Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ
Рассмотрены принципы проектирования теплообменников с низкокипящими рабочими телами в трубах. Представлены результаты расчетов их основных параметров и установлены закономерности, вытекающие из них. Высокоэффективные теплообменники обеспечивают глубокую утилизацию теплоты в газотурбинных установках....
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2004 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2004
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61521 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ / Б.Д. Билека, Н.И. Радченко, А.А. Сирота // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 5. — С. 27-31. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859651165632856064 |
|---|---|
| author | Билека, Б.Д. Радченко, Н.И. Сирота, А.А. |
| author_facet | Билека, Б.Д. Радченко, Н.И. Сирота, А.А. |
| citation_txt | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ / Б.Д. Билека, Н.И. Радченко, А.А. Сирота // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 5. — С. 27-31. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Рассмотрены принципы проектирования теплообменников с низкокипящими рабочими телами в трубах. Представлены результаты расчетов их основных параметров и установлены закономерности, вытекающие из них. Высокоэффективные теплообменники обеспечивают глубокую утилизацию теплоты в газотурбинных установках.
Розглянуто принципи проектування теплообмінників з низькокиплячими робочими тілами в трубах. Наведено результати розрахунків їх основних параметрів і встановлено закономірності, що з них випливають. Високоефективні теплообмінники забезпечують глибоку утилізацію теплоти в газотурбінних установках.
The principles of designing of heat exchangers with low boiling working fluids flowing inside tubes are discussed. The results of their main parameters calculations are presented and the regularities following from these have been developed. The high efficient heat exchangers provide deep waste heat recovery in Gas Turbine Units.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:34:12Z |
| format | Article |
| fulltext |
Тепло- и массообменные аппараты
УДК 621.56
БИЛЕКА Б.Д.1, РАДЧЕНКО Н.И.2, СИРОТА А.А.3
1 Ин-т технической теплофизики НАН Украины
2 Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова, Николаев
3 Николаевский государственный гуманитарный университет им. Петра Могилы
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕПЛООБМЕННИКОВ НА НРТ ДЛЯ
ТЕПЛОУТИЛИЗИРУЮЩИХ КОНТУРОВ ГТУ
Розглянуто принципи проектування
теплообмінників з низькокиплячими ро-
бочими тілами в трубах. Наведено ре-
зультати розрахунків їх основних пара-
метрів і встановлено закономірності, що
з них випливають. Високоефективні те-
плообмінники забезпечують глибоку
утилізацію теплоти в газотурбінних
установках.
Рассмотрены принципы проектиро-
вания теплообменников с низкокипящи-
ми рабочими телами в трубах. Пред-
ставлены результаты расчетов их ос-
новных параметров и установлены за-
кономерности, вытекающие из них. Вы-
сокоэффективные теплообменники
обеспечивают глубокую утилизацию те-
плоты в газотурбинных установках.
The principles of designing of heat ex-
changers with low boiling working fluids
flowing inside tubes are discussed. The
results of their main parameters calcula-
tions are presented and the regularities
following from these have been developed.
The high efficient heat exchangers provide
deep waste heat recovery in Gas Turbine
Units.
c – удельная теплоемкость;
d – диаметр трубы;
G – расход;
k – коэффициент теплопередачи;
L – длина трубки;
q – плотность теплового потока;
r – удельная теплота фазового перехода;
Rз – термическое сопротивление загрязнений;
t, T – температура;
υ – удельный объем;
x – массовое расходное паросодержание;
α – коэффициент теплоотдачи;
β – степень оребрения;
∆t0 – падение температуры кипения;
∆P – перепад давления;
ζ – коэффициент трения;
θ – логарифмическая разность температур;
µ – динамический коэффициент вязкости;
ρ – плотность;
ρw – массовая скорость;
НРТ – низкокипящее рабочее тело;
ТО – теплообменник;
ТУК – теплоутилизирующий контур.
Индексы:
0, a – хладагент;
1 и 2 – вход и выход;
max – максимальный;
opt – оптимальный;
w – охлаждаемая среда (газ, жидкость, парогазо-
вая смесь);
гр – граничный;
ж – жидкость;
п – пар;
пл – пленка.
