Технические науки /5. Энергетика

д.т.н. Силуянова М.В., Попова Т.В., Дробыш М.В.

МАТИ  – Российский Государственный Технологический Университет имени

К.Э. Циолковского, Россия

Методика исследования пластинчатого теплообменного аппарата

Решению задачи повышения эффективности газотурбинных двигателей (ГТД) как для авиационной промышленности, так и для энергетического комплекса посвящено множество работ, но и в настоящее время эта задача остается актуальной и требует дальнейшего рассмотрения. Одним решений данной задачи является применение сложных термодинамических циклов. В настоящее время в России и других странах ведутся работы по разработке, проектированию и внедрению ГТД с применением сложных термодинамических циклов, при условиях регенерации тепла и с внешним подводом тепла. Для разработки газотурбинных установок (ГТУ) со сложными циклами необходимо определить основные критические технологии, к ним относятся: разработка высокоскоростного генератора, подшипниковых узлов, теплообменного аппарата и др. [2]. Теплообменник является одним из основных компонентов газотурбинных электростанций со сложным термодинамическим циклом и должен характеризоваться высокими показателями компактности и эффективности. Компактность теплообменника важный параметр, компактные теплообменники обеспечивают большой удельный теплоотвод при сравнительно малом их объеме и весе [1]. Наиболее высокими показателями компактности и технологичности обладают пластинчатые теплообменные аппараты. Сравнение различных поверхностей по удельной теплопередаче показало наибольшую эффективность поверхности Френкеля, обладающей также минимальным весом и объемом при прямом сопоставлении поверхностей.

На основании имеющихся экспериментальных данных по теплообменным поверхностям типа «поверхность Френкеля» была проведена верификация численной методики расчета теплообмена. Верификация показала хорошую сходимость расчетов с экспериментами в пределах 5%, как для газодинамической задачи определения коэффициентов гидравлического сопротивления, так и для теплообменной задачи определения чисел Нуссельта. В результате анализа расчетных данных была предложена идея модификации «поверхности Френкеля», в которой было увеличено время пребывания одного из теплоносителей. Таким образом, была разработана конструкция пластины с волнообразной поверхностью теплообмена, в которой волны скрещиваются как в пластине с «поверхностью Френкеля» (рис. 1, 2). Исследование волновой поверхности теплообмена не проводилось ранее, поэтому возникла необходимость провести эти исследования. Целью исследования стало получение критериальных зависимостей Nu(Re) и ξ (Re) для различных типов геометрии пластины: угла скрещивания волн, длины прямого участка волны, высоты канала.

Рис. 1. - Пластина с волнообразной поверхностью теплообмена

для схемы перекрёстного тока

Поскольку верификация пластины «поверхность Френкеля» показала высокую сходимость расчетов с экспериментами, было принято решение провести такое обширное исследование с помощью методов численного моделирования, с последующим проведением эксперимента для наиболее актуальных вариантов конструкции.

На начальных этапах, проектирование 3D-модели пластины с волновой поверхностью для расчета отнимало массу времени, поскольку даже при незначительных изменениях геометрических размеров пластины необходимо было корректировать практически всю 3D-модель. Для решения данной проблемы была разработана параметрическая 3D-модель. Данная модель представляет собой набор зависимостей и задаваемых параметров, сведенных в таблицу. При изменении одного из параметров модель перестаивается автоматически. Время создания 3D-модели для исследований сократилось с 2-3 ч до 1-5 мин, в зависимости от размеров пластины. Это позволило сократить сроки проведения расчетных исследований [3].

В результате расчетных исследований для различных вариантов конструкции были получены зависимости Nu(Re) и (Re), показанные на рис. 3, 4.

Рис.3. - Зависимость Nu(Re) для пластины с углом скрещивания 50

Рис.4. - Зависимость (Re), для пластины с углом скрещивания 50°

Полученные критериальные зависимости легли в основу аналитического расчета теплообменного аппарата, посредством которого удобно проводить проектировочные расчеты теплообменника заданных размеров для любых режимов работы.

Литература:

1. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках // Наука – М., 1982. – 472 с.

2. Попова Т.В. Анализ микротурбин со сложными термодинамическими циклами // Тезисы докладов LХ Научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок. – Санкт-Петербург, 2012. – с. 132-138.

3. Попова Т.В., Дробыш М.В., Силуянова М.В. Проектирование параметрической 3D-модели пластины теплообменного аппарата //  Научные труды XXXIX Международной молодежной конференции «Гагаринские чтения» в 9 томах. – М.: МАТИ, 2013. Т2, 316 с., с. 266-267.