Интенсификация теплообмена в регенеративных теплообменных аппаратах ГТУ при применении рельефных рёбер

УДК 536.24

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ ГТУ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ РЕЛЬЕФНЫХ РЁБЕР

А.А. Пригожин, С.В. Дахин

Рассматривается возможность применения рельефных рёбер для интенсификации теплопередачи в регенеративных теплообменниках ГТУ. Профилирование поверхности происходило путём устройства трёхмерных углублений различной геометрии (TLJT-поверхность). При численном моделировании рёбер с лунками в ряде случаев наблюдался опережающий рост теплоотдачи по сравнению с гидродинамическим сопротивлением

Ключевые слова: профилированное ребро, лунки, смерчеобразные струи, теплопередача, интенсификация

Традиционно регенеративное теплоисполь-зование применяется в теплотехнологиях, например, в высокотемпературных теплотехнических установках для регенеративного подогрева воздуха и топлива. В котельных установках регенеративный подогрев воздуха, идущего для горения, и питательной воды производится уходящими газами, снижая их температуру и, тем самым, повышая КПД котла. На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) осуществляется регенеративный подогрев питательной воды паром из регенеративных отборов паровой турбины, за счет чего уменьшается поток теплоты, идущий с паром в конденсатор.

Несмотря на то, что положительный эффект от регенерации теплоты известен давно, данное направление повышения эффективности установок остаётся актуальным. Совершенствуются как термодинамические циклы и технологические схемы, так и теплообменные аппараты.

Особенно важными вопросы регенеративного подогрева являются для газотурбинных (Г ТУ) и газопаровых (ГПУ) установок в части повышения их КПД за счёт полезного использования теплоты продуктов сгорания (выхлопа) газовой турбины. Традиционно, повышение термодинамической эффективности ГТУ осуществляется путём увеличения температуры и давления перед турбиной.

Такой подход резко ограничивает возможность реализации регенерации из-за возникающего противоречия:

с одной стороны, даже при малом коэффициенте гидродинамического сопротивления, существуют условия, при которых регенерация может привести к отсутствию полезной работы в установке;

с другой стороны, увеличение давления приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи

Пригожин Антон Александрович - ИМАТ ВГТУ, лаборант-исследователь, тел. 8(473)234-61-08 Дахин Сергей Викторович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: svdakhin@ya.ru. тел. 8(473)243-76-62

от воздуха, при этом относительно малый коэффициент теплоотдачи от выхлопа турбины компенсируется снижением термосопротивления при оребрении поверхности теплообмена, что приводит к увеличению потребной площади теплообмена и гидродинамического сопротивления, тем самым минимизируя эффект от регенерации, особенно сильно это проявляется при коэффициенте регенерации ^ > 0,7 [1].

Существуют схемные решения, позволяющие разрешить вышеуказанное противоречие, например в [2] рассматривается устройство регенеративного цикла путем создания контура частичной рециркуляции с малой степенью повышения давления и высокими абсолютными значениями давления на входе и выходе компрессора циркуляционного контура. Преимуществом предлагаемой ГТУ с рециркуляцией продуктов сгорания при высоком давлении является повышение её эффективности без существенных технологических изменений.

Однако, на наш взгляд, определяющим здесь остаётся вопрос интенсификации теплообмена в регенераторах ГТУ.

Предлагается интенсифицировать теплоотдачу на поверхности рёбер ар со стороны продуктов сгорания. Покажем влияние ар на изменение площади оребрения на примере плоского прямоугольного ребра расположенного на теплообмен-ной трубке.

Полагаем, что условия гидродинамики и теплообмена внутри трубки не изменяются, стенка трубки тонкая, коэффициент теплоотдачи с внешней стороны трубки ас = const, ар = const по всей поверхности ребра, ширина ребра b = const, может изменяется только длина ребра l, причём избыточная температура торца ребра di = const, гидродинамические условия со стороны оребрения неизменны.