1. Анализ проблемы
и постановка задачи исследования
Энергетическая эффективность теплоутилизи-
рующих контуров, работающих по прямому [1] и
обратному циклам [2, 3], зависит от тепловой эф-
фективности теплообменников, использующих в
качестве рабочего тела НРТ. Такие ТО выполняют
функции испарителей − генераторов парообразно-
го НРТ высокого давления, отводящего теплоту от
отработавших газов ГТУ в силовом цикле, и испа-
рителей с кипением НРТ при низком давлении −
охладителей жидкости или газа (воздуха) в холо-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 5 27
Тепло- и массообменные аппараты
дильном цикле, а также конденсаторов. Это, как
правило, ТО с внутриканальным фазовым перехо-
дом.
Особенностью работы испарителей с кипением
в каналах является, во-первых, большое гидрав-
лическое сопротивление ∆P, в несколько раз пре-
вышающее гидравлические сопротивления ТО без
фазового перехода и приводящее при повышен-
ных скоростях к уменьшению плотности тепло-
вых потоков q, во-вторых, существование так на-
зываемого режима "сухой" стенки, при котором
двухфазный поток представляет собой капли
жидкости в перегретом паре (дисперсный поток).
Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверх-
ности трубки к пару меньше, чем его величина к
охлаждаемому газу, приведенная к той же внут-
ренней поверхности.
Осушение стенки происходит при переходе от
дисперсно-кольцевого режима течения к дисперс-
ному при некотором граничном паросодержании
xгр и сопровождается падением интенсивности те-
плоотдачи [4, 5]. При первом режиме теплопере-
дача лимитируется исключительно наружной теп-
лоотдачей к охлаждаемому газу (интенсивность
которой во много раз меньше). Даже двух-
трехкратные ошибки при определении коэффици-
ента теплоотдачи к кипящему НРТ на результатах
расчета практически не сказываются. При втором
режиме теплопередача зависит от интенсивности
теплоотдачи к пару НРТ. Поэтому достоверность
теплового расчета ТО во многом зависит от соот-
ношения протяженности зон, указанных выше
режимов, т.е. от точности определения xгр.
При проектировании ТО необходимо обеспе-
чить минимальные габариты (максимальные
плотности тепловых потоков qmax) или же темпе-
ратурные напоры θ между участвующими в теп-
лопередаче средами. Зависимость q от k и от θ
(q = kθ), которая, в свою очередь, зависит от паде-
ния температуры кипения, обусловленного ∆P,
ставит перед проектантами задачу нахождения
оптимальной массовой скорости НРТ (ρw)opt, ко-
торая обеспечивает qmax.
Обычно (ρw)opt выбирают либо исходя из прак-
тики проектирования (по прототипу), либо на ос-
нове эмпирических зависимостей, действитель-
ных для весьма ограниченного диапазона рабочих
тел и параметров цикла. Для перспективных озо-
нобезопасных НРТ такие данные, как правило, от-
сутствуют.
Целью выполненного исследования была раз-
работка методологии проектирования теплооб-
менников с внутритрубным кипением НРТ, обес-
печивающей нахождение максимальной плотно-
сти тепловых потоков qmax и соответствующих оп-
тимальной массовой скорости НРТ (ρw)opt и гео-
метрических характеристик.
2. Основные положения методологии
и анализ результатов расчета
Существование максимума плотности теплово-
го потока q объясняется противоположным влия-
нием массовой скорости ρw на коэффициент теп-
лопередачи k и температурный напор θ. Если с
увеличением ρw коэффициенты теплоотдачи при
кипении αa и теплопередачи k возрастают, то уве-
личение гидравлического сопротивления ∆P, на-
оборот, приводит к падению температуры кипе-
ния ∆t0 и, как следствие, температурного напора θ
[6].
Выражение для плотности теплового потока,
отнесенной к внутренней поверхности труб (на
стороне кипящего НРТ), можно записать в виде
( )
1 2 0
1 02
з
2 02 0
1
1 1 ln
α α
w w
w
a w w
t t tq k t tR
t t t
− + ∆
= θ = ⋅
−
+ +
⋅β − + ∆
Коэффициент теплоотдачи к кипящему НРТ αa
вычисляют в соответствии с аналогией между пе-
реносом теплоты и импульса (аналогией Рей-
нольдса), а падение температуры кипения ∆t0,
обусловленное гидравлическим сопротивлением
∆Р, рассчитывают исходя из уравнения Клаузиу-
са-Клапейрона. Достоверность этих уравнений
подтверждена для большинства известных НРТ.
