Способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника и устройство для его осуществления

Область применения: теплоэнергетическое машиностроение, преимущественно, для газотурбинных двигателей, например автомобильных. Сущность изобретений: предложен способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника путем отбора части потока теплообменивающейся среды и направления ее вдоль стенки каркаса, при котором отобранную часть потока горячей среды направляют вдоль стенки каркаса после предварительного охлаждения, что предотвращает смывание стенки каркаса горячей средой и, следовательно, обеспечивает снижение термических деформаций каркаса. Система охлаждения, реализующая этот способ, представляет собой расположенные вдоль стенки каркаса каналы охлаждения: основной и дополнительный с направляющим аппаратом. Основной канал образован двумя охватывающими теплообменную матрицу обечайками, выполнен -образной формы с дном, размещенным на горячей щеке. Внутренняя обечайка установлена консольно на горячей щеке и может быть выполнена в виде теплоизолирующей стенки, отделяющей дополнительный канал охлаждения от основного. Наружная обечайка делит основной канал на два колена, одно из которых сообщается с дополнительным каналом и вместе с крышкой, являющейся одновременно дном дополнительного канала, эта обечайка составляет направляющий аппарат системы. Дополнительный канал охлаждения в зависимости от конструктивных особенностей теплообменной матрицы и эксплуатационных параметров теплообменника образован внутренней обечайкой и либо щелевыми каналами матрицы, по меньшей мере, одним, либо вновь введенным в устройство специальным каналом (щелевым или каким-либо другим), по меньшей мере, одним, либо частью пористой набивки матрицы, изолированной или не изолированной от основного объема набивки. Технический результат, получаемый от использования предлагаемой группы изобретений, заключается в повышении эффективности охлаждения каркаса теплообменника и соответственно снижении его тепловых деформаций и напряжений в нем при конструктивном упрощении системы охлаждения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретения относятся к области теплоэнергетики, точнее к способам и устройствам теплообмена газообразных сред, например горячего газа и воздуха в теплообменниках роторного типа, и касается, преимущественно, вращающихся дисковых теплообменников регенеративных транспортных газотурбинных двигателей, например автомобильных.

В настоящее время регенеративный газотурбинный двигатель (ГТД) рассматривается в качестве перспективного двигателя для различных видов транспорта в связи с его хорошо известными свойствами: широким спектром используемого топлива и низкой токсичностью отработавших газов. Острой проблемой, с которой продолжают иметь дело разработчики транспортных ГТД, является создание теплообменника с высокими эксплуатационными характеристиками, стабильность которых зависит большей частью от масштаба тепловых деформаций каркаса ротора.

Задача, решаемая предлагаемой группой изобретений, направлена на снижение тепловых деформаций каркаса ротора за счет эффективного его охлаждения.

Известен способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника (а.с. СССР №1070422, F28D 19/00), при котором из каждого потока теплообменивающихся газообразных сред отделяют часть потока и направляют его в канал между стенкой каркаса и теплообменной матрицей, причем перераспределяют этот поток таким образом, чтобы при подаче горячего газа вдоль стенки каркаса проходил его минимальный поток, а при подаче воздуха - его максимальный поток. Такой способ неэффективен, т.к. не предотвращает нагрева стенки каркаса горячим газом.

Известен способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника за счет эжекционной прокачки воздуха и охлажденного газа через канал охлаждения рядом с поверхностью каркаса (а.с. СССР №792067, F28D 19/00), в котором каркас недостаточно эффективно охлаждается из-за малых расходов эжектируемых сред.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа и, следовательно прототипом, является способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника, при котором из каждого потока теплообменивающихся газообразных сред, попеременно подаваемых в теплообменную матрицу, например горячего газа и воздуха, отбирают часть потока в заданном объеме и направляют в канал охлаждения, сформированный вдоль стенки каркаса между горячей и холодной щеками (а.с. СССР №552501, F28D 19/00).

Для эффективного охлаждения в прототипе отделенную часть потока горячего газа на входе в канал охлаждения закручивают с помощью направляющего аппарата для частичного снижения его температуры, а скорость отделенной части потока воздуха повышают путем сужения проходного сечения канала. Однако из-за того, что отделенный поток горячего газа подают в канал охлаждения с горячей стороны и практически незначительно охлажденным, на начальном участке температура стенки не изменяется в виду малого перепада температур ее и газа, а на конечном участке происходит нагрев стенки и тыльной стороны щеки. Охлаждение каркаса происходит только при прохождении вдоль его стенки встречного потока холодной среды-воздуха.

Такая схема не обеспечивает достаточно эффективного охлаждения, к тому же, обуславливает конструктивное усложнение реализующей такой способ системы охлаждения и, как следствие, теплообменника в целом.

