ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ ГТУ

1.1. Загальні положення

1.1.1. Призначення і класифікація апаратів

Теплообмінні апарати у складі газотурбінних установок можна розділити на дві групи: включених і не включених в цикл ГТУ [8,40].

До перших відносяться регенератори (повітронагрівачі, або рекуператори), повертають у цикл частину теплоти вихлопних газів (див. рис. 1.4). Також включені в цикл і циклові повітроохолоджувачі, устанавлені між групами ступенів циклового компресора, що підвищує тиск повітря перед подачею в камеру згоряння (див. рис. 1.5). Зниження температури повітря на вході в компресор зменшує його роботу стискання. Таким чином, обидва ці види теплообмінників призначені для збільшення ККД і корисної роботи циклу. Перше зменшує витрату палива, тобто підвищує економічність ГТУ, а друге знижує витрату робочого тіла, що зменшує розміри проточної частини турбомашин ГТУ.

Теплообмінники, не включені в цикл, більш численні. До них відносяться:

• маслоохолоджувачі, що відводять у навколишнє середовище теплоту тертя в підшипниках, а також теплоту, прийняту маслом при омивання ряду деталей ГТУ - шийок роторів, стінок картерів підшипникових вузлів, органів регулювання і т.п;

• повітроохолоджувачі-кондиціонери охолоджувального повітря, забезпечують ГТУ холодоагентом для системи охолодження високотемпературних деталей - соплових і робочих лопаток, роторів;

• утилізаційні підігрівачі води, що дозволяють використовувати теплоту вихідних газів, наприклад, для теплофікаційних потреб;

• підігрівачі паливного газу, що збільшують теплоту, підведену в камері згоряння, за рахунок збільшення ентальпії паливного газу. Джерелами цієї теплоти можуть бути охолоджуюче повітря системи охолодження або вихлопні гази.

Перераховані теплообмінники другої групи в основному призначені для забезпечення надійності і працездатності ГТУ (маслоохолоджувачі, повітроохолоджувачі), але впливають також на паливну економічність ГТУ (підігрівачі палива) і загальне енергозбереження (утилізаційні водопідігрівачі).

Незважаючи на те, що формально ці теплообмінники в цикл не включені, проте і ця група теплообмінників впливає на економічні показники і показники потужності ГТУ, оскільки джерелом теплоти, відведеної чи підведеної в них, є процеси перетворення або передачі енергії в пристроях ГТУ, тобто циклові процесиотже, в кінцевому рахунку - паливо. Ця обставина відображено зокрема, в одному з методів експериментального визначення потужності ГТУ - методом енергетичного балансу [40, 41].

1.1.2. Теплоносії

Теплоносії теплообмінників першої групи одночасно являються робочими тілами турбомашин ГТУ - турбін і компресорів.

У регенераторах в якості первинного теплоносія використовуються вихлопні гази турбіни, а вторинного - стиснене повітря після циклового компресора.

З початкового періоду розвитку регенеративних ГТУ відомі схеми систем регенерації з проміжним контуром, заповненим третім (проміжним) теплоносієм, в якості якого могли використовуватися стійкі до високих температур рідини - рідкі метали, дифенільні суміші, кремнійорганічні рідини, селітряні суміші.

У циклових повітроохолоджувачах один з теплоносіїв - стиснене в компресорі повітря, а інший, як правило, - вода з природного джерела або з замкнутої системи (оборотна), іноді - атмосферне повітря.

Поєднання теплоносіїв в теплообмінниках другої групи досить різноманітні: охолоджуюче повітря - вода, що охолоджуюче повітря - атмосферне повітря, вихлопні гази - мережна вода, що охолоджує повітря - паливний газ, вихлопні гази - паливний газ. У ГТУщо входять до складу парогазових установок, можливо охолодження повітря низькотемпературним пором з паротурбінної частини установки.

