Способ регенерации тепла отходящих выхлопных газов и устройство для его реализации

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к трубчатым регенераторам газоперекачивающих установок (ГПУ). В способе регенерации тепла отходящих газов цикловой воздух направляют в Z-образные теплообменные трубы трубного пучка, подачу циклового воздуха осуществляют через верхние ветви Z-образного трубного пучка, а отбирают его на выходе через нижние ветви, воздух в трубных пучках перемещают по Z-образной траектории при двухходовом или четырехходовом режимах движения циклового воздуха в трубном пучке, выхлопной отходящий газ для равномерного прогрева трубного пучка разделяют на несколько веерных потоков и направляют их в межтрубное пространство поперечно трубному пучку, обеспечивают Z-перекрестный теплообмен между цикловым воздухом в трубах и отходящими выхлопными газами в межтрубном пространстве через стенки теплообменных труб трубного пучка. Способ реализуется в устройстве в виде каркасно-коробчатого корпуса блока регенератора, состоящего из теплообменных модулей, которые изготавливают из металлического рамного каркаса, придают ему форму коробчатого сечения из гнутого профиля, теплообменные модули оснащают перепускными воздухопроводами и снабжают диффузорно-конфузорными коробами для отходящих выхлопных газов, при этом в диффузорном коробе устанавливают веерный разделитель потока отходящих газов. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к трубчатым регенераторам газоперекачивающих установок (ГПУ) с целью повышения их к.п.д. за счет использования в рабочем цикле теплоты отходящих выхлопных газов.

Изобретение основано на классическом принципе теплообмена между двумя разнотемпературными теплоносителями, контактирующими между собой через теплопроводящую поверхность при встречном или перекрестном движении потоков по двум смежным и изолированным системам каналов, заключенных в едином замкнутом пространстве, оснащенном входными и выходными патрубками для сквозного транзита теплоносителей, представляющих собой примирительно к ГТК-10-4, с одной стороны, поток отходящих выхлопных газов с температурой 500-800°С, а с другой - поток сжатого воздуха с температурой выхода из компрессора около 200°С и нагреваемого в теплообменнике примерно до 400°С для подачи в камеру сгорания газоперекачивающей установки (ГПУ). Именно этот эффект -дополнительный нагрев сжатого воздуха ориентировочно от 200°С до 400°С за счет теплоты отходящих газообразных продуктов сгорания, обеспечивает повышение к.п.д. ГПУ, снижение расхода топлива и ряд других преимуществ [1] (стр. 348-388).

Но конструктивное исполнение регенерационных устройств и теплообменных процессов не является совершенными.

Известен трубчатый регенератор GEA (Германия), послуживший прототипом для многих отечественных аналогичных устройств. Регенератор состоит из цилиндрического корпуса (кожуха), который снабжен опорными лапами для размещения на опорной конструкции в подвешенном состоянии. Верхний и нижний торцы корпуса снабжены неподвижными трубными досками (или решетками) в виде дисковых плит с отверстиями, предназначенными для жесткого фиксирования, например, методом развальцовывания и/или сварки, пучка прямых теплообменных труб, размещенных внутри корпуса вдоль его оси. Схема течения теплоносителей - однократный ход по газам и многократный - по воздуху при общем противотоке: выхлопные газы движутся по трубкам снизу вверх, воздух движется сверху вниз в межтрубном пространстве, которое оборудовано горизонтальными перегородками, направляющими поток нагреваемого воздуха поперек пучка труб попеременно от центра корпуса к периферии (стенке корпуса) и обратно. Число таких ходов составляет четыре. Компенсация неравнозначных термических удлинений корпуса и пучка прямых теплообменных труб, механически закрепленных в неподвижных трубных досках, жестко связанных с кожухом (корпусом) устройства, осуществляется с помощью многолинзового компенсатора, встроенного в корпус регенератора, что позволяет корпусу удлиняться сообразно удлинениям трубного пучка [2] (рисунок 6.20).

Недостатками известного решения являются: использование прямых теплообменных труб, способных при термическом удлинении деформироваться и разрушаться; применение многолинзового компенсатора, встроенного в корпус, что снижает его прочность и ограничивает использование регенератора по внутреннему давлению; наличие двух неподвижных дисковых трубчатых досок, усложняющих конструкцию и увеличивающих массу регенератора; недостаточная эффективность теплообмена при противоточно-перекрестном движении циклового воздуха в межтрубном пространстве прямоточного пучка теплообменных труб.

