ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Предлагаемая полезная модель относится к области паровых и газовых турбин. Модель может быть использована, например, в паротурбинных установках, в качестве вспомогательного аппарата, предназначенного для осуществления экстренных сбросов пара в конденсатор. К экстренным сбросам пара относятся сбросы пара от быстродействующих редукционно-охладительных установок (БРОУ). обеспаривания трубопроводов горячего промперегрева (ГПП), расширителей дренажей турбины (РДТ). В газотурбинных установках с помощью теплообменного аппарата может быть эффективно выполнено испарительное охлаждение воздуха на входе в компрессор.
До настоящего времени в качестве теплообменных аппаратов, предназначенных для испарительного охлаждения потока, широко использовались форсунки, распыляющие воду непосредственно в поток пара или газа. Основными существенными недостатками этих аппаратов являются неравномерность распределения капель воды в потоке и сепарация капель на стенки корпуса аппаратов. В результате эффективность применения таких аппаратов низкая.
В качестве аппаратов для испарительного охлаждения применяются также различного вида смачиваемые насадки, расположенные в потоке пара или газа. Известен испарительный охладитель для охлаждения газового потока, содержащий несколько охлаждающих элементов, расположенных в проточном канале, к которым посредством питающего устройства может подводиться подлежащая испарению жидкость, причем охлаждающие элементы состоят из нескольких охлаждающих пластин, имеющих гидрофильное поверхностное покрытие (патент RU 2471134, F28C 1/02, опубликован 27.12.2012). Основным недостатком указанных аппаратов является сравнительно небольшая скорость обтекания охлаждающих элементов потоком пара или газа, вызванная необходимостью предотвращения срыва капель с поверхности элементов и роста аэродинамического сопротивления элементов потоку пара или газа. В результате интенсивность испарения относительно мала, что вынуждает чрезмерно увеличивать количество элементов и, как следствие, габариты теплообменников. По указанной причине применение таких теплообменников в ряде случаев невозможно, например, для охлаждения потоков пара в паротурбинных установках или воздуха перед компрессором транспортной газотурбинной установки.
Известен теплообменный аппарат для испарительного охлаждения потоков пара или газа, выбранный нами за прототип (патент RU 2070699 C1, F28C 3/06, опубл. 20.12.1996). Аппарат содержит последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку, имеющую каналы для подвода газа и цилиндрическую камеру, и трубопровод подвода жидкости. Аппарат снабжен камерой, установленной за круговой лопаточной решеткой по ходу газа. Камера выполнена кольцевой в поперечном сечении с максимальным и минимальным радиусами, определяемыми из соотношений между параметрами газа и жидкости. Изобретение позволяет использовать плоский поток пара или газа, имеющий одновременно вращательное движение и движение к центру вращения (известного в литературе как «вихресток»). При этом центр вращения совпадает с осью отводящего трубопровода. Однако, при относительно невысокой скорости истечения горячих газов из круговой решетки (менее примерно 100 м/с) и сравнительно больших углах выхода потока газа из лопаток круговой решетки (ориентировочно более 30 градусов), движение капель в аппарате происходит вне пространства кольцевой камеры, что приводит к ухудшению испарения воды. Кроме того, происходит потеря энергии вращения потока газа за ним. Это определяет повышенное аэродинамическое сопротивление аппарата и потому уменьшает эффективность его применения.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы теплообменного аппарата путем увеличения интенсивности испарения за счет предотвращения движения капель вне пространства кольцевой камеры, а также снижения аэродинамического сопротивления аппарата при одновременном уменьшении его размеров.
Аналогично прототипу теплообменный аппарат содержит последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку, имеющую межлопаточные каналы для прохода газа, кольцевую в поперечном сечении камеру, а также трубопровод подвода жидкости.
В отличие от прототипа аппарат содержит цилиндрический корпус с приемной камерой, снабженный отверстиями для подвода и отвода газов. Непосредственно за кольцевой камерой установлена компрессорная решетка профилей, входные кромки лопаток которой направлены навстречу потока газа, а выходные кромки направлены радиально. При этом радиус круговой лопаточной решетки по выходным кромкам лопаток связан с радиусом компрессорной решетки профилей по входным кромкам лопаток соотношением:
вх
вых
R<R*Cosα.