Найбільш важливі з точки зору проектування і розрахунку теплообмінників властивості теплоносіїв - щільність, питома теплоємність, коефіцієнт теплопровідності, динамічний коефіцієнт в'язкості. Всі вони залежать від температури, а щільність газів, крім того, і від тиску. В'язкість рідин падає з ростом температури, а газів - зростає. Теплоємність і теплопровідність із зростанням температури зростають. Для ефективної теплопередачі теплоносії повинні володіти великою щільністю, теплоємністю і теплопровідністю. Найкраще поєднання цих властивостей у рідких металів, а з числа «звичайних» теплоносіїв - у води.

Теплофізичні властивості водяної пари наведені в [38]. Таблиці теплофізичних властивостей сухого повітря і води наведено в [1], а формули для їх розрахунку - в [48].

Властивості стисненого повітря при тисках, характерних для ГТУ, не залежать від тиску, проте при розрахунках охолоджувачів охолоджуючого повітря необхідно враховувати можливість конденсації парів води,які містяця в атмосферному повітрі, так як при зниженні температури парціональний тиск парів води може перевищити тиск насичення при даній температурі. Теплота цього фазового переходу повинна бути врахована в тепловому балансі охолоджувача.

Гази - робоче тіло ГТУ і теплоносій в регенераторах - є сумішшю стехіометричних продуктів згоряння палива і повітря. Склад цієї суміші залежить від складу палива (для газоподібних палив відмінності малі) і в основному від коефіцієнта надлишку повітря в камері згоряння ГТУ. Величина цього коефіцієнта визначається головним чином температурою газів перед турбіною ГТУ (тобто за камерою згоряння), і чим вона вище, тим менше коефіцієнт надлишку повітря. У сучасних ГТУ коефіцієнт надлишку повітря становить 4 ... 7. Для наближених розрахунків допустимо приймати наступний склад газів (в масових частках) [8]: діоксид вуглецю - 3,4%; пари води - 2,5%; азот - 75,8%; кисень - 18,3%. Зіставивши ці дані з складом атмосферного повітря (азот - 76,8%; кисень - 23,2%), можна зробити висновок, що відмінність їх складів невелике і для такого роду розрахунків можливе перенесення табличних даних за властивостями і формул для повітря на властивості газів.

При розгляді експлуатаційних властивостей газів - робочих тіл ГТУ - треба враховувати наявність у їх складі корозійно-активних домішок - оксидів сірки, оксидів вуглецю, оксидів азоту, а також часток окалини і пилових часток. Зміст і фракційний склад останніх нормується (для циклового повітря) відповідно до [42]: залишкова запиленість після очищення у фільтрах не повинна бути більше 0,3 мг/м3, при короткочасних перевищеннях - не більше 5 мг/м3; максимальний розмір частинок - не більше 15 мкм, концентрація часток з розміром 15 мкм - не вище 0,03 мг/м3, при короткочасних перевищеннях - до 0,5 мг/м3.

Паливний природний газ при параметрах його подачі в камеру згорянняня ГТУ можна розглядати як суміш ідеальних газів, склад якої залежить від родовища і геологічного горизонту, з якого газ добувають. Природний газ північних родовищ складається переважно з легких вуглеводів - метану (до 99%) і етану, тому теплофізичні властивості такого природного газу можна приймати за властивостями метану. Теплофізичні властивості метану наведені в [39]. Природні гази південних родовищ і попутний нафтовий газ містять велику частку важких вуглеводів (пропану, бутану, пентану). Їх теплофізичні властивості необхідно спеціально розраховувати відповідно до складу за властивостями окремих компонентів, як для адитивної суміші газів.

Крім теплофізичних властивостей найважливішою характеристикою паливного газу є теплота згоряння . Її можна розраховувати за узагальненою формулою:

/ ,(6.1)

де щільність паливного газу при нормальних умовах;

–щ ільність повітря при тих же умовах.

Реальний паливний газ може містити пилові частинки, краплі води, газового конденсату і масла, тому системи топлівоподготовкі ГТУ містять волого-, масло-, пило-і конденсатовыддылювачі (сепаратори).