Известен кожухотрубный теплообменник с U-образными трубами. Состоит из цилиндрического кожуха (корпуса), в котором расположены U-образные теплообменные трубы. Для укладки U-образных элементов в трубном пучке, они изготавливаются с разным радиусом закругления гибочного колена. Такая конструкция U-образного пучка позволяет ему свободно перемещаться в кожухе при компенсации температурного расширения. При этом аппарат имеет единую камеру для входа и выхода потока и единую трубную решетку, диаметр и толщина которой определяется количеством труб в трубном пучке. Известно, что в кожухотрубном теплообменнике с U-образными трубами проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи с поверхности труб невысоки, что снижает общий коэффициент теплообмена в аппарате [3] (стр. 28-30, рисунок 2.9).

Недостатками известного решения являются: низкий коэффициент теплообмена; наличие трубной решетки, утяжеляющей ее металлоемкость, а также ограничивающей диаметральные размеры корпуса регенератора; необходимость использования для формирования U-образного теплообменного элемента длинномерных бесшовных труб повышенной сложности изготовления и стоимостной категории; использование труб различной длины, что приводит к технологическим отходам; индивидуальная перенастройка гибочного оборудования из-за разных радиусов закругления гибочных колен U-образных теплообменных элементов в трубном пучке, что приводит к увеличению времени изготовления и удорожанию продукции.

Наиболее близким по технологической сущности является воздухоподогреватель трубчатый с U-образными трубами, например, ВПТ-1400, выпускаемый ЗАО «ΟΡΜΑ» в модульном исполнении, принятый нами за прототип. За счет U-образных труб достигается термоэластичность теплообменника. U-образные трубки формируют пакеты трубных пучков. Два последовательно соединенных пакета трубных пучков образуют модуль. Концы U-образных труб закреплены в вертикальных трубных досках (решетках). Дистанцирование труб в трубном пучке достигается за счет поперечных перегородок, которые ограничивают межтрубное пространство модуля с помощью покрывных стенок. Три модуля, размещенные один над другим, образуют башенный тип сооружения секции теплообменного элемента с единой составной вертикальной трубной доской (решеткой) в виде несущего бокового габарита башенной секции. Со стороны трубной доски (решетки) секция снабжена вертикальными трубно-сферическими коллекторами подвода и отвода воздуха с перепускной камерой, соединяющей пакеты трубных пучков по воздушному тракту, что обеспечивает четырехходовую противоточную систему движения воздуха в трубном U-образном пространстве теплонагревателя. Газ от выхлопной трубы ГТУ подается к боковой поверхности теплообменного элемента с помощью диффузорного короба и в одноходовом перекрестном режиме пересекает межтрубное пространство модуля с выходом через конфузор, размещенный с противоположной стороны, в вытяжную трубу, нагревая при этом циркулирующий в трубках трубного пучка цикловой воздух [4] (стр. 18-20, рисунок 6.20).

Недостатками известного прототипа являются: U-образные теплообменные трубы со сложной технологией гнутья; недостаточно плотной упаковки пучка труб и пониженным теплообменном (степень регенерации для ВПТ-1400 составляет 0,72); многоэлементность сборочной конструкции секции, громоздкость ее башенного сооружения; массивность составной трубной решетки (доски) в виде несущего бокового габарита секции; усложненность конструкции воздушных коллекторов из-за наличия перепускной камеры.

Задачей изобретения является повышение эффективности теплообмена и создания компактного регенератора для газотурбинной установки, позволяющих устранить недостатки аналога и прототипа.

