установки в бурении и их эксплуатация. М. 1958.

50. Рождественский В. В. Кавитация. Л., 1977.

51. Сердюк Н.И. Исследование разрушающего действия кавитации с целью разработки специальной технологии освоения и восстановления гидрогеологических скважин. -Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. Москва. 1996.

52. Снайдер Н., Робин Т. Модель массопереноса при пузырьчатом кипении в недогретой жидкости. Теплопередача. 1969, №3, с. 122-134.

53. Сю. О развитии исследований по кавитации. Тр.ASME. Cep.D. Теоретические основы инженерных расчётов. 1975, №4, с.151-165.

54. Труды ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. Статьи по вопросам кавитационных течений. Вып.824, 1961.102

55. У ей л ер, Стритер, Ларсен. Исследование влияния кавитационных пузырьков на потерю количества движения в трубе при неустановившемся течении. Tp.ASME. Cep.D. Теоретические основы инженерных расчётов. 1971, №1, с.1-10.

56. Физический энциклопедический словарь. Под ред. Прохорова А. М. М., 1995.

57. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкости. М., АН СССР, 1945.

58. Хиклинг Р. Некоторые физические эффекты, обусловленные смыканием кавитационной полости в жидкости. Tp.ASME. Cep.D. Теоретические основы инженерных расчётов. 1966, №1, с. 180-187.

59. Холл Дж., Тристер А. Кавитационный гистерезис. Tp.ASME. Cep.D. Теоретические основы инженерных расчётов. №1.1966, с. 159-171.

60. Хэммит Ф.Г. Исследование масштабного и термодинамического эффектов при кавитации в неподвижных и вращающихся элементах. Tp.ASME. Сер. Техническая механика. №1, 1963, с. 3-21.

61. Шамшев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др. Технология и техника разведочного бурения. М. 1973.

62. Эль-Вакил М.М., Гривал С.С., Ши К. Интерферометрическое исследование испарения с поверхности и кипения жидкости при внезапном сбросе давления. Тепломассообмен V. Т.3,41,1976.

63. Эпштейн JI.A. Возникновение и развитие кавитации. Диссертация. Труды ЦАГИ №655, 1948.

64. Эпштейн JI.A. Методы теории размерностей и подобие в задачах гидромеханики судов. Л. 1970.