вых
где R - радиус круговой лопаточной решетки по выходным кромкам лопаток;
вх
R - радиус компрессорной решетки профилей по входным кромкам лопаток;
α - угол выхода потока пара или газа из круговой лопаточной решетки, соответствующий углу между направлением выходных кромок лопаток круговой решетки и касательной к окружности, проходящей по выходным кромкам лопаток.
вых
В данном выражении R<R. где R - условный радиус вращения капель вокруг оси аппарата. При этом силы, движущие капли к центру вращения потоком газа, уравновешиваются центробежными силами, возникающими в результате указанного вращения капель. После преобразований величину R находят из выражения:
к
k
г
2
R=(4*Д*ρ)/(3*ψ*ρ*tgα), где
к
г
г
2
Д=12*σ*/(ρ*C );
г
к
0,5
ψ=14/(C*Д/ν);
ψ - коэффициент аэродинамического сопротивления капель;
к
Д - диаметр образующихся капель;
σ - поверхностное натяжение воды;
k
г
ρ, ρ - плотности капель и газа;
г
C - скорость потока газа на выходе из лопаток круговой решетки;
α - угол выхода потока пара или газа из круговой лопаточной решетки, соответствующий углу между направлением выходных кромок лопаток круговой решетки и касательной к окружности, проведенной по выходным кромкам лопаток;
ν - кинематическая вязкость газа.
В случае использования предлагаемого решения из-за установки решетки профилей предотвращается унос капель из аппарата через отверстие для отвода газов по каналу отвода охлажденных газов. Это связано с тем, что капли воды до полного их испарения движутся только в пределах кольцевой камеры. При этом также интенсифицируется процесс испарения капель. Одновременно компрессорная решетка профилей позволяет устранить вращательное движение потока и тем самым восстановить его давление, вследствие чего уменьшается аэродинамическое сопротивление теплообменного аппарата потоку пара или газа. В результате при применении аппаратов на паропроводах экстренных сбросов паровых турбин удается избежать разрушения конденсатора и устранить эрозию рабочих лопаток последней ступени турбины. В случае использования предлагаемого решения в воздуховоде перед компрессором в большей степени снижается температура воздуха и исключается наличие капель в потоке воздуха. Эти факторы наряду со снижением аэродинамического сопротивления аппаратов увеличивают эффективность их применения перед компрессором.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг.1 представлена схема аппарата, где: 1 - цилиндрический корпус, 2 - приемная камера, 3 - круговая лопаточная решетка, 4 - трубопровод подвода жидкости, 5 - кольцевая в поперечном сечении камера, 6 - отверстие для подвода горячих газов, 7 - отверстие для отвода охлажденных газов, 8 - компрессорная решетка профилей, 9 - межлопаточные каналы для подвода газа, 10 - канал подвода горячих газов, 11 - канал отвода охлажденных газов, На фиг.2 представлен разрез Α-A схемы аппарата.
вых
вх
Теплообменный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с приемной камерой 2, последовательно сообщенные по ходу газа круговую лопаточную решетку 3, имеющую каналы 9 для подвода газа, и кольцевую в поперечном сечении камеру 5, трубопровод 4 подвода жидкости. Корпус снабжен соответствующими отверстиями 6 и 7 для подвода горячих газов и отвода охлажденных газов, непосредственно за кольцевой камерой 5 установлена компрессорная решетка 8 профилей. При этом входные кромки лопаток компрессорной решетки 8 направлены навстречу потока газа, а выходные кромки направлены радиально, причем радиус R круговой лопаточной решетки 3 по выходным кромкам лопаток связан с радиусом R компрессорной решетки 8 профилей по входным кромкам лопаток соотношением:
вх
вых
R<R*Cosα,
вх
где R<R;
к
k
г
2
R=(4*Д*ρ)/(3*ψ*ρ*tgα);
к
г
г
2
Д=12*σ*/(ρ*C );
г
к
0,5
ψ=14/(C*Д/ν);
к
Д - диаметр образующихся капель;
σ - поверхностное натяжение воды;
k
г
ρ, ρ - плотности капель и газа;
г
C - скорость потока газа на выходе из лопаток круговой решетки;
α - угол выхода потока пара или газа из круговой лопаточной решетки, соответствующий углу между направлением выходных кромок лопаток круговой решетки и касательной к окружности, проходящей по выходным кромкам лопаток;
ψ - коэффициент аэродинамического сопротивления капель;
ν - кинематическая вязкость газа.
