Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ

Проведена сравнительная оценка теплоаэродинамической эффективности и массогабаритных характеристик трубных пакетов для регенераторов ГТУ. Показано, что в конструкциях регенераторов целесообразно использовать профилированные трубы с внешним и внутренним оребрением....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Письменный, Е.Н., Терех, А.М., Семеняко, А.В., Баранюк, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2010
Schriftenreihe:	Промышленная теплотехника
Schlagworte:	Теплоэнергетические установки
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60589
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ / Е.Н. Письменный, А.М. Терех, А.В. Семеняко, А.В. Баранюк // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 4. — С. 63-73. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-60589
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-605892014-04-18T03:01:17Z Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ Письменный, Е.Н. Терех, А.М. Семеняко, А.В. Баранюк, А.В. Теплоэнергетические установки Проведена сравнительная оценка теплоаэродинамической эффективности и массогабаритных характеристик трубных пакетов для регенераторов ГТУ. Показано, что в конструкциях регенераторов целесообразно использовать профилированные трубы с внешним и внутренним оребрением. Проведено порівняльну оцінку теплоаеродинамічної ефективності і масогабаритних характеристик трубчастих пакетів для регенераторів ГТУ. Показано, що в конструкціях регенераторів доцільно використовувати профільовані труби із зовнішнім і внутрішнім оребренням. A comparative evaluation of heat-aerodynamics efficiency and mass and size characteristics of tube packages for gas turbine regenerators is conducted. It is shown that in the construction of the regenerators should be used shaped tubes with internal and external fins. 2010 Article Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ / Е.Н. Письменный, А.М. Терех, А.В. Семеняко, А.В. Баранюк // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 4. — С. 63-73. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60589 536.24:533.6.011 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Теплоэнергетические установки Теплоэнергетические установки
spellingShingle	Теплоэнергетические установки Теплоэнергетические установки Письменный, Е.Н. Терех, А.М. Семеняко, А.В. Баранюк, А.В. Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ Промышленная теплотехника
description	Проведена сравнительная оценка теплоаэродинамической эффективности и массогабаритных характеристик трубных пакетов для регенераторов ГТУ. Показано, что в конструкциях регенераторов целесообразно использовать профилированные трубы с внешним и внутренним оребрением.
format	Article
author	Письменный, Е.Н. Терех, А.М. Семеняко, А.В. Баранюк, А.В.
author_facet	Письменный, Е.Н. Терех, А.М. Семеняко, А.В. Баранюк, А.В.
author_sort	Письменный, Е.Н.
title	Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ
title_short	Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ
title_full	Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ
title_fullStr	Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ
title_full_unstemmed	Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ
title_sort	теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов гту
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Теплоэнергетические установки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60589
citation_txt	Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ / Е.Н. Письменный, А.М. Терех, А.В. Семеняко, А.В. Баранюк // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 4. — С. 63-73. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT pisʹmennyjen teploaérodinamičeskaâéffektivnostʹtrubčatyhpoverhnostejnagrevaregeneratorovgtu AT tereham teploaérodinamičeskaâéffektivnostʹtrubčatyhpoverhnostejnagrevaregeneratorovgtu AT semenâkoav teploaérodinamičeskaâéffektivnostʹtrubčatyhpoverhnostejnagrevaregeneratorovgtu AT baranûkav teploaérodinamičeskaâéffektivnostʹtrubčatyhpoverhnostejnagrevaregeneratorovgtu