Тогда, для обеспечения постоянства коэффициента теплопередачи кг при изменении ар,

необходимо равенство термосопротивлений ореб ренной стенки

1 ^ 1 ^

а Р

"пр 1 рс

а

пр рс

где Рь /рс = ^р + ^с - площадь внутренней поверхности трубки, ребристой стенки, поверхности ребра и внешней поверхности трубки свободной от рёбер соответственно, м2; «пр - приведённый коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); штрих обозначает новое значение.

В рамках принятых условий а^р существенно зависит только от изменения «р, при этом изменение площади ребер пропорционально изменению их длины I. Действительно, если

д1 =

сК(тХ)'

то легко получаем:

т =

ау

2а

Л6

а.

0,5

Проанализируем влияние интенсификации теплоотдачи на теплообменных ребрах на примере газового регенеративного подогревателя (ГРП) водородной паротурбинной установки (ВПУ) [3].

Конструктивно ГРП представляет собой трехпоточный теплообменный аппарат, в котором один греющий теплоноситель (перегретый пар после турбины) и два нагреваемых теплоносителя (газообразные кислород и водород).

На рис. 1 - 2 показан общий вид и схема движения теплоносителей ГРП.

Кислород и водород движутся по трубкам с внутренним диаметром de = 10 мм и толщиной стенки 5с = 1 мм. Материал стенки трубок -сталь 12Х18Н10Т.

Трубки согнуты в змеевик, который имеет параллельные ходы: для кислорода -13; для водорода - 27.

Плоскость змеевика горизонтальна. Таким образом, совокупность змеевиков образует трубный пучок, который омывается греющим перегретым паром.

Рис. 2. Схема движения теплоносителей ГРП

В результате расчёта ГРП определена потребная площадь теплообмена F = 27,5 м2.

С целью улучшения габаритно-массовых характеристик ГРП предлагается оребрить поверхность труб в пучке теплообменника со стороны пара, т.к. коэффициент теплоотдачи для пара примерно в 10 раз ниже, чем для кислорода и водорода.

Выбираем круглые прямые ребра из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Сравниваются ребра толщиной 5р = 0,1 ^ 1,0 мм, высотой кр 5 мм и 10 мм, расстояние между ребрами к принималось равным 1, 5 и 10 мм.

Расчёт проводился по методике [4]. Результаты представлены на рис. 3.

Относительная площадь трубного пучка Р и относительная потеря напора в пучке ДР определялись как отношение площади или потери напора оребрённого пучка к гладкому:

_ Ррп _ ДР

рп

Р = ; ДР =

рп

ДР.

Здесь Fрп и ДРрп приведены к гладкой по-

верхности.

Рис. 1. Общий вид ГРП

При расчёте ДРрп использовалась формула для определения коэффициента гидравлического сопротивления одного ряда в виде

= Де-0'25,

где

К. К.

I"

рс

рс -

2п,

, м;

пр - количество ребер.

Из рис. 3 видно, что могут существовать условия, при которых потребная площадь теплообмена снижается более чем в пять раз при существенно меньшей, или, как минимум, равной потере напора неоребрённых трубок (линии 1 - 4).

1

I? о

0,8

с

0,6

0,4

0,2

0 0,5 1 1,5 2

Относительная потеря напора в пучке

Рис. 3. Относительная потеря напора в пучке Зр = 0,1 - 1,0 мм; шаг между ребрами 1 мм: 1 - высота ребра 5 мм; 2 - высота ребра 10 мм; шаг между ребрами 5 мм: 3 -высота ребра 5 мм; 4 - высота ребра 10 мм; шаг между ребрами 10 мм: 5 - высота ребра 5 мм; 6 - высота ребра 10 мм

Из (3) и (5) следует, что при увеличении ар возможно уменьшение коэффициента гидравлического сопротивления трубного пучка за счёт уменьшения /р. Одним из способов интенсификации теплоотдачи на поверхности ребра может являться применение TLJT-поверхностей для создания смерчеобразных струй. Для этого на поверхности ребра делаются лунки различной геометрии (рис. 4 - 6) [5].