Технологическим результатом изобретения является повышение эффективности теплообмена при одновременном снижении металлоемкости регенеративного воздухоподогревателя за счет компактности теплообменного коробчатого блока, составленного из рамных коробчатых модулей с пучком термоэластичных труб Z-образной формы и трубными досками, выполненными в стойках рамного каркаса теплообменного модуля.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата автором предложен способ регенерации тепла отходящих выхлопных газов, включающий подачу циклового воздуха в теплообменные трубы трубного пучка, перемещение циклового воздуха по трубному пучку в двух- или четырехходовом режимах, нагрев теплообменных труб перекрестным потоком выхлопных газов, процесс теплообмена между цикловым воздухом и отходящими выхлопными газами через стенки трубного пучка, отличающийся тем, что цикловой воздух направляют в Z-образные теплообменные трубы трубного пучка, подачу циклового воздуха осуществляют через верхние ветви Z-образного трубного пучка, а отбирают его на выходе через нижние ветви, воздух в трубных пучках перемещают по Z-образной траектории, при двухходовом режиме теплообмена цикловой воздух подают одновременно в два теплообменных модуля и отбирают одновременно из двух соседних, при четырехходовом режиме цикловой воздух подают и отводят последовательно в каждом теплообменном модуле, выхлопной отходящий газ для равномерного нагрева трубного пучка разделяют на несколько веерных потоков и направляют их в межтрубное пространство поперечно трубному пучку, обеспечивают Z-перекрестный теплообмен между цикловым воздухом в трубах и отходящими выхлопными газами в межтрубном пространстве.

Способ реализуется в устройстве для регенерации тепла отходящих выхлопных газов в виде каркасно-коробчатого корпуса блока регенератора трубчатого газотурбинной установки, включающего теплообменные модули, трубные доски, пучки термоэластичных теплообменных труб одинаковой длины и диаметра с концами, жестко закрепленными в отверстиях трубных досок, коллекторы для подвода и отвода циклового воздуха, диффузорно-конфузорные короба соответственно для подвода и отвода отходящих выхлопных газов из камеры сгорания газотурбинной установки, отличающиеся тем, что теплообменные модули изготавливаются из металлического рамного каркаса, рамному каркасу придают прямоугольную форму коробчатого сечения из гнутого профиля, на боковых стойках рамного каркаса устанавливают трубные доски, на одной стойке рамного каркаса трубную доску монтируют в нижней части, на противоположной стойке - в верхней части, внутрь рамного каркаса заключают трубный пучок, теплообменным трубам пучка придают Z-образную гибочную форму, изгиб каждой ветви гибочной формы выполняют дважды, расстояние между центрами изгибных колен устанавливают одинаковым, что обеспечивает равенство гидродинамических сопротивлений ветвей, модули смыкают по торцам коробчатых каркасных рам, создают жесткий самонесущий коробчатый корпус регенераторного блока, воздушные коллекторы монтируют только в зонах трубных досок, открытые панели трубного пучка каркасно-коробчатого корпуса снабжают диффузорно-конфузорными коробами, при этом на диффузорном коробе устанавливают веерные разделители потока отходящих выхлопных газов для равномерного нагрева трубного пучка.

Графический материал представлен:

Фиг. 1 - общий вид блока регенератора трубчатого; Фиг. 2 - компоновка блока регенератора, вид сверху; Фиг. 3 - каркас рамный теплообменного модуля; Фиг. 4 - трубный пучок; Фиг. 5 - Z-образная теплообменная труба; Фиг. 6 - схема двухходового движения циклового воздуха в трубном пучке; Фиг. 7 - схема четырехходового движения циклового воздуха в трубном пучке.

Устройство включает: 1 - каркасно-коробчатый корпус блока регенератора; 2 - теплообменные модули; 3 - воздушные коллекторы для подвода циклового воздуха в теплообменные модули; 4 - воздушные коллекторы для отвода циклового воздуха из теплообменных модулей; 5 - перепускные воздухопроводы; 6 - воздуховод для подачи циклового воздуха к воздушным коллекторам; 7 - воздуховод для сбора циклового воздуха от воздушных коллекторов; 8 - веерный разделитель выхлопных газов; 9 - верхняя трубная доска; 10 - нижняя трубная доска; 11 - диффузор для подвода выхлопных газов; 12 - конфузор для отвода выхлопных газов в вытяжную трубу; 13 - вытяжная труба; 14 - рамный каркас теплообменного модуля; 15, 16 - боковые стойки рамного каркаса; 17 - трубный пучок; 18 - теплообменная труба Z-образной формы; 19 - верхняя ветвь Z-образной теплообменной трубы; 20 - нижняя ветвь Z-образной теплообменной трубы.

