5.2. Тепловой и гидравлический расчеты регенератора
В газовом регенеративном подогревателе (ГРП) горючее (водород) и окислитель (кислород) для ВПГ подогреваются одновременно и, желательно, до одинаковой температуры, то конструктивно принимаем ГРП в виде трехпоточного теплообменного аппарата, в котором один греющий теплоноситель (перегретый пар после турбины) и два нагреваемых теплоносителя (газообразные кислород и водород).
К
ислород
и водород движутся по трубкам с внутренним
диаметром dв = 10 мм и
толщиной стенки δс = 1 мм.
Материал стенки трубок – сталь 12Х18Н10Т.
Трубки согнуты в змеевик, который имеет
параллельные ходы. Змеевики располагаются
горизонтально и соединяются через
входной и выходной коллекторы, причём
змеевики кислорода расположены над
змеевиками водорода. Таким образом,
совокупность змеевиков образует трубный
пучок, который омывается греющим
перегретым паром. Взаимное расположение
трубок в пучке – по равнобедренному
треугольнику. Принимаем величину
поперечного шага пучка s1 = 0,024 м,
а продольного s2 = 0,048 м. Трубный
пучок помещен в короб 1×1×1,3 м. Взаимное
направление движения теплоносителей
- противоточный многократно-перекрестный
ход. Схема движения теплоносителей и
конфигурация ГРП показана на рис. 14.
Рис. 14. Принципиальная схема движения теплоносителей
в ГРП
Исходные данные для расчета:
-
расход окислителя -
=
1,3 кг/с;
-
расход горючего -
=
0,16 кг/с;
-
расход пара -
=
5,66 кг/с;
-
температура окислителя на входе -
=
300 К;
-
температура горючего на входе -
=
300 К;
-
температура пара -
=
482 К;
-
давление окислителя и горючего -
=7,0
Мпа;
-
давление пара -
=
0,15 МПа.
Принимаем
температуру компонентов топлива на
выходе из ГРП равной
=
443 К.
В результате теплового расчета получаем средние коэффициенты теплоотдачи:
Вт/(м2·К),
Вт/(м2·К).
Чтобы уравнять коэффициенты теплопередачи необходимо интенсифицировать процесс теплоотдачи для кислорода. Для этого на трубке с кислородом изготавливаются кольцевые турбулизаторы, которые образуются вследствие накатки кольцевых выступов небольшой высоты (рис. 15).
Рис. 15. Кольцевая накатка турбулизаторов в трубке:
D – внутренний диаметр трубки, м; d – внутренний диаметр труб-ки на оси кольцевого выступа, м; t – шаг кольцевой накатки, м
Для нашего случая подойдет кольцевая накатка со следующей геометрией:
,
отсюда
м.
То есть высота накатки минимальна.
Соответственно коэффициенты теплопередачи для кислорода и водорода будут практически равны:
Вт/(м2·К),
Вт/(м2·К).
Тогда общая площадь поверхности теплообмена ГРП составит 27,5 м2, а потери давления будут равны 648 Па.
5.3. Интенсификация теплопередачи в регенеративном подогревателе
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 (δp) от 0,1 до 1 мм, высотой (hp) 5 мм и 10 мм, расстояние между ребрами (h) принималось 1, 5 и 10 мм.
Результаты расчетов приведены в табл. 2 – 7 и для толщины ребра 0,5 мм, проиллюстрированы на рис. 16.
