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

Фиг. 72. Влияние шага по ширине на теплоотдачу (перекрестное обтекание)

д -о- □ ф о При изотермическом движении, боз-духа

а■ $ • С поправкой, на нагревание воздуха

Фиг. 73. Влияние шага по ширине на сопротивление (перекрестное обтекание).

142

№ 3 и в опытном регенераторе № 1, в которых характерный пара­

метр составлял mh<_0,4.

Результаты опытов по теплоотдаче представлены графически на фиг. 72, а по сопротивлению — на фиг. 73. Как видно из графи­ ков, коэффициент теплоотдачи изменяется мало :(на ±9%, при­ нимая за 100% значение Nu при s, = 2d), особенно если учесть возможные погрешности в замерах, которые, согласно оцен­ ке точности эксперименталь­ ных данных, могут составлять от 3,5 до 5,6%. Сопротивление

г» меньшей степени наблюдается и при изменении коэффициента теплоотдачи. Физическая причина этого явления заключается в изменении характера обтекания сферических выступов. Более подробное изучение указанного явления требует постановки спе­ циальных теплофизических опытов.

С целью определения влияния турбулизирующих выступов на коэффициент теплоотдачи и сопротивление при продольном обте­ кании аналогичным путем были исследованы пакеты № 2 и 3 при продольном потоке.

Результаты исследований по теплоотдаче представлены графи­ чески на фиг. 74, а по сопротивлению — на фиг. 75.

Как видно из приведенных графиков, теплоотдача мелкозер­ нистой поверхности выше, чем гладковолнистой (примерно на 20%). Сопротивление же обеих поверхностей практически одина­ ково и находится в пределах значений Re = 6000-f-11 000. В пакете

143

№ 3 при Re> 11 000 так же, как и при перекрестном обтекании, наблюдается начало появления автомодельности и для данной поверхности коэффициент сопротивления остается постоянным, а для гладковолнистой продолжает уменьшаться.

На основании приведенных опытных данных для поверхности нагрева, составленной из волнистых листов с мелкозернистыми сферическими выступами (как в пакете № 3 или, что тоже, как и в опытном регенераторе № 1), могут быть реко­

мендованы следующие формулы. При перекрестном обтекании газом: для определения теплоотдачи

Формулы для определения сопротивления с учетом неизотер­

Из графиков, представленных на фиг. 72 и 73,' видно, что экспериментальные данные определяются зависимостью (111а) с отклонением результатов отдельных опытов не более ±4%, а за­ висимостью (112а) и '(113а)— с отклонением не более ±7%.

При продольном обтекании газом:

144

Для поверхности нагрева, составленной из гладковолнистых листов (как в пакете № 2) в виде шахматного пучка труб d — = 10/12 мм; Si = 2d и s2 = d, могут быть рекомендованы следующие формулы.

При перекрестном обтекании газом:

и для оптимального соотношения скоростей в случае использо­ вания поверхности в регенераторе ГТУ

В формулах (111а) и (125) при перекрестном обтекании тепло относится к поверхности нагрева, найденной по наружному диа­ метру трубных элементов Рг, а в формулах i(122) и (128) при продольном обтекании тепло относится ко всей поверхности ка­ нала, т. е. с учетом оребрения Еор= Р гф (поверхность выступов не входит в определение Fop) .

Исследование продольного обтекания производилось при отношении длины канала к эквивалентному диаметру, равном

— =30.

<1Э

Стабилизация движения турбулентного режима в каналах обычно наблюдается при l/d = 40 = 50. В этом случае коэффициент теплоотдачи будет отличаться на 4—7% в сторону уменьшения по сравнению с его значением, вычисленным по формулам >(122) и (128).

Сопоставление результатов исследования пакетов № 2 и 3 по­ казало, что нанесение турбулизирующего слоя на поверхность вол­ нистых листов способствует улучшению их теплоотдачи, но при этом возрастает сопротивление.

§ 27. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ПО ТЕПЛОСЪЕМУ И ГАБАРИТАМ

Для определения эффективности поверхности нагрева с высту­ пами приведем соответствующий расчет.

Основными характеристиками регенераторов в газотурбинных установках является их объем и вес, отнесенный к мощности ГТУ.