Известные системы охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника (авт. свидетельства СССР №№552501, 792067 и 1070422 все F28D 19/00) представляют собой расположенный вдоль стенки каркаса канал охлаждения, направляющий аппарат, с помощью которого подается в канал отделенная от общего потока часть теплообменивающейся среды: горячего газа или воздуха, и дополнительные средства для эжекции, закручивания и/или разгона потока.

Из них наиболее близкий аналог и соответственно прототип предлагаемой системы - система охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника по а.с. СССР №552501, содержащая расположенный вдоль стенки каркаса между его горячей и холодной щеками канал охлаждения, образованный двумя охватывающими теплообменную матрицу цилиндрическими обечайками, из которых внутренняя консольно закреплена на горячей щеке, и направляющий аппарат, выполненный в виде установленных со стороны горячей щеки проставок, закручивающих поток.

Система - прототип реализует недостаточно эффективный способ охлаждения, т.к. вдоль стенки каркаса проходит горячий газ практически не охлажденным, а наличие проставок, изогнутая форма одной из обечаек и взаимосвязь элементов усложняют конструкцию системы.

Технический результат, получаемый от использования предлагаемых способа и системы охлаждения, заключается в конструктивном упрощении системы и в повышении эффективности охлаждения за счет исключения контакта в процессе охлаждения горячего газа со стенкой и щеками каркаса.

Технический результат достигается тем, что в способе охлаждения каркаса вращающегося теплообменника, при котором из каждого потока теплообменивающихся газообразных сред, например горячего газа и воздуха, попеременно подаваемых в теплообменную матрицу, отбирают часть потока в заданном объеме и направляют в канал охлаждения, сформированный вдоль стенки каркаса между горячей и холодной щеками, в отличие от аналогов канал охлаждения выполняют закрытым со стороны горячей щеки и отделенную часть потока горячего газа в канал охлаждения вводят со стороны холодной щеки после его предварительного охлаждения.

В системе охлаждения, содержащей расположенный вдоль стенки каркаса между его горячей и холодной щеками канал охлаждения, образованный двумя охватывающими теплообменную матрицу обечайками, из которых внутренняя консольно закреплена на горячей щеке, и направляющий аппарат, технический результат достигается тем, что, в отличие от аналогов, в ней имеется дополнительный канал охлаждения, расположенный параллельно основному и закрытый со стороны холодной щеки, основной канал выполнен двухколенным -образной формы с дном, размещенным на горячей щеке, одно его колено открыто в сторону холодной щеки, а другое сообщается с дополнительным каналом со стороны холодной щеки, и направляющий аппарат образован наружной обечайкой и закрепленной на ней крышкой, являющейся одновременно дном дополнительного канала.

В частных видах выполнения системы дополнительные отличия заключаются в выполнении внутренней обечайки в виде теплоизолирующей стенки и в различных формах образования дополнительного канала охлаждения:

- внутренней обечайкой и, по меньшей мере, одним щелевым каналом набивки матрицы;

- внутренней обечайкой и частью пористой набивки матрицы, отделенной от основного объема набивки или не отделенной;

- внутренней обечайкой и, по меньшей мере, одним каналом, вновь введенным в устройство.

На фиг.1 показан общий вид вращающегося дискового теплообменника (вид сверху со стороны холодной щеки); на фиг.2, 3, 4 - варианты выполнения системы охлаждения каркаса (разрез А-А на фиг.1), на фиг.5 - схема течения в матрице и системе охлаждения при прохождении через нее горячего теплоносителя; на фиг.6 - схема течения в матрице и системе охлаждения при прохождении холодного теплоносителя.

Вращающийся дисковый регенеративный теплообменник содержит каркас 1 с отверстиями 2 для прохода теплообменивающихся сред (например, газа и воздуха). В отверстиях 2 размещены теплообменные матрицы 3, например:

- из металлической ленты с дистанцирующими выштамповками, полученные намоткой в рулоны;

- из металлической сетки или из пористой керамики.

Сущность предлагаемого способа охлаждения каркаса теплообменника заключается в том, что из каждого потока теппообменивающихся газообразных сред, попеременно подаваемых в матрицу, например горячего газа и воздуха (фиг.5, 6), на входе в теплообменник отбирают часть потока в заданном объеме, определяемом исходя из требуемых эксплуатационных параметров конкретного теплообменника. Затем отобранную часть потока направляют вдоль стенки каркаса в сформированный канал охлаждения, закрытый с горячей стороны, причем горячий поток в этот канал подают со стороны холодной щеки и предварительно охлажденным.

Таким способом исключается омывание стенки каркаса горячей средой и обеспечивается возможность варьирования конфигурации каналов для более эффективного охлаждения каркаса и снижения тепловых деформаций в нем, одновременно с упрощением конструкции системы охлаждения.

Предварительное охлаждение отобранного потока горячей среды и его подвод в канал охлаждения может осуществляться различными известными средствами, целесообразными конструктивно и технологически или, как в предлагаемой системе, с помощью дополнительного канала охлаждения, параллельного основному и сообщающегося с ним со стороны холодной щеки.