first_indexed	2025-07-05T11:38:27Z
last_indexed	2025-07-05T11:38:27Z
_version_	1836806840648728576
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №4 63 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ УДК 536.24:533.6.011 Письменный Е.Н., Терех А.М., Семеняко А.В., Баранюк А.В. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» ТЕПЛОАЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРУБЧАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА РЕГЕНЕРАТОРОВ ГТУ Проведено порівняльну оцін- ку теплоаеродинамічної ефектив- ності і масогабаритних характе- ристик трубчастих пакетів для регенераторів ГТУ. Показано, що в конструкціях регенераторів до- цільно використовувати про- фільовані труби із зовнішнім і внутрішнім оребренням. Проведена сравнительная оцен- ка теплоаэродинамической эффек- тивности и массогабаритных ха- рактеристик трубных пакетов для регенераторов ГТУ. Показано, что в конструкциях регенераторов целе- сообразно использовать профилиро- ванные трубы с внешним и внутрен- ним оребрением. A comparative evaluation of heat- aerodynamics efficiency and mass and size characteristics of tube packages for gas turbine regenerators is conducted. It is shown that in the construction of the regenerators should be used shaped tubes with internal and external fins. b – высота выступа; d – диаметр; F – поверхность нагрева; h – высота ребра; l – длинна ребра; S – шаг между трубами; t – шаг ребер, выступов; Т – температура воздуха; Z – количество труб; υ – температура газов; μ – коэффициент регенерации; ψ – коэффициент оребрения. Нижние индексы: в – внутренний, воздух; г – газ; н – наружный; 1 – поперечный, вход; 2 – продольный, выход. Введение Газотурбинные установки (ГТУ) явля- ются доминирующим типом привода газо- транспортной системы Украины, в составе которой насчитывается более 450 их единиц общей мощностью 4,6 млн. кВт [1]. Однако большая часть из них к настоящему времени морально и физически устарела (к.п.д. состав- ляет ~ 18...28 %), что приводит к чрезмерным расходам газа на собственные нужды, которые в 2006 году составили 4,9 млрд. м3 [1,2]. К основным способам повышения эконо- мичности ГТУ можно отнести следующие ме- роприятия [3-5]: - применение воздухонагревателей для ре- генерации теплоты отработавших в турбине га- зов. - ступенчатое сжатие воздуха с промежуточ- ным его охлаждением в воздухоохладителях. - увеличение температуры газа на входе в турбину, что связано с поиском новых материа- лов для лопаток турбин и методов их охлажде- ния. - использование ступенчатого расширения с промежуточным подогревом рабочего газа. - повышение к.п.д. отдельных элементов ГТУ (компрессора, газовой турбины, камеры сгорания). - оптимизация проектирования элементов проточной части двигателя для снижения по- терь при течении в них воздуха и газов. - создание сложных, многовальных устано- вок. Из приведенных способов улучшения пара- метров ГТУ наиболее обещающим и наименее затратным, на наш взгляд, является примене- ние воздухонагревателей (регенераторов) для ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №464 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ утилизации теплоты отработавших в турбине газов [1-3] (рис. 1, 2). Такой способ позволяет повысить экономичность ГТУ на 25 % [6]. В то же время регенераторы при сегодняшнем уров- не их использования являются весьма громозд- кими и металлоемкими, часто имеют низкую эксплуатационную надежность. Кроме этого, вследствие высоких потерь давления теплоно- сителей в регенераторе и подводящих трактах снижается мощность и экономичность уста- новки в целом. Поэтому создание новых ГТУ с высокими технико-экономическими показателями и мо- дернизация существующих невозможны без внедрения в их конструкции надежных и эф- фективных развитых поверхностей теплообме- на. В простой ГТУ газы, покидающие тур- бину, имеют высокую температуру (порядка 450...550 °С). Если использовать часть теплоты выхлопных газов для нагрева сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания, то потребу- ется меньше топлива для получения необходи- мой температуры газов на выходе из камеры сгорания и к.