Устройство для регенерации тепла отходящих выхлопных газов включает каркасно-коробчатый корпус 1, теплообменные модули 2, изготовленные из металлического рамного каркаса 14, имеющего пространственную форму коробчатого сечения, выполненного из гнутого профиля; на боковых стойках коробчатого каркаса жестко закрепляют трубные доски, при чем на одной боковой стойке 15 трубная доска 9 размещается в верхней части стойки, а на противоположной стойке 16 трубная доска 10 размещается в верхней части стойки, что универсализирует коробчатый каркас, так как изменение его положения на 180° не влияет на порядок размещения трубных досок на боковых стойках. Указанный порядок размещения трубных досок позволяет встроить внутрь модульного каркаса 14 трубный пучок 17, составленный из Z-образных теплообменных труб 18 с двойным изгибом ветвей и уложенных в шахматном порядке, что обеспечивает наибольшую компактность пучка в замкнутом межтрубном пространстве; Z-образная гибочная форма теплообменных труб обеспечивает термоэластичность трубного пучка, выражающуюся в самокомпенсации линейных деформаций труб при изменении температуры; выбранная Z-образная гибочная форма в виде ломанной прямой с двойным изгибом минимизирует свободное от труб межтрубное пространство и отличается увеличенной длиной трубного канала в границах прямоугольного каркаса теплообменного модуля, а при одинаковости при этом диаметров и длин трубных ветвей обеспечивает равенство их гидродинамических сопротивлений, что, соответственно, повышает теплообменную эффективность трубного пучка; особенностью Z-образной гибочной формы является возможность использования для формирования трубного пучка труб одинаковой длины L0 с одинаковым расстоянием lц между центрами гибочных колен: это расстояние рассчитывается с учетом габаритов рамного каркаса теплообменного модуля и длины теплообменных труб L0 из выражения:

где lн и lв - длины соответственно верхней 19 и нижней 20 гибочных ветвей Z-образной теплообменной трубы. Эти полезные особенности упрощают гибочные операции, так как не требуют перенастройки гибочного оборудования, исключают отходы труб и сокращают время на их раскрой. Изменение положения теплообменного модуля поворотом на 180° не нарушает его функциональное назначение, что упрощает сборку корпуса регенерационного блока и перенастройку режимов теплообмена с двухходового на четырехходовой и обратно. Концы трубного пучка верхних изогнутых ветвей 19 фиксируются в отверстиях верхней трубной доски 9, закрепленной на боковой стойке 15 рамного каркаса 14, нижние ветви 20 фиксируется в отверстиях нижней трубной доски 10, установленной на противоположной боковой стойке 16 каркаса 14 теплообменного модуля 2. Оснащенные таким образом теплообменные модули 2 жестко смыкают по их рамным торцам и создают коробчатый самонесущий корпус 1 теплообменного блока. Боковые стойки 15, 16 теплообменных модулей 2 оснащают воздушными коллекторами 3 только в зонах трубных досок 9, 10, чем снижают металлоемкость конструкции в целом. При этом подача циклового воздуха к воздушным коллекторам 3 осуществляется по воздуховоду 6, а отвод от воздушных коллекторов 4 по воздуховоду 7. Таким образом, цикловой воздух поступает в Z-образный трубный пучок 17 через верхние трубные доски 9, отводится из теплообменного трубного пучка через нижние трубные доски 10. При этом создается двухходовой режим движения циклового воздуха в теплообменнике. Для наглядности этот режим представлен на схеме двухходового движения циклового воздуха (см. фиг. 6) в трубном пучке. Как видно из схемы, первый ход движения реализуется поступлением воздуха из воздуховода 6 через воздушные коллекторы 3 в трубные пучки двух соседних теплообменных модулей 2 к перепускным воздухопроводам 5, которые направляют воздух в два последующих теплообменных модуля 2 для второго противоточного хода движения воздуха с выходом в отводные воздушные коллекторы 4 и сборный воздуховод 7, направляющий кондиционно нагретый воздух в камеру сгорания ГТУ. В графическом приложении на фиг. 7 представлена также схема четырехходового движения циклового воздуха в трубном пучке. Как видно из схемы, реализация четырехходового режима осуществляется за счет перенастройки воздушных коммуникаций без изменения существующей номенклатуры оборудования, при этом цикловой воздух подводится через воздуховод 6 и воздушный коллектор 3 в трубный пучок одного из теплообменных модулей 2 и далее с помощью перепускных воздухопроводов 5 последовательно перенаправляется в каждый последующий теплообменный модуль, включенный в каркасно-коробчатый корпус блока регенератора. Каждое перенаправление создает противоточный ход циклового воздуха, обеспечивая, при наличии четырех теплообменных модулей, четырехходовой режим его движения в трубных пучках. Из фиг. 2 видно, что открытые панели трубного пучка каркасно-коробчатого корпуса 1 оборудуют диффузорным 11 и конфузорным 12 коробами для продвижения отходящих выхлопных газов через межтрубное пространство трубных пучков, при этом выхлопные газы поступают из камеры сгорания ГТУ к диффузору 11, дополнительно оборудованному веерным разделителем 8 горячего потока газа на ряд веерных расходящихся струй, поступающих в межтрубное пространство трубного пучка для равномерного прогрева теплообменных труб с выходом в конфузор 12 для отвода выхлопных газов в вытяжную трубу 13.

