ПРОТИВОТОЧНЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ МАТРИЧНО-КОЛЬЦЕВОЙ КОМПАКТНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ РЕКУПЕРАТОР
COUNTER-FLOW PLATE-TYPE MATRIX-ANNULAR COMPACT CERAMIC RECUPERATOR

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к газотурбостроению, где создаются высокоэкономичные газотурбинные двигатели и установки с регенерацией теплоты. Одним из важных элементов таких двигателей и установок является рекуператор, в котором теплота уходящих газов передается сжатому цикловому воздуху.
Необходимо отметить, что одним из существенных недостатков современных трубчатых и пластинчатых рекуператоров является их громоздкость и, как следствие, значительные габариты и масса, превышающие аналогичные характеристики, всех прочих элементов газотурбинной установки вместе взятых.
Известный пластинчатый рекуператор принят в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения [1, с.357].
Целью настоящего изобретения является существенное повышение технического совершенствования пластинчатого рекуператора. Предложенный рекуператор перспективен для его использования в газотурбинных установках открытого цикла, что убедительно подтверждено расчетами. Особенно эффективно использование предлагаемой конструкции при существенно различных массовых расходах нагреваемого и нагревающего теплоносителей.
В предлагаемом изобретении указанная выше цель достигается конкретно тем, что к таким уже известным характерным особенностям конструкции, как:
- создание рекуператора в виде ряда цилиндрических, идентичных по конструкции, теплообменных матриц одинаковой ширины и разного наружного диаметра, установленных соосно, одна в другой;
- реализация матрицы в виде цилиндрических стаканов, количество которых легко варьируется в зависимости от необходимой теплообменной поверхности рекуператора за счет соответствующего увеличения его наружного диаметра при постоянной высоте рекуператора;
- разработка каждого стакана-матрицы в виде стопки плотно сжатых между собой плоских пластин с центральными отверстиями и краевыми полукруглыми вырезами, расположенными между центральными отверстиями;
- изготовление по периметру стенок центральных отверстий и периферийных полуотверстий каждой из пластин с определенным продольным шагом по меньшей мере по одному обновляющему пограничный слой интенсификатору, например, в виде поперечных канавок, систем углублений, выступов и т.д.;
дополняется существенное конструкторское изменение:
- выполнение в перемычках между центральными отверстиями кольцевых пластин цилиндрических теплообменных матриц поперечных щелевых отверстий, соединяющих все центральные отверстия каждой кольцевой пластины и образующих совместно с центральными отверстиями кольцевой поперечный горообразный канал.
Предлагается противоточный пластинчатый матрично-кольцевой компактный керамический рекуператор, состоящий из ряда цилиндрических теплообменных матриц разного диаметра, установленных соосно одна в другой, при этом каждая матрица выполнена в виде цилиндрического стакана, собранного в виде стопки плоских кольцевых листов - пластин с центральными отверстиями, расположенными с определенным шагом по центральной от кольцевой пластины, и периферийными полуотверстиями, выполненными по краям кольцевой пластины между центральными отверстиями, образующими в цилиндрической теплообменной стаканообразной матрице при сложении пластин систему продольных каналов, и предназначенными для раздельного пространственного движения в них нигде не смешивающихся между собой потоков нагреваемого и нагревающего теплоносителей, причем по периметру стенок каналов каждой из пластин с определенным продольным шагом выполнено, по меньшей мере, по одному обновляющему пограничный слой интенсификатору, например, в виде поперечных канавок, систем углублений, выступов и т.д. В перемычках между соседними центральными отверстиями выполнены щелевые поперечные отверстия, образуя в каждой кольцевой пластине цилиндрической теплообменной матрицы кольцевой поперечный горообразный канал.
Предлагаемое изобретение поясняется схематическими чертежами, представленными на фиг.1-10.
На фиг.1 показана в плане схема компоновки цилиндрических
теплообменных матриц разного диаметра, установленных соосно одна в другой, а на фиг.2 - элемент А этой схемы. Видно, что в плане каждая теплообменная матрица представляет собой кольцо определенного внутреннего диаметра и постоянной у всех матриц ширины. Каждое такое кольцо имеет определенное количество центральных отверстий 1 и периферийных полуотверстий 2. Отверстия 1 представляют собой поперечные сечения каналов, по которым движутся потоки горячих газов, а полуотверстия - поперечные сечения, по которым движутся потоки холодного сжатого воздуха. На фиг.3 представлен продольный разрез рекуператора и показаны направления движения (стрелками) теплоносителей, причем в верхней половине продольного разреза приведена геометрия воздушного (холодного) тракта (сеч. Б-Б, фиг.2) рекуператора, а на нижней - газового (горячего) его тракта (сеч. В-В, фиг.2). На фиг.4 показана одна кольцевая пластина (без интенсификаторов на поверхности центральных отверстий 1 и периферийных полуотверстий 2) в объемном изображении, а на фиг.5 и 6 приведены вид сверху на пластину и разрез пластины по средней плоскости ее высоты. На фиг.7 и 8 представлена стопка таких пластин с иллюстрацией геометрии интенсификаторов течения в газовых 1 и воздушных 2 каналах. На фиг.9 и 10 показано взаимное расположение интенсификаторов 11 и 12 в газовых 1 и воздушных 2 каналах.
Возвращаясь к фиг.1, можно видеть, что структура рекуператора в рассматриваемом конкретном конструктивном варианте имеет семь цилиндрических теплообменных матриц, включая центральную 3 и периферийную 4 матрицы.
На фиг.3 представлены схемы подвода (холодного воздуха 5) и отвода нагреваемого теплоносителя (нагретого в рекуператоре воздуха 6), подвода (горячих газов 7) и отвода нагревающего теплоносителя (охлажденных газов 8).
Для выравнивания давления горячих газов по всему сечению пластины теплообменных цилиндрических матриц газовые каналы 1 соединены щелевыми отверстиями 9 (фиг.4), выполняемыми в перемычках 10 между центральными отверстиями 1.
По периметру стенок газовых 1 и воздушных 2 каналов каждой из пластин с определенным продольным шагом выполнены обновляющие пограничный слой интенсификаторы 11 и 12 в виде поперечных канавок, систем углублений, выступов (фиг.7, 8), причем для оптимизации прочностных характеристик стенки 13 между воздушными 2 и газовыми 1 каналами интенсификаторы 12 воздушного потока и интенсификаторы 11 газового потока следует выполнять с одинаковым продольным шагом 5 (фиг.9 и фиг.10), но со смещением интенсификаторов 11 относительно интенсификаторов 12 на половину шага δ/2 (фиг.10).
Рассматриваемый рекуператор работает следующим образом. Сжатый цикловой холодный воздух подводится в рекуператор по стрелкам 5 (фиг.3) во все каналы, образованные системой состыкованных полуотверстий. Горячие газы подводятся в центр рекуператора по стрелкам 7 (фиг.3), направляются в каналы, образованные системой центральных отверстий 1 (фиг.4, 5) и, пройдя через которые всю длину рекуператора в противотоке воздуху, выпускаются из теплообменника по стрелке 8 (фиг.3). Выпуск подогретого в рекуператоре сжатого воздуха осуществляется по стрелкам 6.
Материалом рекуператора могут служить конструкционная керамика и металлы.
Литература
1. Я.И.Шнеэ, Газовые турбины (теория и конструкция), М.: МАШГИЗ, 1960, стр.357.