п.д. ГТУ увеличится. Использо- вание регенеративного цикла с высокими ко- эффициентами регенерации (μ = 0,85...0,88) позволяет в диапазоне мощности ГТУ от 6 до 25 МВт при современном уровне технологий повысить к.п.д. ГТУ с 25...28 % до 38...41 % [1]. Другая положительная сторона регенерации за- ключается в увеличении к.п.д. на нерасчетных режимах работы установки [4]. Этим устраня- ются недостатки повышенного расхода топлива на частичных нагрузках и обеспечивается сни- жение шума от работающей установки [4]. 1. Типы теплообменников - регенераторов В настоящее время для регенерации тепло- ты уходящих газов ГТУ возможно использова- ние трех типов теплообменников: рекуператив- ные трубчатые; рекуперативные пластинчатые; с промежуточным теплоносителем. К регенераторам ГТУ при проектировании Рис. 1. Газотурбинная установка ГТУ 20 ЛКЗ [6]: 1 – главный редуктор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4, 8 – турбокомпрессоры; 5 – пусковой электродвигатель; 6 – рама; 7 – воздухоохладитель. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №4 65 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Рис. 2. Конструктивная схема ГТУ 20 ЛКЗ [6]: 1 – обдувочное устройство регенератора; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4 – перепускной клапан; 5 – турбина высокого давления; 6 – пусковой двигатель; 7 – гидротрансфоматор; 8 – валоповоротное устройство; 9 – привод вспомогательных механизмов; 10 – компрессор высокого давления; 11 – противопомпажный клапан; 12 – воздухоохладитель; 13 – турбина низкого давления; 14 – компрессор низкого давления. и изготовлении предъявляются следующие тре- бования [6]: - механическая прочность при больших пе- репадах давления между теплоносителями; - отсутствие перетоков теплоносителей; - высокий коэффициент теплопередачи; - малые гидравлические сопротивления; - высокая компактность поверхности; - жаропрочность и коррозионная устойчи- вость; - отсутствие склонности к загрязнениям и возможность очистки; - удобство присоединения к сопрягаемым элементам; ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №466 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ - технологичность изготовления; - низкая стоимость. Выполнение первых двух требований обя- зательно. Остальными требованиями опреде- ляются характеристики и качество конкретного аппарата. 1.1. Трубчатые регенераторы В таких теплообменниках (рис. 3) переда- ча теплоты осуществляется через стенки труб, разделяющие горячий и холодный теплоноси- тель. Теплообменная поверхность может быть выполнена как гладкой, так и оребренной. Одним из основных вопросов, возникаю- щих при проектировании трубчатых регенера- торов является выбор теплоносителя, протека- ющего внутри труб. Из соображений прочности и сокращения металлоемкости теплообменни- ка, согласно [6], теплоноситель высокого давле- ния – воздух целесообразно направлять внутрь труб, а газы – в межтрубное пространство. При таком подводе теплоносителей корпус ап- парата изготавливается тонкостенным и лег- ким. Такая схема реализована в большинстве регенераторов ГТУ (рис. 3). Требования мини- мизации загрязнений и облегчения очистки по- верхности от отложений сажи и смол являются основной причиной применения схемы, в ко- торой дымовые газы движутся внутри трубок. Важное достоинство трубчатых регенераторов их высокая надежность. Основной недостаток трубчатых регенераторов – большие габариты и масса. 