В соответствии с уравнением Клаузиуса–
Клапейрона дифферинциальная зависимость меж-
ду ∆t0 и ∆Р при малых величинах их может быть
представлена в конечных разностях:
0жп00 )υυ(d
d
t
P
T
r
t
P
∆
∆
≈
−
=
Гидравлическое сопротивление ∆Р рассчиты-
вают по методу Локкарта-Мартинелли [7], соглас-
но которому потери давления на трение двухфаз-
ного потока выражают через аналогичную вели-
чину для той из фаз, падение давления которой
28 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 5
Тепло- и массообменные аппараты
больше. Если это жидкость, то ∆Р = Фж
2 ⋅ ∆Рж, а
если пар, то ∆Р = Фп
2 ⋅ ∆Рп. При этом потери дав-
ления на трение жидкости рассчитывают как
Рис. 1. К расчету (ρw)opt.
∆Рж = ζζж(ρw)2(1 - х)2L / (2dвнρж),
а пара
∆Рп = ζζп(ρw)2х2L / (2dвнρп),
где коэффициент трения для турбулентного тече-
ния находится по закону Блазиуса.
Коэффициент пропорциональности Фп вычис-
ляют по эмпирической корреляции [8]
Фп = 1 + 2,85Хtt
0,52,
а Фж – из соотношения
Фж = Фп / Xtt = Xtt
−1 + 2,85Xtt
−0,48.
Параметр Мартинелли-Нельсона
Xtt = (∆∆Рж / ∆∆Рп)0,5 [9] определяют по формуле
Xtt =
0,1 0,50,9
ж п
п ж
1 х
х
⎛ ⎞ ⎛ ⎞µ ρ−⎛ ⎞
⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟µ ρ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠
.
В выражения для нахождения ∆Рж и ∆Рп входит
длина трубки L, которая при проектировании яв-
ляется искомой величиной. Ее находят из тепло-
вого баланса – равенства количеств теплоты (теп-
ловых потоков), подведенной на участке поверх-
ности трубки длиной L в процессе теплопередачи,
и теплоты, ушедшей на испарение жидкости и пе-
регрев пара НРТ на величину ∆tп:
Q = qπdвнL = 0,25πdвн2(ρw)[r(1 - х1) + cп∆tп]
или при неполном фазовом переходе:
Q = qπdвнL = 0,25πdвн2(ρw)r(х2 - х1).
Поскольку в приведенные соотношения входит
плотность теплового потока q, которая является
искомой величиной, то вычисления производятся
итерационным методом − до совпадения принятой
величины q с рассчитанной q = k ⋅ θ. Вычисляя q
для ряда значений ρw, находят максимальную ее
величину qmax, которой и будет соответствовать
оптимальная массовая скорость НРТ в трубке
(ρw)opt.
Число трубок (змеевиков), или же число под-
водов НРТ к теплообменнику,
n = 4G / [πdвн2(ρw)opt],
где G – общий расход НРТ через теплообменник.
Для заданной тепловой нагрузки (холодопроизво-
дительности) Q0 оптимальная внутренняя поверх-
ность теплообмена определяется соотношением
Fopt = Q0 / qmax.
На рис. 1 представлен характер изменения ко-
эффициента теплопередачи k, температурного на-
пора θ и плотности теплового потока q в зависи-
мости от массовой скорости ρw при следующих
условиях работы генератора пара R-142B – охла-
дителя отработавших газов ГТУ: температура ки-
пения t02 = 120 °С; хгр = 0,9; температуре газов на
входе и выходе tw1 = 160 °С и tw2 = 140 °С; степень
оребрения β = 7; внутренний диаметр трубок
dвн = 0,016 м.
При определении xгр за основу был взят метод
Хьюитта (Великобритания) [10], базирующийся
на капельном обмене между пристенной пленкой
и паровым ядром дисперсно-кольцевого потока.
Однако в отличие от него принималось, что унос
капель прекращается при достижении массовой
скоростью в пленке (ρw)пл некоторого критиче-
ского значения (ρw)пл.кр, соответствующего так
называемому кризису гидравлического сопротив-
ления. При этом поверхность микропленки стано-
вится гладкой, следствием чего и является резкое
уменьшение гидравлического сопротивления. Со-
ответствующее паросодержание обозначают х∆Р.