145

В зависимости от назначения установки та или иная характери­ стика может являться главной. Так, например, для транспортной установки объем регенератора является наиболее существенным показателем. В стационарных установках размещать регенератор легче, а затраты металла при наличии больших мощностей при­ обретают решающее значение и тем более, если поверхность на­ грева изготовлена из дефицитных материалов (как, например, из бесшовных труб малого диаметра). Однако сопоставление реге­ нераторов по указанным показателям будет нехарактерным без учета степени регенерации ГТУ и общего суммарного сопротив­ ления. Кроме того, наиболее существенным фактором, влияющим на эффективность регенераторов, является конструкция их поверх­ ности нагрева. Поскольку поверхности нагрева различаются между собой по характеру обтекания потоком газов, они имеют различ­ ные тепловые и аэродинамические характеристики, от которых; зависят объемные и весовые показатели регенераторов. При вы­ боре того или иного типа регенератора целесообразно произво­ дить оценку их поверхности с точки зрения тепловых и аэродина­ мических качеств.

Имеется много способов оценки эффективности поверхности нагрева. Наиболее приемлем способ, предложенный М. В. Кирпичевым [21], в основу которого положено сравнение отношений двух видов энергии: тепла, переданного через поверхность нагрева, и работы, затраченной на преодоление сопротивления движению теп­ лопередающего потока, или что то же, отношение теплового пото­

ка Q к затраченной мощности AR. Это отношение Е= , назы­

ваемое коэффициентом энергетической оценки теплообменника* для сравниваемых теплообменников обусловлено различной кон­ струкцией поверхностей нагрева при условии постоянства и ра­ венства внешних факторов теплообмена.

Практически расчет производится в следующем порядке. Выби­ рают произвольный, но равный для всех теплообменников, габа­ рит и, исходя из его размеров, определяют геометрические харак­ теристики сравниваемых поверхностей нагрева. Так, например, для трубчатых поверхностей определяют число трубок и количествоих рядов. Затем определяют живое сечение в пучке для газа

и поверхность нагрева F г со стороны газа. Исходя из критериаль­ ной зависимости по теплоотдаче, для произвольных чисел Re опре­ деляют значения Nu и скорости потока шг. При этом надо иметь в виду, что физические параметры газа для всех поверхностей должны быть одинаковыми.

и количество тепла, переданное в час через поверхность нагрева

146

Имея в виду, что то же количество тепла можно выразить, используя уравнение теплоотдачи Q = a2Fe (t2—tcm), после преоб­

Выраженную в тепловых единицах работу на преодоление за то же время сопротивления движению газов определяем по зави­ симости

Тг

где Л = ^ — тепловой эквивалент работы в ккал/кГ • м\

Д/7г-— перепад давления, определяемый из опытных данных по­ верхности нагрева с учетом неизотермичности потока,

в кГ/м2.

Найденные таким методом значения энергетического коэффи­ циента для теплообменников с различными конструкциями по­ верхности нагрева, характеристики теплоотдачи и сопротивления которых известны в виде критериальных зависимостей, отклады­ вают на логарифмическом графике E = f(AR).

На фиг. 77 представлены результаты расчетных исследований ряда поверхностей нагрева. По оси ординат отложен коэффициент Е, а по оси абсцисс — значения мощности, затраченной на преодо­ ление сопротивления движению потока AR. Разницу в съеме теп­ ла между сравниваемыми поверхностями нагрева определяют из графика при значениях Л./?= idem. На фиг. 77 кривые 1 и 2 соот­ ветствуют пакетам из круглых труб с шахматным расположением

147

d= 10/12 мм, Si = 2d и s2 = d с продольным и перекрестным видами

зернистых волнистых листов при перекрестном и продольном обте­ кании (по данным исследования пакета № 3). Расположение и

Фиг. 77. Сравнение поверхностей нагрева по теплосъему.

диаметр трубок и трубных элементов в пакетах одинаковое. Кри­ вая 3 соответствует пластинчатому теплообменнику типа НЗЛ

ный пучок при продольном обтекании. Он значительно уступает до съему, тепла такому же пучку, но с перекрестным обтеканием (в интересующей нас области значений чисел Re). Пластинчатый пакет дает лучший съем тепла по сравнению с гладкотрубными пучками, но уступает пакетам, составленным из волнистых листов при перекрестном обтекании. Следует отметить, что для пластин­ чатого пакета типа НЗЛ можно получить лучшие показатели, если принять более мелкие сечения ячеек. Наибольший съем тепла (из рассматриваемых поверхностей нагрева) дает поверхность, со­ ставленная из волнистых листов с мелкозернистыми выступами при перекрестном обтекании.