Устройство работает следующим образом. Предварительно нагретый в осевом компрессоре цикловой воздух подается по воздуховоду 6 к спаренным воздушным коллекторам 3, подсоединенным к сдвоенным трубным доскам 9, далее воздух поступает в Z-образные теплообменные трубы трубных пучков двух смежных теплообменных модулей 2 и с помощью перепускных воздухопроводов 5 перенаправляется в Z-образные трубные пучки двух соседних теплообменных модулей, откуда поступает в спаренный воздушный коллектор 4 для отвода с помощью сборного воздуховода 7 в камеру сгорания ГТУ. При этом реализуется двухходовой режим движения циклового воздуха в теплообменных трубных пучках. Четырехходовой режим нагрева циклового воздуха при движении в теплообменных модулях регенератора достигается переоборудованием воздушных коммуникаций для обеспечения последовательно противоточного хода циклового воздуха в каждом из теплообменных модулей. Режим регенерации тепла отходящих выхлопных газов запускается путем подачи их из камеры сгорания ГТУ в межтрубное пространство трубного пучка регенератора. Раскаленный газ поступает в диффузорный короб 11 через встроенный в диффузор веерный разделитель потоков 8 на ряд веерных струй для равномерного прогрева теплообменных труб трубного пучка, газ проходит межтрубное пространство в одноходовом режиме и подается в конфузор 12 для вывода в вытяжную трубу 13. Нагрев циклового воздуха в теплообменных трубах реализуется за счет теплообмена с выхлопными газами через металлические стенки теплообменных труб.

Пример осуществления способа и устройства.

Осуществление способа регенерации тепла отходящих выхлопных газов реализуется в предлагаемом устройстве. Предлагаемое устройство - это регенератор трубчатый РТ 220.00.0000-01, предназначенный для замены штатных регенераторов газотурбинного компрессора ГТК-10-4, имеет габаритные и монтажные присоединительные размеры аналогичные заменяемым, эффективность компенсации линейных тепловых деформаций теплообменных труб превышает возможности заменяемых регенераторов, материальное исполнение способно выдержать тепловое и коррозионное воздействие выхлопных газов ГТУ. Поверхности теплообмена изготовлены из труб ∅25x1 мм, сталь 15ХМ ТУ 14-31664-89, корпус и трубные доски изготовлены из листа сталь 12ХМ ТУ 14-1-5093-92 и ТУ 108-1263-84. Все детали воздуховодов изготовлены из листовой стали 09ГС ГОСТ 5520-79. Техническая характеристика регенератора трубчатого РТ 220.00.0000.01 представлена в таблице 1.

Как видно, агрегат ГТК-10-4 включает 2 регенератора трубчатых РТ 220.00.0000.01. Регенератор используется с двухходовой или четырехходовой схемой циклового движения воздуха. Расположение теплообменных труб в трубной доске и трубном пучке шахматное. Это обеспечивает увеличение пристенных скоростей течения потока газа, что способствует интенсификации конвективного теплообмена за счет разрушения пристенного пограничного слоя на поверхности теплообменных труб.