Влияние осаждения капель на толщину пристен-
ной пленки учитывалось введением поправки
∆х = хгр - хгр0 (хгр0 и хгр – соответствуют началу и
завершению осушения стенки), значение которой
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 5 29
Тепло- и массообменные аппараты
находили по эмпирической корреляции [11]. Сле-
дует отметить, что достоверные зависимости для
расчета хгр для большинства НРТ (включая и та-
кие перспективные для теплоиспользующих кон-
туров НРТ, как R-142В и R-600 ), к сожалению,
отсутствуют, особенно в области высоких темпе-
ратур 100...120 °С, не свойственных холодильной
технике. Однако предлагаемая методика вычисле-
ния (ρw)opt все же позволяет оценить влияние хгр
на плотности теплового потока в теплообменни-
ках не только качественно, но и количественно, и
благодаря этому прогнозировать тепловую эффек-
тивность теплообменников во всем диапазоне
возможных значений хгр даже при отсутствии дос-
товерных данных по хгр и коэффициентам тепло-
отдачи при кипении αa.
Зависимости плотности тепловых потоков на
участках трубки со смоченной q' (при х ≤ хгр) и
осушенной q" (при х > хгр) поверхностью, а также
средней для всей поверхности испарителя q от ρw
представлены на рис. 2. Более резкое изменение q'
по сравнению с q свидетельствует о доминирую-
щем влиянии ∆Р и соответствующего θ' в первой
зоне на q' и q.
ρ
⋅
w,
/( )кг м с
2( )ρw
o p t 0
( )ρw
o p t 0
( )ρw
o p t
( )ρw
o p t
q
q'
q, /кВт м
2
200 400 600 800
13
12
11
10
9
8
7
6
x
г р
=0,95
x
г р
=0,80
5
R-142B
=120 Ct
0
°
Рис. 3. Зависимость q и q' от ρw при разных хгр.
Зависимости плотности тепловых потоков к
смоченной поверхности стенки трубки q' и сред-
ней для всей поверхности испарителя q от ρw при
разных значениях хгр представлены на рис. 3.
Максимальным их величинам qmax
' и qmax соответ-
ствуют (ρw)opt0 и (ρw)opt. Как видно, с увеличени-
ем хгр от 0,8 до 0,95 значения (ρw)opt0 остаются
практически неизменными, а величины qmax
' по-
вышаются незначительно. С повышением хгр ха-
рактер зависимостей q = f(ρw) становится более
крутым, приближаясь к таковому для q' = f(ρw).
Пологий характер зависимости q = f(ρw) при
высоких температурах кипения допускает значи-
тельные отклонения ρw от (ρw)opt.
3. Выводы и перспективы использования
результатов
Предложенная методика позволяет проектиро-
вать теплообменники с внутриканальным фазо-
вым переходом НРТ, обеспечивающие макси-
мальные плотности тепловых потоков и, следова-
тельно, минимальные габариты и аэродинамиче-
ское сопротивление или же минимальные темпе-
ратурные напоры, т.е. в конечном счете глубокую
утилизацию теплоты уходящих газов ГТУ.
Дальнейшие исследования теплообменных
свойств НРТ должны быть ориентированы на оп-
ределение границы перехода от дисперсно-
кольцевого к дисперсному течению, т.е. от смо-
ченной поверхности трубки с интенсивной тепло-
ρ
⋅
w,
/( )кг м с
2( )ρw
o p t 0
( )ρw
o p t
q, /кВт м
2
q'
m a x q
m a x
q
q'
q''
13
12
11
10
9
8
7
6
5
200 400 600 800
R-142B
=120 Ct
0
°
Рис. 2. Зависимость q, q' и q" от ρw при хгр = 0,9.
30 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 5
Тепло- и массообменные аппараты
отдачей к сухой стенке с крайне низкой интенсив-
ностью теплоотдачи к пару.
ЛИТЕРАТУРА
1. Комплексне використання утилізаційних енерго-
установок на КС для підвищення ефективності ГПА
/ Б.Д. Білека, С.П. Васильєв, В.М. Клименко, В.М.