1.2. Пластинчатые регенераторы Поверхность теплообмена в пластинча- тых регенераторах образована плоскими или профилированными пластинами (рис. 4). Пла- стинчатые теплообменники компактны, имеют малую массу и высокий коэффициент тепло- передачи. Основной трудностью в изготовле- нии такого типа теплообменников является сложность герметизации соединений большо- го количества пластин и обеспечения прочно- сти в местах соединений пластин с гребенка- ми и фланцами по периферии аппарата [6]. Эти конструктивные недостатки могут привести к перетеканию воздуха на сторону выхлопных газов, что ведет к уменьшению общего к.п.д двигателя [4], а также к растрескиванию ли- стов в местах крепления ввиду знакоперемен- ных напряжений при работе на не расчетных Рис. 3. Трубчатый регенератор фирмы Броун – Бовери [6]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №4 67 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ режимах и при пуске ГТУ. Кроме того, приме- нение пластинчатых поверхностей в мощных ГТУ ограничивается их недостаточной прочно- стью при высоких давлениях воздуха. 1.3. Теплообменники с промежуточным теплоносителем К рекуперативным теплообменникам с про- межуточным теплоносителем, претерпеваю- щем фазовые превращения при естественной циркуляции, относятся теплообменники с двух- фазными термосифонами [7, 8]. Такие устрой- ства отличаются относительной простотой и широким спектром их использования. На рис. 5 приведена простейшая схема термосифонного теплообменника. Он состоит из двух газоходов, разделенных газоплотной трубной решеткой в которой закреплены теплопередающие поверх- ности в виде замкнутых термосифонов, части которых размещаются в газоходах с «горячим» и «холодным» теплоносителями. Внутри те- плообменных элементов находится промежу- точный теплоноситель, при помощи которого теплота в испарительно-конденсационном ци- кле передается от «горячего» к «холодному» рабочим телам. При выборе промежуточного теплоноси- теля необходимо учитывать рабочий диапазон Рис. 4. Модель пластинчатого регенератора. температур и давлений, максимальный тепло- вой поток в испарителе, токсичность, взрыво- и огнеопасность и др. Для регенераторов ГТУ ввиду высоких температур «горячего» тепло- носителя необходимо использовать в качестве промежуточного теплоносителя средне- (на- фталин, даутерм) и высокотемпературные (ли- тий, натрий, калий) теплоносители. Приведен- ные теплоносители по данным [7] токсичны, взрыво- и огнеопасны. Поэтому использование утилизаторов теплоты газов после турбины на основе двухфазных термосифонов на ГТС не перспективно. К этому же типу теплообменников – ути- лизаторов теплоты выхлопных газов турбин относятся регенеративные вращающиеся воз- духоподогреватели. Принцип их работы осно- ван на попеременном омывании поверхности теплообмена газами и воздухом (рис. 6). Регенеративные воздухоподогреватели име- ют более сложную конструкцию, чем рекупе- ративные. Основным элементом таких тепло- обменников является вращающийся барабан, заполненный насадкой в виде сетки, гофриро- ванной ленты или пористого материала, кото- рые выполняют функцию промежуточного те- плоносителя. Ротор регенератора вращается со скоростью от 2...3 до 100 об/мин и в период обдувки горячими газами аккумулирует тепло- ту, отдавая ее затем более холодному воздуху. Основное преимущество вращающегося реге- нератора – его компактность благодаря высо- кой плотности набивки поверхности теплооб- мена в объеме. Недостаток – утечки в местах уплотнения стороны высокого давления, что ведет к перетеканию воздуха на сторону газов. При этом уменьшается степень регенерации и значительно снижается выигрыш в к.п.д. Исходя из требований, предъявляемых к регенераторам ГТУ, а также преимуществ и недостатков их основных типов можно заклю- чить, что наиболее приемлемыми по своим ха- рактеристикам при сегодняшних ценах на при- родный газ являются трубчатые регенераторы. Такой же вывод сделан и в работе [9]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №468 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ 2. Типы труб теплообменных поверхно- стей регенераторов При разработке трубчатых регенераторов важным вопросом является выбор вида труб- ных элементов, из которых набирается тепло- обменная