Теплообменный аппарат работает следующим образом. Горячие газы по каналу 10 поступают через отверстие 6 в приемную камеру 2, в которой происходит выравнивание параметров газа по всему ее объему. Далее газы поступают на вход круговой лопаточной решетки 3, проходят через межлопаточные каналы 9 и выходят в камеру 5 с кольцевым поперечным сечением. При движении в круговой лопаточной решетке 3 вследствие изгиба лопаток поток газа получает на выходе окружную и центростремительную скорости в кольцевой камере 5. Результирующая скорость потока газа на выходе из решетки 3 направлена под углом α к касательной к окружности, проходящей по выходным кромкам лопаток решетки 3. На фигуре 2. линия АС соответствует касательной к этой окружности, линия АВ - направлению потока газа за решеткой 3, угол ВАС между ними - углу α, точка А - вершина этого угла. Впрыскиваемая вода через трубопровод 4 поступает в поток газа и движется вместе с ним в решетке 3. При этом вода в каналах 9 лопаточной решетки 3 сепарирует на стенки лопаток и в виде пленки стекает с их выходных кромок. Далее она дробится потоком газа, и капли в первые моменты времени движутся вместе с ним. Затем по мере разгона капель их окружная скорость мало отличается от окружной скорости газа. Возникающая в этом случае центробежная сила превосходит силу аэродинамического воздействия потока на капли в радиальном направлении. При этом первая сила отбрасывает частицы от центра камеры 5, вторая - направлена к центру. В результате частицы отбрасываются назад, к выходным кромкам лопаток круговой лопаточной решетки 3. Далее этот процесс повторяется: частицы вначале движутся к центру камеры 5, затем приобретают достаточную окружную скорость и вновь отбрасываются к лопаткам круговой лопаточной решетки 3. Вода стекает с лопаток, дробится потоком газа, и капли снова оказываются в кольцевой камере 5. При этом одновременно происходит испарение капель воды. Процесс повторяется до тех пор, пока капли не испарятся полностью. Охлажденные газы через отверстие 7 выходят в канал 11.
вх
вых
вх
вых
Для предотвращения попадания капель за пределы кольцевой камеры 5 со стороны оси вращения было принято условие R<R*Cosα. Оно следует из рассмотрения чертежа на фигуре 2. Здесь отрезок ОВ равен R,, отрезок OA равен R, углы ВАС и АОВ равны углу α, углы ОАС и ОВА равны 90 градусов.
Расчетные соотношения по движению капель в кольцевой камере 5 могут быть получены с помощью системы дифференциальных уравнений, представленных в книге «Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей». Авторы: Раушенбах и др. М., <Машиностроение>, 1964, 526.
Расчетная величина R соответствует моменту, когда скорость капли в окружном направлении становится практически равной окружной скорости пара или воздуха, а радиальные скорость и ускорение капель отсутствуют. Необходимые для этого условия соотношения могут быть определены из. дифференциального уравнения движения капли в радиальном направлении:
kR
ku/R
гR
kR
гR
kR
гR
ku
к
2
2
2
0,5
dC/dt=C +(C-C)*((C-C)+(C-C))/А/Д, где
гu
гR
C, C - окружная и радиальная скорости газа;
кu
kR
C, C- окружная и радиальная скорости капель;
к
Д - диаметр капель;
к
г
A=(3*ρ)/(4*ρ*ψ):
к
г
ρ, ρ - плотности капель и газа;
ψ - коэффициент аэродинамического сопротивления капель.