Способ регенерации тепла отходящих выхлопных газов реализуется следующим образом. Цикловой воздух, поступающий из осевого компрессора ГТУ с температурой Тк=198°С и давлением 440 кПа, направляют в Z-образные теплообменные трубы трубного пучка через верхние ветви труб, зафиксированные в отверстиях верхних трубных досок теплообменных модулей. Воздух перемещают по Z-образной траектории трубного пучка к нижним трубным доскам и перепускным воздуховодам, которые перенаправляют воздух в отверстия верхних трубных досок и теплообменные трубы последующих теплообменных модулей с отводом его, после прохождения по Z-образной траектории трубного пучка, через нижние трубные доски и сборный воздуховод в камеру сгорания ГТУ. Расход воздуха на 1 регенератор составляет 40,25 кг/с, гидравлические потери по воздуху составляют 2,87%. Отходящий выхлопной газ поступает из турбины низкого давления ГТУ с температурой Тг=507°С и давлением 105 кПа в диффузор, где разделяется на несколько веерных потоков для равномерного прогрева теплообменных труб трубного пучка. Далее в одноходовом режиме проходит межтрубное пространство поперечно трубному пучку теплообменных труб, реализует Z-перекрестный теплообмен между цикловым воздухом и отходящими выхлопными газами через стальные стенки теплообменных труб, заключенных в трубном пучке. Расход продуктов сгорания на 1 регенератор составляет 41,65 кг/с, гидравлические потери по газу составляют 4,13% (суммарная относительная потеря давления 7±0,5%). При этом температура циклового воздуха на выходе из регенератора РТ 220.00.0000.01 составляет Тр=430°С. Эффективность регенератора оценивается степенью регенерации и массой регенератора в зависимости от теплообменной поверхности трубного пучка.

Степень регенерации г рассчитывается в соответствии с [2] по формуле:

где: Тр - температура циклового воздуха на выходе из регенератора; Тк - температура циклового воздуха на входе из конфузора регенератора; Тг - температура отходящих выхлопных газов.

Подставив значения Тр=430°С, Тк=198°С, Тг=507°С в ф (2), степень регенерации составит:

Эффективность предлагаемого регенератора можно оценить также в соответствии с рекомендациями того же источника [2]: выполняется сравнительный анализ зависимости площади S теплообменной поверхности и степени регенерации r от массы Μ регенератора. При этом расчетную величину поверхности S теплообмена регенератора предлагается определять из эмпирической зависимости:

где Gвоз - расход воздуха ГТУ; ср воз - теплоемкость воздуха; K - коэффициент теплопроводности в регенераторе.

Рассмотрим примеры расчета.

В источнике [2] величина поверхности теплообмена S регенератора ГТУ рассчитана при условии: Gвоз=103 кг/с; K=75 Вт/(м2°С); ср воз=1,13 Дж/(м2°С).

Тогда при степени регенерации r - 0,65 поверхность теплообмена составляет Sr=0.65=2882 м2, а при r=0,8 Sr=0.8=6207 м2. Подставим в (3) дополнительно r=0,7 и r=0,75, тогда значения поверхностей теплообмена приобретут вид: Sr=0.7=3621 м2 и Sr=0.75=4656 м2. Далее для оценки массы Μ регенератора предлагается использовать удельный показатель sуд - полную массу теплообменника, приходящуюся на единицу поверхности теплообменника. Для современных трубчатых регенераторов этот показатель принимается в диапазоне sуд=14 - 17 кг/м2. Приняв показатель удельной поверхности, равной sуд=15 кг/м2, масса регенератора для рассматриваемых примеров составляет Mr=0.65=43230 кг и Мr=0.8=93105 кг. Для дополнительно рассчитанных примеров при r=0,7 и r=0,75 значения масс составляют: Мr=0.7=54315 кг, Мr=0.75=69840 кг. Воспользовавшись этой методикой, выполним аналогичные расчеты для рассматриваемого регенератора РТ 220.00.0000.01 при расходе воздуха в ГТУ Gвоз=40,25⋅2=80,5 кг/с (см. таблицу 1). Значение К и ср воз принимаются без изменений. Результаты этих расчетов приведены в сравнительной таблице 2.

