книги из ГПНТБ / Гельфенбейн Л.Г. Регенераторы газотурбинных установок

§ 26. В О Л Н И С Т Ы Е Л И С Т Ы С М Е Л К О З Е Р Н И С Т Ы М И В Ы С Т У П А М И

В результате экспериментально-теоретических работ, проведен­ ных в ХПИ имени В. И. Ленина, автором данной книги была разработана и исследована конструкция поверхности нагрева теп­ лообменников, состоящая из волнистых листов с мелкозернисты­ ми выступами, обладающая высокой эффективностью [14].

Экспериментальное исследование поверхности нагрева позво­ лило получить теплотехнические и аэродинамические характери­ стики, выраженные в критериальной форме, с помощью которых было установлено, что съем тепла при равной затрате энергии на сопротивление (при прочих равных условиях) оказывается для данной поверхности больше, чем для трубчатых и гладковолнистых поверхностей нагрева. С целью использования высокоэффективной поверхности нагрева в регенераторах ГТУ была проведена кон­ структивная и технологическая разработка регенератора, изготов­ лены опытные регенераторы, которые были подвергнуты экспери­ ментальному исследованию в полупромышленной установке1.

1 В исследовании регенераторов на полупромышленной установке принима­ ли участие Ю. И. Хавкин и В. А. Разумов.

132

с мелкозернистыми выступами, отличающиеся друг от друга диа­

Фиг. 66. Общий вид опытного регенератора.

воздух обтекают поверхность нагрева перекрестным потоком: со стороны газа — один ход и со стороны воздуха — два хода.

Таблица 8

134

Согласно опытным данным и описанной выше методике (см. гл. 4), формулы для оптимального соотношения скоростей потоков при перекрестном обтекании для поверхности нагрева, составлен­ ной из волнистых листов с мелкозернистыми выступами как в регенераторе № 1, имеет вид:

Следует отметить, что при лабораторных испытаниях этой по­ верхности были получены зависимости для области значений Re = = 5000 -г-15 000, совпадающие с результатами исследования реге­ нератора № 1, который испытывался при значениях Re = 2800-r- н-8000.

Расчетные формулы для поверхности с мелкозернистыми высту­ пами, соответствующей геометрии регенератора № 2, могут быть выражены в следующем виде:

Меньшая теплоотдача (на 1 м2) в регенераторе № 3 по срав­ нению с регенераторами № 1 и 2 объясняется узкой щелью для прохода газа (абсолютная ширина щели 2,25 мм). Это, по-види- ыому, затрудняет развитие турбулизации потока при сравнительно малых значениях Re, которые обусловливались ограниченным рас­ ходом воздуха. Отсюда можно наметить лучшее использование поверхности нагрева типа регенератора № 3 путем небольшого

136

увеличения поперечного шага, а также за счет применения более высоких выступов, так как сравнение регенератора № 1 с регене* ратором № 2 говорит в пользу выступов высотой 1 мм. Однако эффективность поверхности нагрева характеризуется не только теплоотдачей, а также и сопротивлением. Поэтому приведем дан* ные об эффективности регенераторов с учетом сопротивления.

Если произвести расчет регенераторов различных поверхно* стей нагрева для конкретной газотурбинной установки с задан* ными степенью регенерации и суммарным сопротивлением, то при соблюдении постоянства и соответствия внешних факторов тепло­ обмена наименьший объем и вес регенератора будут характери­ зовать его эффективность. Произведя сравнительные расчеты че­ тырехходовых регенераторов при перекрестном обтекании для газотурбинной установки мощностью 1500 кет со степенью регене­ рации 0,75, получаем результаты, приведенные в табл. 9. Там же представлены некоторые данные по существующим регенераторам ГТУ.

Данные, представленные в таблице, подтверждают высокую эффективность поверхности нагрева, состоящей из волнистых ли­ стов с турбулизирующими выступами.