Объем отделенных частей потоков сред обеспечивают за счет расчетного входного сечения и объема канала исходя из реальных параметров теплообмена, в частности потока горячего газа - за счет сечения, объема и вида выполнения дополнительного канала охлаждения.

Система охлаждения каркаса 1 вращающегося дискового теплообменника содержит расположенный вдоль стенки каркаса между его горячей и холодной щеками канал охлаждения 4, выполненный -образной формы с дном, размещенным на горячей щеке каркаса 1, и дополнительный канал охлаждения 5. Канал 4 образован двумя, охватывающими теппообменную матрицу 3, обечайками 6 и 7, из которых внутренняя 6 закреплена консольно на горячей щеке и может быть выполнена теплоизолирующей, и каркасом 1. Дополнительный канал охлаждения 5 расположен параллельно основному 4 и закрыт со стороны холодной щеки крышкой 8, которая одновременно связывает его с основным каналом 4.

Предусмотрены следующие варианты выполнения конструкции системы охлаждения каркаса:

- дополнительный канал охлаждения 5 образован внутренней обечайкой 6, которая может быть выполнена теплоизолирующей, и, по меньшей мере, одним щелевым каналом, технологически выполненным заодно с основной щелевой матрицей 3 (фиг.2);

- дополнительный канал охлаждения 5 образован внутренней обечайкой 6, которая может быть выполнена теплоизолирующей, и пористой набивкой 5, технологически выполненной отдельно от основной части пористой набивки матрицы 3, как на фиг.3 слева, или заодно с ней, как на фиг.3 справа;

- дополнительный канал охлаждения 5 образован внутренней обечайкой 6, которая может быть выполнена теплоизолирующей, и, по меньшей мере, одним щелевым каналом, технологически выполненным отдельно от основной щелевой матрицы 3 (фиг.4).

В момент, когда матрица находится в горячей полости двигателя и через нее со стороны горячей щеки проходит горячий теплоноситель (например, горячий выхлопной газ), он делится на два потока (фиг.5).

Первый поток (основной) проходит через основные каналы матрицы 3 и охлаждается в них, нагревая одновременно материал матрицы.

Второй поток (отделенный) проходит в дополнительный канал охлаждения 5 и также охлаждается в нем. Затем этот поток посредством крышки 8 направляется в канал охлаждения 4. Проходит через него, охлаждая каркас 1, и выходит в то же отверстие на холодной щеке, что и основной поток холодного газа, и в дальнейшем смешивается с ним.

В момент, когда матрица находится в холодной полости двигателя и через нее со стороны холодной щеки проходит холодный теплоноситель (например, сжатый в компрессоре воздух), он также делится на два потока (фиг.6).

Первый поток (основной) проходит через основные каналы матрицы 3 и нагревается в них, охлаждая одновременно материал матрицы.

Второй поток (отделенный) проходит в канал охлаждения 4, проходит через него, охлаждая каркас 1. После чего этот поток посредством крышки 8 направляется в дополнительный канал охлаждения 5, где нагревается, охлаждая одновременно материал матрицы. И выходит в то же отверстие на горячей щеке, что и основной поток, и в дальнейшем смешивается с ним.

1. Способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника, при котором из каждого потока теплообменивающихся газообразных сред, например горячего газа и воздуха, попеременно подаваемых в матрицу, отбирают часть потока в заданном объеме и направляют в канал охлаждения, сформированный вдоль стенки каркаса между горячей и холодной щеками теплообменника, отличающийся тем, что канал охлаждения выполняют закрытым со стороны горячей щеки и упомянутую часть потока горячего газа в канал охлаждения вводят со стороны холодной щеки после его предварительного охлаждения.

2. Система охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника, содержащая расположенный вдоль стенки каркаса между его горячей и холодной щеками канал охлаждения, образованный двумя охватывающими теплообменную матрицу обечайками, из которых внутренняя закреплена консольно на горячей щеке, и направляющий аппарат, отличающаяся тем, что в ней имеется дополнительный канал охлаждения, расположенный параллельно основному и закрытый со стороны холодной щеки, основной канал выполнен двухколенным -образной формы с дном, размещенным на горячей щеке, одно его колено открыто в сторону холодной щеки, а другое сообщается с дополнительным каналом со стороны холодной щеки, и направляющий аппарат образован наружной обечайкой и закрепленной на ней со стороны холодной щеки крышкой, являющейся одновременно дном дополнительного канала.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что дополнительный канал охлаждения образован внутренней обечайкой и, по меньшей мере, одним щелевым каналом набивки матрицы.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что для образования дополнительного канала служит часть пористой набивки матрицы.

5. Система по п.2, отличающаяся тем, что дополнительный канал образован внутренней обечайкой и, по меньшей мере, одним каналом, вновь введенным в устройство.

6. Система по любому из пп.2-5, отличающаяся тем, что внутренняя обечайка выполнена в виде теплоизолирующей стенки между основным и дополнительным каналами.