Регенеративный турбовентиляторный теплообменник

 

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в газотурбинных установках. Цель - повышение эксплуатационной эффективности. При работе теплообменника греющая среда (С) проходит по каналу 3 в межлопаточных каналах направляющих лопаток (Л) 7 и Л 6 ротора, отдавая последним свое тепло. Под действием потока греющей С и нагреваемой С ротор вращается. Когда Л 6 переходят в канал 4 нагреваемой С, они отдают ей тепло, полученное от греющей С. Благодаря расположению направляющих Л плоскими и расположенными в радиальных плоскостях вращение ротора обеспечивается как при прямоточном движении С, так и при противоточном. Это повышает эффективность. 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может найти применение при реализации регенеративных циклов различных силовых установок. Известны теплообменники регенеративные, содержащие разделенные на отсеки греющей и нагреваемой сред корпус с помещенным внутри ротором с насадкой в виде набора наклонных радиальных лопаток и установленным перед ротором лопаточным направляющим аппаратом, с ротором содержащим теплообменные элементы в виде насадок какой-либо другой формы. Экспериментально установлен факт существенного увеличения коэффициентов теплоотдачи на поверхности лопаток, пластины, цилиндров за счет их быстрого изменения температуры при нагревании или при охлаждении потоком газа до 2-4 раз, по сравнению с квазистационарными значениями коэффициентов теплоотдачи при значениях критерия подобия скорости изменения температуры стенки K_TW= · не меньших по модулю, чем (±2˙ 10^-5), где Т_л - температура стенки лопатки; τ - время; С_р, ρ,λ - изобарная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности среды, обтекающей стенку со скоростью W; g - ускорение силы земного тяготения. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому заявленному изобретению является теплообменник регенеративный, который выбран в качестве прототипа с учетом известных схем и принципов работы теплообменников, содержащий разделенные на отсеки греющей и нагреваемой сред корпус с помещенным внутри ротором с насадкой в виде набора наклонных радиальных лопаток и установленным перед ротором лопаточным направляющим аппаратом. Недостатком прототипа является недостаточно высокое квазистационарное значение коэффициентов теплоотдачи на массивных толстостенных теплообменных элементах ротора, имеющих малые скорости прогрева в горячем канале от горячего газа и малые скорости охлаждения в холодном канале при отдаче теплоты холодному газу. Целью изобретения является повышение эксплуатационной эффективности повышения интенсивности теплообмена между горячей и холодной средой при нестационарном взаимодействии с тонкостенными лопатками ротора и за счет обеспечения возможности работать как в турбинном, так и в вентиляторном режиме с минимальными перетечками между отсеками греющей и нагреваемой сред. Цель достигается тем, что лопатки ротора выполнены закрученными в радиальном направлении и снабжены ребрами жесткости, ориентированными в том же направлении, а лопатки направляющего аппарата выполнены плоскими и расположенными в радиальных плоскостях. Ребра жесткости позволяют лопатки ротора выполнять тонкостенными, обеспечивающими возможность получить в работе значение критерия подобия скорости изменения температуры стенки K_TW= · по модулю не меньшими, чем (±2 ˙ 10^-5). Выполнение в заявленном теплообменнике теплообменных элементов ротора в виде лопаток неизогнутого профильного сечения закрученными в радиальном направлении позволяет получить новый положительный эффект - возможность работать как в турбинном, так и в вентиляторном режиме. Отсутствие изгиба профиля лопаток ротора обеспечивает отсутствие конфузорности или диффузорности в межлопаточных каналах и обеспечивает их работоспособность с минимальными потерями энергии как в турбинном, так и в вентиляторном режиме при некоторых углах атаки на входе в том и в другом случае. Если же лопатки изгибать, то некоторое облагораживание обтекания в одном канале не может компенсировать резкого ухудшения обтекания в другом из-за больших углов атаки. Размещение в каналах греющей и нагреваемой сред перед лопатками ротора плоских направляющих лопаток, расположенных в радиальных плоскостях позволяет исключить закрутку потока на входе в лопатки ротора и свести к минимуму перетечки между отсеками греющей и нагреваемой сред. Выполнение в теплообменнике на лопатках ротора ребер жесткости позволяет выполнить лопатки тонкостенными и получить новый положительный эффект - повысить интенсивность теплообмена между греющей и нагреваемой средой за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи на поверхности лопаток ротора при больших скоростях изменения температуры стенки, приводящей к турбулизации вязкого пограничного подслоя пограничного слоя, определяющего основное тепловое сопротивление пограничного слоя, и за счет этого интенсифицирующего теплообмен на поверхности лопаток в 2-4 раза. Критерием величины скорости изменения температуры стенки является число подобия К_TW, значение которого (±2 ˙ 10^-5) обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи α в 2-4 раза, по сравнению с его квазистационарным значением. На фиг.1 изображен теплообменник, кольцевой разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - графики