поверхность. Помимо гладких труб круглого поперечного сечения, используемых чаще всего вследствие их дешевизны и техно- Рис. 5. Схема термосифонного регенератора [8]: 1, 2 – газоходы; 3 – газоплотная трубная решетка; 4 – термосифоны. Рис. 6. Схема вращающегося регенератора с дисковым ротором. логичности, к настоящему времени разрабо- таны и в ряде случаев выпускаются промыш- ленностью и другие, более сложные виды труб, которые могут представлять интерес при про- ектировании перспективных регенераторов. В настоящей работе предпринята попытка вы- полнить расчетный анализ и сравнение вари- антов трубчатых регенераторов, выполненных из различных видов трубчатых элементов, с це- лью выявления наиболее эффективных из них. На рис. 7 представлены 7 различных типов труб, которые использовались в настоящей ра- боте для сравнения теплоаэродинамических и массогабаритных характеристик вариантов трубчатых регенераторов для ГТУ мощностью 16 МВт. В табл. 1 приведены геометрические характеристики теплообменных поверхностей регенератора. Охарактеризуем сравниваемые типы труб. Гладкие трубы (тип 1, рис. 7, а) выпускаются массово промышленностью Украины. Трубы с внутренним продольным оребрением в виде выступов треугольной или трапециевидной формы (тип 2, рис. 7, б) с коэффициентом оре- брения ψв = 1,6...2,7 прошли эксперименталь- ные исследования теплоаэродинамических характеристик и могут выпускаться на специа- лизированных предприятиях. Гладкие плоско-овальные трубы (тип 3, рис. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №4 69 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Рис. 7. Типы сравниваемых труб: 1 – гладкая труба (тип 1); 2 – гладкая труба с внутренним оребрением (тип 2); 3 – плоско-овальная труба (тип 3); 4 – плоско-овальная труба с внутренним оребрением (тип 4); 5 – плоско-овальная труба с неполным оребрением (тип 5); 6 – плоско-овальная труба с наружным и внутренним оребрением (тип 6); 7 – труба с внутренними интенсификаторами (тип 7). № п/п Обозн. Труба тип 1 Труба тип 2 Труба тип 3 Труба тип 4 Труба тип 5 Труба тип 6 Труба тип 7 1 d, мм 28 28 - - - - 40 2 d1, мм - - 16 16 15 15 - 3 d2, мм - - 55 55 42 42 - 4 h, мм - - - - 10 10 - 5 t, мм - - - - 3,75 3,75 40 6 l, мм - - - - 55 55 - 7 S1, мм 40 40 40 40 86 86 50 8 S2, мм 34 34 59,5 59,5 60 60 45 9 b, мм - - - - - - 4,0 10 ψн/ψв 0/0 0/2,5 0/0 0/2,5 6,9/0 6,9/2,5 0/0 Табл.1. Геометрические характеристики теплообменных поверхностей 7, в) производятся промышленностью Укра- ины под заказ и обладают некоторым преиму- ществом по теплоаэродинамическим показа- телям по сравнению с круглыми [10]. Плоско- овальные трубы с внутренним оребрением (тип 4, рис. 7, г) находятся на стадии разра- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №470 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ботки технологии изготовления. Выпуск таких труб в Украине не налажен. Плоско-овальные трубы с неполным попе- речным оребрением (тип 5, рис.7, д) [11] обла- дают высокими теплоаэродинамическими ха- рактеристиками и в настоящее время проходят промышленные испытания. Производство этих труб планируется наладить в Украине в бли- жайшее время. Такие же трубы с внутренним оребрением (тип 6, рис. 7, е) находятся на ста- дии перспективной разработки и промышлен- ностью не выпускаются. Трубы с внутренними интенсификаторами или пережимами внутреннего сечения (тип 7, рис. 7, ж) [12, 13] известны давно и выпускают- ся промышленностью СНГ небольшими объе- мами в различных модификациях. 3. Сравнение эффективности трубчатых поверхностей В основе методики оценки теплоаэроди- намической эффективности приведенных на рис. 7 типов труб для воздухонагревателей ГТУ лежат вариантные расчеты регенераторов, со- стоящие из взаимосвязанных теплового и ги- дравлического расчетов. Режимные параметры трубчатого регенератора со степенью регенера- ции μ = 0,85 представлены в табл. 2 и прини- маются одинаковыми для всех сравниваемых типов труб. Под степенью регенерации подразумева- ется отношение количества теплоты действи- тельно переданного воздуху в регенераторе к количеству теплоты, которое было бы передано при нагреве воздуха до температуры газов вы- ходящих из турбины . (1) Значение μ практически определяется вели- чиной поверхности нагрева [3] . (2) В выражении (2) GB, cp – соответственно массовый расход воздуха через регенератор и массовая теплоемкость воздуха, k – коэффици- ент теплопередачи. 