Коломєєв, В.І. Ізбаш, Д.А. Костенко, В.А. Кривуця//
Нафтова і газова промисловість.– 2000.– № 4.–
С. 40-43.
2. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирова-
ния воздуха и холодильные машины.– СПб.: Судо-
строение, 1994.– 504 с.
3. Петренко В.А. Принцип выбора рабочего вещества
для эжекторной холодильной машины // Холодиль-
ная техника и технология.– 2001.– № 1 (70).– С. 16-
21.
4. Левитан Л.Л. Кризис высыхания в дисперсно-
кольцевом режиме течения // Двухфазные потоки.
Теплообмен и гидродинамика.– Л.: Наука, 1987.–
С. 169-186.
5. Chaddock J.B., Varma H.K. An Experimental Investiga-
tion on Dry- out with R22 Evaporating in a Horizontal
Tube // ASHRAE Transactions.– 1979.– Vol. 85.–
P. 105-121.
6. Slipcevic B. Warmeubergang beim sieden von R – kal-
temitteln im horizontalen rohren // Kaltetechnic – Kli-
matisierung.– 1972.– № 12.– S. 345-351.
7. Lockhart R.W., Martinelli R. C. Proposed correlation of
data for isothermal two-phase, two-component flow in
pipes// Chem. Eng. Progr.– 1949.– Vol. 45.– № 1.–
P. 39-48.
8. Soliman M., Schuster J.R., Berenson P.J. A general heat
transfer correlation for annular flow condensation //
Trans.ASME: Serie C.– 1968.– Vol. 90.– № 2.– P.267-
276.
9. Martinelli R.C., Nelson D.B. Prediction of pressure drop
during forced - circulation boiling of water // Trans.
ASME.– 1948.– Vol. 70.– P. 695-702.
10.Hewitt G. F., Govan A.H. Phenomenological modelling
of non-equilibrium blows with phase change // Int. J.
Heat Mass Transfer.– 1990.– Vol. 33.– P. 243-252.
11.Смирнов Г.Ф. Теплофизические проблемы охлаж-
дения электронного оборудования // Холодильная
техника и технология.– 1999.– Вып. 62.– С. 102-107.
Получено 16.08.2004 г.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 5 31
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61521 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:34:12Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Билека, Б.Д. Радченко, Н.И. Сирота, А.А. 2014-05-07T05:20:49Z 2014-05-07T05:20:49Z 2004 Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ / Б.Д. Билека, Н.И. Радченко, А.А. Сирота // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 5. — С. 27-31. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61521 621.56 Рассмотрены принципы проектирования теплообменников с низкокипящими рабочими телами в трубах. Представлены результаты расчетов их основных параметров и установлены закономерности, вытекающие из них. Высокоэффективные теплообменники обеспечивают глубокую утилизацию теплоты в газотурбинных установках. Розглянуто принципи проектування теплообмінників з низькокиплячими робочими тілами в трубах. Наведено результати розрахунків їх основних параметрів і встановлено закономірності, що з них випливають. Високоефективні теплообмінники забезпечують глибоку утилізацію теплоти в газотурбінних установках. The principles of designing of heat exchangers with low boiling working fluids flowing inside tubes are discussed. The results of their main parameters calculations are presented and the regularities following from these have been developed. The high efficient heat exchangers provide deep waste heat recovery in Gas Turbine Units. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ Билека, Б.Д. Радченко, Н.И. Сирота, А.А. Тепло- и массообменные аппараты |
| title | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ |
| title_full | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ |
| title_fullStr | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ |
| title_full_unstemmed | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ |
| title_short | Особенности проектирования теплообменников на НРТ для теплоутилизирующих контуров ГТУ |
| title_sort | особенности проектирования теплообменников на нрт для теплоутилизирующих контуров гту |
| topic | Тепло- и массообменные аппараты |
| topic_facet | Тепло- и массообменные аппараты |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61521 |
| work_keys_str_mv | AT bilekabd osobennostiproektirovaniâteploobmennikovnanrtdlâteploutiliziruûŝihkonturovgtu AT radčenkoni osobennostiproektirovaniâteploobmennikovnanrtdlâteploutiliziruûŝihkonturovgtu AT sirotaaa osobennostiproektirovaniâteploobmennikovnanrtdlâteploutiliziruûŝihkonturovgtu |