температур лопаток, греющей и нагреваемой сред. Теплообменник регенеративный турбовентиляторный содержит полый корпус 1 с перегородкой 2, разделяющей внутреннюю полость корпуса на отсеки греющей среды 3 и нагреваемой среды 4; перегородка 2 выполнена с пазами 5, в которых расположены лопатки 6 ротора; перед каждой ступенью лопаток ротора размещены плоские направляющие лопатки 7, расположенные в радиальных плоскостях. При работе теплообменника греющая среда проходит по каналу 3 в межлопаточных каналах направляющих лопаток 7 и лопаток 6 ротора, отдавая последним свою теплоту. Когда лопатки 6 перемещаются через паз 5 перегородки 2 в канал 4 нагреваемой среды, они отдают ей теплоту, полученную от греющей среды. Большие скорости изменения температуры тонкостенных лопаток ротора обеспечивают значения критерия К_TW не менее чем (2 ˙ 10^-5) и увеличение коэффициента теплоотдачи на лопатках в 2-4 раза. Обоснование технической полезности заявляемого изобретения выполнено путем определения скорости изменения температуры лопатки ротора и сравнения результатов расчета охлаждения горячего газа в теплообменнике подогрева холодного газа в нем и в случае неучета влияния нестационарности на коэффициент теплоотдачи α на лопатках ротора и в случае учета этого влияния через критерий К_TW. Исходные данные для расчета: Внешний диаметр лопаток ротора D = =150 ˙ 10^-3 м Внутренний диаметр лопаток ротора d = 50 ˙ 10^-3 м Скорость газа в направляющих лопатках С = 50 м/c Температура горячего газа на входе в теплообменник Т_г = 900 К Температура холодного воздуха на входе в теплообменник Т_х = 300 К Толщина стенки лопатки ротора Δ = 0,5x x10^-3 м Ширина лопатки ротора Н = 50 ˙ 10^-3 м
Число лопаток в роторе N = 200
Коэффициент теплоотдачи на лопатках ротора без учета влияния на него температурной нестационарности α = 200 Вт/м² ˙ К. Теплоемкость материала стенки лопат- ки (сталь) C_м= 500 , а его плотность ρ_м = 8000 кг/м³
Число оборотов ротора n = 5000 об/мин
Теплофизические свойства газа - как у воздуха
C_р= 1000 ; ρ = 1,2 кг/м³; λ = 0,02
Расчет:
Окружная скорость лопаток на среднем радиусе лопаток
U_ср= · R_ср= · 50 · 10^-3 = 26
Скорость обтекания лопаток ротора на среднем радиусе определена графически по С и U_cp из треугольника скоростей
W = 56 м/c
Время пребывания лопатки в канале горячего газа (или холодного воздуха) за один оборот принимается равным половине времени одного оборота ротора
Δτ = = = ≈ 0,001 c
Площадь поверхности одной лопатки ротора F_л = (D - d)H = 100 ˙ 10^-3 ˙ 50 ˙ 10^-3 = 5 ˙ 10^-3 м²
Подогрев лопатки за время пребывания ее в канале горячего газа (начальная температура лопатки Т_л принимается равной среднеарифметической от температуры газа Т₁ и воздуха Т_х)
δT_л= = = = 0,06 K
Малое изменение температуры Т_л подтверждает справедливость выбора температуры лопатки ротора как среднеарифметической от Т_г и Т_х. Скорость прогревания лопатки ротора от газа (или скорость охлаждения лопатки от воздуха - эти скорости соизмеримы)
= = 60
Критерий подобия для учета влияния нестационарности на коэффициент теплоотдачи
K_TW= · = = 2· 10^-5
В соответствии с экспериментальными данными в рассмотренном теплообменнике при данных параметрах теплоносителей нестационарность интенсифицирует коэффициенты теплоотдачи α не менее чем в 2-4 раза. Расход горячего газа через теплообменник (принимается равным расходу воздуха)
G_г= G_в=f·C·ρ = 0,024·50·1,2 ≈ 1,5
Охлаждение газа от лопаток ротора первой ступени (от соприкосновения одновременно со 100 лопатками в канале) без учета влияния нестационарности на коэффициент теплоотдачи = 200 Вт/м² К
ΔT_г= = = 20K. Если же учитывать влияние нестационаpности на α , то при К_TW = 2 ˙ 10^-5 коэффициент α возрастает в 2-4 раза, а охлаждение горячего газа (или подогрев воздуха) в одной ступени ротора составит ≈ 40-80 К. В трех же ступенях, как изображено на фиг.1 и фиг.2, это изменение температуры ≈ 100-200 К. Результаты расчета, в качественной форме, представлены графически на фиг.3, где изображены температуры лопатки, газа и воздуха во времени (с шагом для одного оборота ротора Δτ = 1 ˙ 10^-3 с). Сплошные линии относятся к случаю без влияния нестационарности на коэффициент α , а пунктир - с учетом этого влияния. Т_г и Т_х - температуры горячего газа и холодного воздуха на входе в теплообменник; 1 и 2 - температуры лопатки при колебании этой температуры около ее среднего значения; 3 и 4 - температуры горячего газа; 5 и 6 - температуры воздуха. Заявляемый теплообменник в сравнении с прототипом позволяет увеличить коэффициенты теплоотдачи на лопатках ротора и интенсифицировать теплообмен между горячим и холодным газом в 2-4 раза.

Формула изобретения

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий разделительный на отсеки греющей и нагреваемой сред корпус с помещенным внутри ротором с насадкой в виде набора наклонных радиальных лопаток и установленным перед ротором лопаточным направляющим аппаратом, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной эффективности, лопасти ротора выполнены закрученными в радиальном направлении и снабжены ребрами жесткости, ориентированными в том же направлении, а лопатки направляющего аппарата выполнены плоскими и расположенными в радиальных плоскостях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3