2 1 1 1 T T T − µ = ϑ − 1 p В c F G k µ = ⋅ ⋅ −µ Наименование параметра Значение Тепловая мощность регенератора Q, МВт 25,5 Расход воздуха на входе в регенератор GВ, кг/с 74,7 Температура воздуха на входе в регенератор Т1, °С 204 Температура воздуха на выходе из регенератора Т2, °С 526 Давление воздуха на входе в регенератор, кгс/см2 5,12 Потери давления в регенераторе по воздушному тракту, % 3 Расход газа на входе в регенератор GГ , кг/с 79,1 Температура газа на входе в регенератор υ1, °С 583 Температура газа на выходе из регенератора υ2, °С 304 Полное давление газа на входе в регенератор, кгс/см2 1,065...1,070 Степень регенерации μ 0,85 Табл. 2. Расчетные параметры регенератора газотурбинной установки мощностью 16 МВт ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №4 71 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Необходимо отметить, что при μ > 0,8 резко возрастает поверхность нагрева регенератора [3], а следовательно, увеличиваются вес и га- бариты. Выбор оптимального значения μ про- изводится на основе технико-экономического расчета с учетом всех влияющих факторов. В качестве основных критериев эффектив- ности при сравнении трубчатых поверхностей приняты: потери напора в воздушном ΔРВ (Па) и газовом ΔРГ (Па) трактах регенератора, ко- эффициент теплопередачи k (Вт/(м2К)), общая длина труб L (км), масса труб M (т), объем V (м3) регенератора. Результаты сравнительных расчетов представлены в табл. 3. Для большей наглядности и простоты сравнения показателей труб на рис. 8 в виде диаграмм представлены данные расчетов, при- веденных в табл. 3 тех же показателей регене- ратора: потерь напора по газовой и воздушной стороне, коэффициентов теплопередачи, массо- габаритные характеристики. Анализ полученных данных показывает, что лучшими тепловыми и массогабаритными показателями обладают теплообменные по- верхности из труб типов 2, 3, 4, 6. Трубы типа 5 (рис. 7, д) взяты для сравнения их теплоаэроди- намических и массогабаритных характеристик для выявления возможности использования в качестве поверхности нагрева регенератораов и проверки, высказанных утверждений в [6] о том, что развивать поверхность нужно со сто- роны теплоносителя, который находится под меньшим давлением. Результаты расчета, при- веденные в табл. 3 и на рис. 8 показали, что для данных конкретных условий и режимных параметров регенератора это высказывание не верно по крайней мере для плоско-овальных труб с высотой ребер больше 10 мм. Поверх- ность регенератора из таких труб имеет боль- шую массу и габариты. По этой причине дан- ный тип труб нельзя рекомендовать к использованию в качестве теплообменной поверхности регенератора с теплоносителя- ми «газ-газ». Трубы этого типа показали бы ощутимое свое преимущество перед дру- гими типами оребренных труб при исполь- зовании их в охладителях воздуха много- ступенчатых компрессоров. Трубы типа 7 (рис. 7, ж) с внутренними интенсификаторами теплообмена в виде пережимов внутреннего сечения круглой трубы имеют средние показа- тели по эффективности и металлоемкости, но теплообменная поверхность из них занимает значительный объем. Требования к величине аэродинамическо- го сопротивления по газовому тракту более жесткие чем по воздушному. Для всех сравни- ваемых поверхностей (тип 1-7, табл. 3) аэро- Табл. 3. Результаты вариантных расчетов трубчатых регенераторов Тип трубы ΔРВ , Па ΔРГ, Па k, (Вт/(м2К) Z, шт L, км M, т V, м3 1 2500 2000 45,5 17820 87,3 111,3 121 2 2000 1420 62,2 12600 62,0 80,0 86 3 2200 1830 63,6 13500 44,0 90,0 106 4 1820 1265 94,5 9000 29,0 60,0 70 5 3900 2000 14,2 9000 35,1 126,5 182 6 2200 1100 27,3 4920 20,0 71,0 102 7 1500 1400 55,8 9504 50,5 94,5 116 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №472 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ динамическое сопротивление выхлопных га- зов составляет меньше 2000 Па, что в пределах рекомендаций литературных источников [5]. Здесь лучшие показатели у поверхностей из труб типов 2, 4, 6. По воздушному тракту потери напора по данным [5] не должны превышать 3%, т.