Съем тепла при одной и той же затрате энергии на преодоле­ ние сопротивления оказывается большим для мелкозернистой по­ верхности нагрева, чем для гладковолнистой. Отсюда следует, что мелкозернистая поверхность нагрева повышает эффективность

.148

теплообмена, так как, несмотря на увеличение сопротивления, ко­ эффициент энергетической оценки ее вследствие повышенной теп­ лоотдачи увеличивается. Повышение эффективности теплообмена следует отнести за счет турбулизирующего воздействия мелкозер­ нистой поверхности нагрева на пограничный слой, а также неко­ торого увеличения поверхности нагрева за счет выступов.

Исходя из прироста энергетического коэффициента Е, можно видеть, что поверхность нагрева с мелкозернистыми выступами дает увеличение съема тепла при одинаковых габаритах и затрате энергии на преодоление сопротивления по отношению к гладко­ трубному пучку при перекрестном обтекании для области зна­ чений Re от 5000 до 15000 на 90%, по отношению к пластинчатой

Сравнение эффективности поверхностей нагрева может быть представлено в виде зависимости между теплоотдачей и потреб­ ной мощностью для преодоления сопротивления движению газов в теплообменнике, выраженной в киловаттах. Теплоотдачу и «мощ­ ность на сопротивление» в этом случае относят к единице поверх­ ности или к единице объема теплообменника. При этом соблюдают те же условия равенства физических параметров газа и габаритов всех пакетов сравниваемых поверхностей нагрева. На фиг. 78 представлена зависимость между теплоотдачей и потребной мощ­ ностью для преодоления сопротивления движению газов в тепло­ обменниках. Здесь помимо кривых 1, 2, 3 и 4, приведенных на

фиг. 77, дополнительно показаны кривые для ребристых поверх­ ностей, по данным иностранных источников [72]. Кривые 5 даны

1,06Z>0 и продольный шаг — 0,87Do, 290 ребер на 1 пог.м; 6 — то же

а.

Фиг. 78. Зависимость теплоотдач от мощностей, затрачиваемых на преодоление сопротивлений движению газа в теплообменнике:

(см. фиг. 10, е).

В верхней части фиг. 78 кривые даны в виде зависимости коэф­ фициента теплоотдачи от сопротивления a=fi(R) в квт/м2. Если затраты мощности и теплоотдачу с 4 мг сравниваемых поверхно­ стей умножить на соответствующий коэффициент компактности

150

в м2/м3'), то полученный аналогичный график позволит, произ­

вести оценку поверхностей по габаритам. Соответствующий гра­ фик приведен в нижней части фиг. 78, где отражено влияние компактности пакетов и, таким образом, кривые представляют зависимость съема тепла с единицы объема теплообменника (объемного коэффициента теплоотдачи в ккал/м3 ■ч •°С) от мощ­ ности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению газов, выраженной в квт/м3.

Таблица 11

М ощ ность , затр ач и ваем ая на преодоление сопротивления движ ению г а за

* Коэффициент теплоотдачи отнесен ко всей поверхности нагрева и принят а=Ю0 ккал/мг -ч° •С.

F

**При а— = 45000 ккал/мР-ч-°С.

***Ребра алюминиевые.

а- -у -=idem, для рассматриваемых поверхностей получим соот­

ношения мощностей, представленные в табл. 11, где величины сопротивлений отнесены к поверхности № 1 гладкотрубного пучка при продольном обтекании. Соотношения значительно увеличива­ ются, если мощности, потребные на преодоление сопротивлений, относить к единице объема, так как в этом случае учитывается компактность, значение которой и вес также показаны в табл. 11.

Меньшая мощность, потребная на преодоление сопротивления движению газа при равных теплосъемах, позволяет выполнить теплообменник меньших габаритов.

Из сопоставления графиков следует, что из всех рассматривае­ мых пакетов поверхность № 8 дает наилучшие результаты в от­

1* I5 i