Сравнительные расчеты показали, что при равных степенях регенерации и суммарных сопротивлениях поверхности нагрева во всех опытных регенераторах эффективнее пластинчатого регенера­ тора, составленного из листов НЗЛ, так как объем и вес их мень­ ший. Конструкция опытного регенератора оказалась достаточно надежной и в отношении тепловых расширений. Перетеканий воз­ духа в газовый тракт при испытаниях не было. Не наблюдалось также существенных загрязнений регенератора при работе на дизельном топливе.

Влияние мелкозернистых выступов на интенсификацию тепло­ обмена было установлено при лабораторных испытаниях трех кон­

Пакет № 2 был собран из волнистых листов с гладкой поверх­ ностью, а пакет А1» 3 — из волнистых листов с мелкозернистыми сферическими выступами высотой 1 мм (как и в опытном реге­ нераторе № 1). Расположение, количество и размеры трубных элементов в пакетах № 2 и 3 были такими же, как и в пакете Ab 1. Пакеты № 2 и 3 собирали из пяти восьмитрубных секций, которые в сборе образовывали шахматный пучок трубок с продоль­

137

Таблица 9

Результаты сравнительных расчетов некоторых тилов четырехходовых регенераторов

* Технические проекты регенераторов выполнены заводами-изготовителями.

по теплоотдаче был сооружен контур, в котором циркулировала горячая вода. Горячая вода поступала в секцию через проточную гильзу, омывая непосредственно термометр, и последовательно проходила через все восемь трубных элементов секции. Холодный воздух трубные элементы обтекал снаружи. Коэффициент тепло­ отдачи определяли в средней секции пакета, по обе стороны ко­ торой трубные элементы также обогревались горячей водой. Край­ ние секции пакета через трехмиллиметровую асбестовую прокладку

138

примыкали к стенке 'рабочего участка. Торцы рабочего участка тщательно изолировались и засыпались сухими опилками. Таким образом, были устранены потери на лучеиспускание и неточности, связанные с локальным методом измерения.

На фиг. 68 представлен пакет из волнистых листов в собран­

температура ребер отличается от температур стенок трубных элементов соответственно на 4 и 2,6%.

Это свидетельствует о достаточно эффективном теплоиспользовании оребрения.

На фиг. 70 приведены опытные графики, характеризующие теп­ лоотдачу пакетов № 1, 2 и 3. Как видно из графиков, теплоотдача в пакете № 2 выше, чем в пакете № 1, а теплоотдача в пакете

№3 еще выше, чем в пакете № 2. При этом опытные точки пакета

№4 на логарифмическом графике группируются около прямой, характеризующей теплоотдачу шахматного пучка, согласнофор-

139

муле М. А. Михеева, что подтверждает правильность методики

измерений и подсчетов.

На фиг. 71 приведены графики, характеризующие сопротивле­ ние пакетов, из которых следует, что сопротивление пакета № 5 больше, чем пакета № 2. В пакете № 3 с мелкозернистыми высту­ пами при Re= 11 000 наблюдается начало автомодельности. Это явление в области сравнительно небольших значений числа Re характерно для шероховатых труб.

Для практического использования поверхности нагрева, состав­ ленной из волнистых листов с мелкозернистыми выступами, пред­

размеров выступов. Исследование влияния диаметра трубных эле­ ментов и размеров выступов до некоторой степени было произ­ ведено при испытаниях опытных регенераторов. Весьма сущест­ венным является определение влияния шага по ширине пучка, так как это дает возможность более свободно производить компоновку регенераторов с учетом необходимых проходных сечений для газа и воздуха. Шаг по глубине пакета должен быть согласован с раз­ мерами оребрения трубных элементов, эффективность использо­ вания которого определяется из выражения 0<тЛ <0,4.

Для того чтобы выяснить влияние шага по ширине на теплоот­ дачу и сопротивление при перекрестном обтекании, были исследо­ ваны пять пакетов с шахматным расположением трубных элемен­

141