kR
kR
ku
гu
При этом капли движутся в потоке газа по круговой орбите с центром вращения, совпадающим с осью камеры 5 и с радиусом, равном R. Таким образом, имеем равенства dC/dt=0, C=0, C=C. Подставляя эти равенства в исходное уравнение, получаем соотношение:
к
к
г
гR
гu
2
R=(4*Д*ρ)/(3*ψ*ρ*(C/C))
гu
гR
гR
гu
Величины C, и C обратно пропорциональны расстоянию от оси вращения при условии неизменности высоты кольцевой камеры 5 для прохода газа. В этом случае их отношение может быть выражено через тангенс угла выхода потока газа из круговой решетки 3, т.е. C/C=tgα. Тогда окончательно:
к
k
г
R=(4*Д*ρ)(3*ψ*ρ*tg2α).
гR
гu
Компрессорная решетка 8 профилей имеет угол входа потока, равный а. Это следует из приведенного выше равенства C/C=tgα. справедливого для всех точек пространства. Угол выхода потока газа из компрессорной решетки 8 90 градусов, поскольку выходные кромки ее лопаток направлены радиально. Таким образом, в результате прохождения потока через компрессорную решетку 8 устраняется его вращательное движение и восстанавливается давление потока газа.
вх
вых
В случае R>R*Cosα капли из кольцевой камеры 5 будут постоянно двигаться к оси вращения и сепарироваться не на круговую решетку 3. а на компрессорную решетку 8 и затем с потоком газа уноситься через отверстие 7 в канал 11. В результате произойдет неполное испарение воды в теплообменном аппарате и. как следствие, недостаточное охлаждение газа.
вх
вых
Если R=R*Cosα, то капли некоторое время будут двигаться внутри кольцевой камеры 5 по круговой орбите и не сепарировать на круговую лопаточную решетку 3. Затем по мере испарения капель их диаметр уменьшится, и они сместятся к оси вращения. В последующем капли сепарируют на компрессорную решетку 8 и стекут через отверстие 7 в канал 11. В результате также произойдет неполное охлаждение газа.
г
вых
вых
вых
Преимущества предлагаемого охлаждающего аппарата проиллюстрируем на следующем примере. Примем, что в аппарате охлаждается пар с давлением 1 бар и температурой 200°C, причем скорость истечения пара из круговой решетки C=100 м/с, а угол α=30°. Тогда получаем величину R=0.59 м, являющуюся предельной для радиуса круговой лопаточной решетки по выходным кромкам R. Предлагаемая модель позволяет выбрать меньшие размеры аппаратов без ущерба для его работы. Так. например, может быть выбрано R=0.25 м. Тогда радиус компрессорной решетки профилей по входным кромкам RBX должен быть менее, чем R*Cosα=0.22 м.
вых
вых
Если в рассматриваемом примере буду т выбраны R>0,59 или R=0.59. то капли движутся по круговой орбите радиусом R=0,59 и не сепарируют на лопатки круговой решетки 3. Далее по мере испарения капель они смещаются к центру вращения, сепарируют на лопатки компрессорной решетки 8 и вместе с потоком газа уносятся в канал 11. В результате не происходит полное испарение воды и испарительное охлаждение газа оказывается недостаточным.
г
г
2
В приведенном примере скоростной напор потока пара на выходе из круговой решетки 3 равен (ρ*C )/2=2500 Па. После компрессорной решетки 8 из-за устранения окружной скорости пара восстанавливается его давление на 1900 Па, то есть на 76% от указанного выше скоростного напора.
Таким образом, предлагаемая полезная модель дает возможность значительно уменьшить размеры аппаратов. При этом она позволяет полностью испарить впрыскиваемую воду и, тем самым, глубоко охладить поток газа, т.е. повысить эффективность работы теплообменного аппарата. Важно также, что предлагаемая модель осуществляет это при незначительном аэродинамическом сопротивлении аппаратов.