Эффективность СОУ
При моделировании сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ, термостабилизаторов) в ПО Борей 3D имеются такие коэффициенты как:
- эффективность конденсатора;
- эффективность испарителя.
Что это такое? И зачем это нужно?
Формулы для расчёта тепловых характеристик СОУ приняты на базе учебников и литературных источников. Эти формулы описывают эмпирические закономерности теплообмена, которые были получены в контролируемых, лабораторных условиях.
В реальности, тепловые характеристики СОУ обычно отличаются от лабораторных или полученных расчетом по формулам из учебников и литературных источников. Связано это со многими факторами:
- На строительной площадке невозможно установить СОУ вертикально. Всегда имеется какой-то угол уклона. Даже для вертикальных СОУ, за счет большего диаметра пробурённой скважины, при монтаже СОУ, как правило получается некоторый угол отклонения СОУ от вертикали. Более того, при длинах испарителя 6-15 метров и диаметре испарителя 33‑45 мм, СОУ гнется и угол к вертикали может быть переменным по длине испарителя.
- Обдув ветром конденсаторной части неравномерный и индивидуальный для каждого СОУ. Более того, рассчитать скорость ветра обдува конденсатора СОУ точно, достаточно проблематично.
- У каждого СОУ имеются различные погрешности изготовления (качество теплоносителя, объем заправки, вакуумирования, производства оребрения, и т.д.) и погрешности монтажа (изгибы и повреждения, незаполнение пазух между СОУ и скважиной, и т.д.), а также погрешности изысканий и проектирования.
Всё это приводит к тому, что СОУ работают не так эффективно, как это могло бы быть при расчёте по формулам теплообмена. Для того чтобы наши расчёты меньше отличались от того, что мы получаем в реальности, в ПО Борей 3D мы можем использовать коэффициенты эффективности конденсатора и испарителя. С помощью этих коэффициентов мы можем подобрать (уменьшить) тепловые характеристики СОУ, чтобы расчеты температур грунта, с учетом работы таких СОУ, совпадали с тем, что мы измеряем в рамках геотехнического мониторинга.
Т.е. эффективность испарителя и конденсатора — это параметры приведения работы СОУ к параметрам работы в реальных условиях. Физическим аналогом эффективности испарителя может быть снижение теплопередачи испарителя за счет стекание теплоносителя не в виде пленки конденсата по всей поверхности испарителя, а в виде ручейка и как следствие, уменьшение поверхности испарителя участвующее в передаче теплоты к теплоносителю. Физическим аналогом эффективности конденсатора может быть снижение теплопередачи конденсатора за счет наличия во внутренней полости СОУ неконденсирующихся газов и паров. В процессе работы СОУ неконденсирующиеся газы сбиваются в верхней части конденсатора, исключая часть поверхности конденсатора из теплообмена. В случае наличия в СОУ неконденсирующихся газов и паров, это хорошо видно на тепловизионных снимках конденсаторов СОУ.
В качестве аналога физической сущности коэффициентов эффективности испарителей конденсатора можно принять уменьшение площади испарителя и конденсатора если эти коэффициенты отличаются от единицы.
Значение этих коэффициентов принимаются разработчиком проекта и остаются на совести разработчика проекта. Если вы не хотите применять какие-либо коэффициенты, уменьшающие теоретически возможную эффективность СОУ, то примите значение коэффициентов равными единице. Мы же рекомендуем уменьшать эти значения при проектировании.
В рамках работы по Полигону СОУ расположенного на Чаяндинском НГКМ, мы анализировали данные работы СОУ. На Полигоне СОУ выполнено несколько сезонов ежесуточных термометрических наблюдений за работой 47 сезонно-действующими охлаждающими устройствами (СОУ, термостабилизаторами), 16 различных марок отечественного и импортного производства. Работы по обустройству Полигона СОУ и ведению измерений осуществлялись сотрудниками ПАО «ВНИПИгаздобыча», ООО «ИГИИС» и ИП Усачев А.А.