Таблица 2
Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2·К)
Толщина ребра, мм |
Шаг между ребрами |
||||||
h = 1 мм |
h = 5 мм |
h = 10 мм |
|||||
Высота ребра |
Высота ребра |
Высота ребра |
|||||
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
||
0,1 |
1010,935 |
1397,821 |
404,4697 |
581,4714 |
287,7367 |
389,272 |
|
0,2 |
982,7341 |
1492,331 |
400,5015 |
575,325 |
285,819 |
384,89 |
|
0,3 |
959,2081 |
1494,441 |
397,7424 |
573,0633 |
284,8941 |
383,5504 |
|
0,4 |
938,0337 |
1500,98 |
396,4714 |
573,7496 |
284,2562 |
383,044 |
|
0,5 |
918,3813 |
1510,708 |
394,0487 |
572,7347 |
283,7375 |
382,886 |
|
0,6 |
901,2381 |
1525,424 |
392,854 |
573,9096 |
283,275 |
382,9004 |
|
0,7 |
884,48 |
1542,144 |
391,6252 |
575,1228 |
282,8386 |
383,0055 |
|
0,8 |
868,6883 |
1562,071 |
390,3381 |
576,3026 |
282,4122 |
383,1571 |
|
0,9 |
854,5286 |
1587,163 |
388,772 |
577,3996 |
281,9858 |
383,3283 |
|
1 |
841,3788 |
1617,07 |
387,5316 |
578,3753 |
281,5533 |
383,501 |
|
Таблица 3
Площадь поверхности теплообмена F, м2
Толщина ребра, мм |
Шаг между ребрами |
|||||
h = 1 мм |
h = 5 мм |
h = 10 мм |
||||
Высота ребра |
Высота ребра |
Высота ребра |
||||
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
|
0,1 |
6,6664 |
4,821291 |
16,66206 |
11,59008 |
23,42176 |
17,31257 |
0,2 |
6,857704 |
4,515955 |
16,82715 |
11,7139 |
23,57891 |
17,50963 |
0,3 |
7,0259 |
4,509579 |
16,94388 |
11,76013 |
23,65546 |
17,57083 |
0,4 |
7,184497 |
4,489933 |
16,9982 |
11,74607 |
23,70854 |
17,59406 |
0,5 |
7,338238 |
4,46102 |
17,10271 |
11,76688 |
23,75188 |
17,60132 |
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 3 |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
0,6 |
7,477824 |
4,417986 |
17,15472 |
11,74279 |
23,79067 |
17,60066 |
0,7 |
7,619505 |
4,370084 |
17,20855 |
11,71802 |
23,82737 |
17,59583 |
0,8 |
7,758019 |
4,314336 |
17,26529 |
11,69403 |
23,86335 |
17,58887 |
0,9 |
7,88657 |
4,246129 |
17,32569 |
11,67181 |
23,89943 |
17,58101 |
1 |
8,009829 |
4,1676 |
17,39032 |
11,65212 |
23,93614 |
17,57307 |
Таблица 4
Число рядов оребренных труб по ходу пара, z
Толщина ребра, мм |
Шаг между ребрами |
||||||
h = 1 мм |
h = 5 мм |
h = 10 мм |
|||||
Высота ребра |
Высота ребра |
Высота ребра |
|||||
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
||
0,1 |
6 |
4 |
14 |
1 |
19 |
14 |
|
0,2 |
6 |
4 |
14 |
10 |
19 |
14 |
|
0,3 |
6 |
4 |
14 |
10 |
19 |
14 |
|
0,4 |
6 |
4 |
14 |
10 |
19 |
15 |
|
0,5 |
6 |
4 |
14 |
10 |
19 |
15 |
|
0,6 |
6 |
4 |
14 |
10 |
19 |
15 |
|
0,7 |
7 |
4 |
14 |
10 |
19 |
15 |
|
0,8 |
7 |
4 |
14 |
10 |
19 |
15 |
|
0,9 |
7 |
4 |
14 |
10 |
20 |
14 |
|
1 |
7 |
4 |
14 |
10 |
20 |
14 |
|
Таблица 5
Потери давления в оребренном пучке по пару, Па
Толщина ребра, мм |
Шаг между ребрами |
||||||
h = 1 мм |
h = 5 мм |
h = 10 мм |
|||||
Высота ребра |
Высота ребра |
Высота ребра |
|||||
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
0,1 |
314,1442 |
239,6452 |
673,3944 |
500,2128 |
903,0392 |
683,0958 |
|
0,2 |
345,8158 |
299,6362 |
687,8978 |
522,7278 |
912,8708 |
698,2976 |
|
0,3 |
377,6777 |
375,1902 |
702,3771 |
546,2107 |
922,71 |
713,8507 |
|
0,4 |