Рис. 4. Геометрия модели с лунками-углублениями, h/d=1/8

Рис. 5. Геометрия модели со сферическими лунками, h/d=1/2

Рис. 6. Геометрия модели с эллиптическими лунками, h/d=1/3

Задача решалась в программном комплексе ANSYS CFX в рамках SST-модели. Граничные условия для всех моделей приняты следующими: температура набегающего воздуха Тж = 300 К; со стороны теплообменных трубок задано условие первого рода с Ттр = 400 К; на поверхности пластин задано условие третьего рода. Расчёты проводились для "открытой" и "закрытой" моделей. "Открытая" модель характеризуется свободным прохождением охлаждающего воздуха через боковые и заднюю грань расчетной области. У "закрытой" модели боковые грани не проницаемы.

В ходе решения была получена устойчивая сходимость для всех уравнений порядка 5 10-4 - 110-4.

На рис. 7 представлены результаты численного моделирования коэффициента теплоотдачи на пластинах для открытой модели при скорости набегающего потока 150 м/с.

а) б) в) г)

Рис. 7. Коэффициент теплоотдачи для "открытой" модели а) плоская пластина; б) модель с лунками-углублениями; в) модель со сферическими лунками; г) модель с эллиптическими лунками

0

Сравнение вариантов "олунения" плоских рёбер показывает, что величина среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи максимальна для модели с лунками углублениями и минимальна для модели со сферическими лунками. Но для всех моделей теплоотдача выше, чем на плоской пластине. В таблице приведены численные значения среднего коэффициента теплоотдачи и потери давления ДРр', отнесённые к соответствующим величинам на плоском ребре.

Модель, "аткрытая7"закрытая"

ар = = а 2,86 1,14 2,57/1,9

_ АР' АРр' = р р АР' '-"р.пл 1,19 1,44 1,54

Рассмотрим возможные результаты применения "олунённых" ребер в конструкции рассмотренного выше ГРП на примере рёбер толщиной 0,5 мм с нанесёнными лунками-углублениями.

Из (3) получаем оценку уменьшения длины ребра

7 / /\0,5

Таким образом, организация лунок различной формы на теплообменных рёбрах при оптимальных соотношениях гидродинамика-геометрия, позволит снизить габаритно-массовые характеристики регенеративного теплообменника.

Работа выполнена в рамках исполнения государственного задания в сфере научной деятельности.

Литература

1. Стационарные газотурбинные установки / Л. В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов; Под ред. Л.В. Ар-сеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение. Ле-нингр. отд-ние. 1989. - 543 с.

2. Ходус, В.В. Высокоэффективный регенеративный цикл ГТУ с рециркуляцией продуктов сгорания при высоком давлении [Текст] / В.В. Ходус // Теплоэнергетика. -2010. - № 2. - С. 7 - 11.

3. Разработка элементов опытной универсальной модульной экологически чистой водородной паротурбинной энергоустановки с механическим приводом на валу мощностью до 5 МВт [Текст] // Отчёт по опытно-конструкторской работе. № гос. регистрации 01201175129.

4. Бажан, П.И. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.И. Селиверстов. -М.: Машиностроение. - 1989. - 367 с.

5. Пригожин, А.А. Влияние профиля поверхности плоского прямого ребра на теплопередачу [Текст] / А.А. Пригожин, И.С. Аношин, С.В. Дахин // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2015. - Т. 11. - № 2. - С. 91-95.

тогда с учётом (5) АР уменьшится на 6 %.

Институт машиностроения и аэрокосмической техники Воронежского государственного технического университета

Воронежский государственный технический университет

INTENSIFICATION OF HEAT TRANSFER IN REGENERATIVE HEAT EXCHANGERS STU

IN THE APPLICATION OF RELIEF EDGES

A.A. Prigozhin, S.V. Dakhin

Describes the application of relief edges to the intensification of heat transfer in regenerative heat exchangers of gas turbine plants. Profiling surface occurred through three-dimensional cavities of various geometries (TLJT-surface). In numerical simulations of ribs with holes in a number of cases there was outstripping growth of heat transfer in comparison with the hy-drodynamic resistance

Key words: profiled edge, wells, tornado, heat transfer, intensification