е. не превышать значения 10...12 кПа. Все рассмо- тренные поверхности из труб типов 1-7 име- ют потери напора меньше 4 кПа. Поэтому по воздушной стороне есть некоторый резерв по сопротивлению и, увеличив скорость воздуха внутри труб, можно повысить интенсивность теплообмена, что приведет в конечном итоге к уменьшению поверхности теплообмена и улуч- шению массогабаритных показателей регене- ратора. Рис. 8. Критерии эффективности трубчатых поверхностей 1 – 7 типы труб, согласно рис. 7 и таблице 1, 3. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №4 73 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Выводы Проведенные расчеты и сравнительная оценка теплоаэродинамической эффективно- сти трубчатых поверхностей позволяют сде- лать следующие выводы: 1. При проектировании современных ре- генераторов для ГТУ с высокой степенью ре- генерации (μ ≥ 0,85) необходимо использо- вать в качестве поверхностей нагрева трубы с одновременно выполненным внутренним и внешним оребрением. Только в этом слу- чае можно добиться высокой компактности и меньшей металлоемкости воздухонагревателя- регенератора. Таким требованиям удовлетворя- ют трубы типа 6 (рис. 7, е). Из труб без внешнего оребрения можно рекомендовать к использова- нию трубы типов 2, 3 и трубы с пережимами сечения типа 7 (рис. 7, б, в, ж). 2. Необходимо ускорить процесс освоения новых перспективных труб с внутренним оре- брением и труб с одновременно выполненным внешним и внутренним оребрением. ЛИТЕРАТУРА 1. Патон Б.Е., Халатов А.А. Какие промыш- ленные газотурбинные двигатели нужны укра- инской ГТС? // Еженедельник «Зеркало неде- ли». 2008. – №26(705). 2. Халатов А.А. Состояние и проблемы раз- вития промышленного газотурбостроения Украины// Тезисы докладов на 6-й научной Международной школе-конференции «Акту- альные вопросы теплофизики и физической ги- дрогазодинамики». – Алушта, 2008. – С. 8-9. 3. Латыпов Р.Ш. Вопросы рациональной эксплуатации газотурбинных установок. – Уфа: УГНТУ, 2000. – 100 с. 4. Джадж А. Газотурбинные двигатели ма- лой мощности. – М.: Издательство иностран- ной литературы, 1963. – 420 с. 5. Костюк А.Г., Фролов В.В., Булкин А.Е., Трухний А.Д. Паровые и газовые турбины для электростанций. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 556 с. 6. Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. М.: Машиностроение, 1970. – 436 с. 7. Пиоро И.Л., Антоненко В.А., Пиоро Л.С. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами. – Киев: Наукова думка, 1991. – 248 с. 8. Безродный М.К., Пиоро И.Л., Костюк Т.О. Процессы переноса в двухфазных термосифон- ных системах. – Киев: Факт, 2005. – 704 с. 9. Грязнов Н.Д., Епифанов В.М., Иванов В.Л., Манушин Э.А. Теплообменные устройства га- зотурбинных и комбинированных установок. – М.: Машиностроение, 1985. – 360 с. 10. Антуфьев В.М. Эффективность различ- ных форм конвективных поверхностей нагрева. – М., Л.: Энергия, 1966. – 184 с. 11. Письменний Є.М., Терех О.М., Рогачов В.А., Бурлей В.Д. Теплообмінна труба. Патент на корисну модель. Украина. № 25025, 25.07.2007. – Бюл. №11. 12. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности те- плообмена. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 408 с. 13. Рогачев В.А., Терех А.М., Бурлей В.Д., Семеняко А.В. Интенсификация теплообме- на в круглой трубе// Енергетика, економіка, технології, екологія. – 2008. – №1. – С.36-42. Получено 17.12.2009 г.

Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева регенераторов ГТУ

Institution

Ähnliche Einträge