409,5204 |
470,5129 |
717,1314 |
571,2134 |
932,5491 |
781,8741 |
|
0,5 |
441,1185 |
591,137 |
731,516 |
596,6744 |
942,3802 |
799,2706 |
|
0,6 |
472,9165 |
748,1264 |
746,2898 |
623,9886 |
952,1949 |
817,0206 |
|
0,7 |
588,0621 |
949,9952 |
761,0698 |
652,5474 |
961,985 |
835,1138 |
|
0,8 |
623,8318 |
1215,16 |
775,8191 |
682,334 |
971,7418 |
853,5385 |
|
0,9 |
659,6634 |
1577,796 |
790,499 |
713,3182 |
1033,112 |
814,1293 |
|
1 |
695,2313 |
2084,192 |
805,0685 |
745,4544 |
1043,284 |
831,9057 |
|
Таблица 6
Относительная
площадь теплообменного пучка,
Толщина ребра, мм |
Шаг между ребрами |
|||||
h = 1 мм |
h = 5 мм |
h = 10 мм |
||||
Высота ребра |
Высота ребра |
Высота ребра |
||||
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
|
0,1 |
0,242415 |
0,17532 |
0,605893 |
0,421457 |
0,8517 |
0,629548 |
0,2 |
0,249371 |
0,164217 |
0,611896 |
0,42596 |
0,857415 |
0,636715 |
0,3 |
0,255487 |
0,163985 |
0,616141 |
0,427641 |
0,860198 |
0,638939 |
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 6 |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
0,4 |
0,261254 |
0,16327 |
0,618116 |
0,42713 |
0,862129 |
0,639784 |
0,5 |
0,266845 |
0,162219 |
0,621917 |
0,427886 |
0,863705 |
0,640048 |
0,6 |
0,271921 |
0,160654 |
0,623808 |
0,427011 |
0,865115 |
0,640024 |
0,7 |
0,277073 |
0,158912 |
0,625765 |
0,42611 |
0,86645 |
0,639848 |
0,8 |
0,28211 |
0,156885 |
0,627829 |
0,425237 |
0,867758 |
0,639595 |
0,9 |
0,286784 |
0,154405 |
0,630025 |
0,42443 |
0,86907 |
0,63931 |
1 |
0,291267 |
0,151549 |
0,632375 |
0,423714 |
0,870405 |
0,639021 |
Таблица 7
Относительные
потери давления
Толщина ребра, мм |
Шаг между ребрами |
||||||
h = 1 мм |
h = 5 мм |
h = 10 мм |
|||||
Высота ребра |
Высота ребра |
Высота ребра |
|||||
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
5 мм |
10 мм |
||
0,1 |
0,48479 |
0,369323 |
1,039189 |
0,771933 |
1,393579 |
1,05416 |
|
0,2 |
0,533666 |
0,462402 |
1,061571 |
0,806679 |
1,408751 |
1,07762 |
|
0,3 |
0,582836 |
0,578997 |
1,083915 |
0,842918 |
1,423935 |
1,101621 |
|
0,4 |
0,631976 |
0,7261 |
1,106684 |
0,881502 |
1,439119 |
1,206596 |
|
0,5 |
0,680738 |
0,912248 |
1,128883 |
0,920794 |
1,45429 |
1,233442 |
|
0,6 |
0,729809 |
1,154516 |
1,151682 |
0,962945 |
1,469437 |
1,260834 |
|
0,7 |
0,907503 |
1,466042 |
1,17449 |
1,007018 |
1,484545 |
1,288756 |
|
0,8 |
0,962703 |
1,875247 |
1,197252 |
1,052985 |
1,499601 |
1,317189 |
|
0,9 |
1,017999 |
2,434871 |
1,219906 |
1,1008 |
1,594309 |
1,256372 |
|
1 |
1,072888 |
3,216345 |
1,24239 |
1,150393 |
1,610007 |
1,283805 |
|
Исходя из соображений прочности при динамическом воздействии потока пара, выбираем вариант оребрения с ребрами толщиной 0,5 мм, высотой 10 мм и шагом между соседними ребрами 1 мм.
В этом случае потребная площадь поверхности составляет 4,46 м2, что существенно меньше площади гладкого пучка принятого ранее (Fгл = 27,5 м2). При этом, оребренный пучок состоит из четырех рядов труб по ходу пара, и гидравлические сопротивления этого пучка не превышает сопротивление гладкого пучка.
2
5
Рис. 16. Относительная потеря напора в пучке:
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