Ниже приводятся графики тепловых характеристик СОУ, полученные по данным Полигона СОУ.
Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м² испарителя ТК32/11,5М5-03У (алюминиевое накатанное оребрение)
Расчетная и адаптированная характеристика коэффициента теплопередачи с 1 м² испарителя ТСГ.В.38-12 (стальное дисковое оребрение)
Все СОУ на Полигоне имеют характеристики ниже теоретических характеристик. Полученные коэффициенты характеризуют работу СОУ для региона Якутия. (Для регионов с заметно большими скоростями ветра (Уренгой, Ямал) данные характеристики могут быть не актуальными и СОУ могут показать большую эффективность). Точность моделей СОУ с адаптированными характеристиками находиться в пределах 0,08-0,19 ⁰С (при усреднении абсолютной разности значений расчетных и измеренных температур за расчетный период на глубинах ниже 5 метров).
На базе этой работы, мы можем рекомендовать коэффициенты для СОУ с алюминиевым накатанным оребрением и стальным дисковым оребрением.
Примечание: Расчётные характеристики СОУ со стальным дисковым оребрением значительно ниже, чем расчётные характеристики СОУ с алюминиевым накатанным оребрением. Однако, в рамках Полигона СОУ, фактические характеристики СОУ со стальным дисковым оребрением показали меньшее отклонение от теоретических характеристик. Фактические характеристики СОУ алюминиевым или стальным дисковым оребрением получились сопоставимыми.
Безусловно к результатам работы по Полигону СОУ имеется масса вопросов, связанных с выбором площадки, качеством погружения СОУ и т.д. Мы не будем ввязываться в борьбу производителей, чей СОУ лучше. Отметим только, что на реальный строительной площадке качество погружения СОУ и другие аспекты, тоже будут не идеальными.
Регион республики Саха (Якутия) характеризуется низкими среднемесячными скоростями ветра (около 1 м/с), очень жарким летом и очень холодной зимой. Климатические характеристики Якутии значительно отличаются от других регионов (Уренгоя или Ямала). Полученные на Полигоне СОУ коэффициенты характеризуют работу СОУ для региона Якутия. Тем не менее, чтобы при проектировании не получить результаты (температуры грунтов), которые потом могут быть не достигнуты на реальном объекте, мы рекомендуем применять следующие коэффициенты эффективности конденсатора:
- для СОУ с алюминиевым накатанным оребрением ε к =0,4 д.е.
- для СОУ со стальным дисковым оребрением ε к =0,7 д.е.
Если тепловые характеристики СОУ окажутся выше, чем у СОУ с данными коэффициентами, то в этом случае вы получите характеристики, которые пойдут в запас надёжности вашего проектного решения.
Опыт работ по геотехническому мониторингу объектов, в которых мы иногда принимаем участие, показывает, что расчетные температурные поля в большей степени совпадают с фактическими измерениями при применении у СОУ данных коэффициентов. Некоторые результаты сравнения расчетных и измеренных температур грунтов приведены ниже.
Установка газотурбинных агрегатов 7х «ГТЭС-2.5»
Резервуарный парк нефти V=1000м3х2
В ряде программ расчета температур ММГ моделирование СОУ производится с помощью граничных условий 3-го рода. В этих программах, в качестве теплопередачи СОУ, принимается коэффициент теплопередачи от грунта к воздуху (через СОУ), отнесенный к площади поверхности испарителя. Чтобы смоделировать СОУ в таких программах, примерно эквивалентно тому, как СОУ моделируются в ПО Борей 3D, коэффициент теплопередачи от грунта к воздуху (через СОУ), может быть найден по формуле:
Где 
— площадь поверхности испарителя, м2;
— площадь наружной (оребренной) поверхности конденсатора, м2;
α — коэффициент теплоотдачи от конденсатора к окружающему воздуху, Вт/(м2×К).
-эффективность (КПД) конденсатора, д.е.;
— эффективность (КПД) испарителя, д.е.