Как видно из этой таблицы, параметр Gвоз оказывает существенное влияние на расчетное значение массы регенератора Μ и это необходимо учитывать при оценке эффективности регенератора. Из таблицы видно также, что применительно к предлагаемому регенератору РТ 220.00.0000.01 при r=0,75, расчетные значения поверхности теплообменника и его массы составляют соответственно S=3639 м2 и Μ=54585 кг. Однако нам известна фактическая площадь поверхности предлагаемого теплообменника, степень регенерации которого составляет r=0,75 при расходе воздуха 80,5 кг/с. Эта площадь рассчитывается при условии известного количества теплообменных труб в 1 теплообменном модуле:

nм=1207 ед.

Тогда количество теплообменных труб nр в пучке теплообменного узла регенератора, состоящего из 4 теплообменных модулей, составит:

nр=4⋅nм=4⋅1207=4828ед.

Площадь поверхности одной теплообменной трубы при R=0,0125 м, h=6 м составит:

ST=2⋅π·R·h=2⋅π⋅0,0125⋅6=0,471 м2.

Площадь поверхности теплообменных труб всего трубного пучка:

Sфакг=ST⋅nр=0,471⋅4828=2274 м2.

Тогда, в соответствии с приведенной методикой [2] при удельном показателе sуд=15 кг/м2, расчетная масса Μр.факт на основе фактического значения площади поверхности трубного пучка, составит:

Мр.факт=Sфакт⋅sуд=2274⋅15=34110 кг.

Сравнивая полученные значения с табличными расчетными (см. таблицу 2), можно сделать вывод о том, что по массе рассматриваемый регенератор РТ 220.00.0000.01 эффективнее расчетного в 1,6 раза.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. - М.: Машиностроение, 1970 - 436 с.

2. Блинков С.Н. и др. (всего 14 фамилий) / Глава 6. Теплообменные аппараты ГТУ. - Екатеринбург: УрФУ, 2015. - 968 с.

3. Бульгин Ю.А., Баранов С.Е. Теплообменные аппараты в нефтегазовой промышленности / Курсовое проектирование. - Воронеж: Воронежс. гос. техн. университет, 2015. - 100 с.

4. Горюнова И.Ю., Ларионов И.Д. Регенераторы ГТУ / Уч. - метод, пособие. - Екатеринбург: Изд. Урал, унта, 2017. - 80 с.

1. Способ регенерации тепла отходящих газов, включающий подачу циклового воздуха в теплообменные трубы трубного пучка, перемещение циклового воздуха по трубному пучку в двух- или четырехходовом режиме, нагрев теплообменных труб перекрестным потоком выхлопных газов, процесс теплообмена между цикловым воздухом и отходящими выхлопными газами через стенки трубного пучка, отличающийся тем, что цикловой воздух направляют в Z-образные теплообменные трубы трубного пучка, подачу циклового воздуха осуществляют через верхние ветви Z-образного трубного пучка, а отбирают его на выходе через нижние ветви, воздух в трубных пучках перемещают по Z-образной траектории, при двухходовом режиме теплообмена цикловой воздух подают одновременно в два теплообменных модуля и отбирают одновременно из двух соседних, при четырехходовом режиме цикловой воздух подают и отводят последовательно в каждом теплообменном модуле, выхлопной отходящий газ для равномерного прогрева трубного пучка разделяют на несколько веерных потоков и направляют их в межтрубное пространство поперечно трубному пучку, обеспечивают Z-перекрестный теплообмен между цикловым воздухом в трубах и отходящими газами в межтрубном пространстве.

2. Устройство в виде каркасно-коробчатого корпуса блока регенератора трубчатого газотурбинной установки для регенерации тепла отходящих выхлопных газов, включающее теплообменные модули, трубные доски, пучки термоэластичных теплообменных труб одинаковой длины с концами, жестко закрепленными в отверстиях трубных досок, коллекторы для подвода и отвода циклового воздуха, диффузорно-конфузорные короба соответственно для подвода и отвода отходящих выхлопных газов, отличающееся тем, что теплообменные модули изготавливают из металлического рамного каркаса, рамному каркасу придают прямоугольную форму коробчатого сечения из гнутого профиля, на боковых стойках рамного каркаса крепят трубные доски, на одной стойке трубную доску монтируют в верхней части, на противоположной стойке - в нижней части, внутрь рамного каркаса заключают трубный пучок, теплообменным трубам пучка придают Z-образную гибочную форму, изгиб каждой ветви гибочной формы выполняют дважды, расстояние между центрами изгибных колен устанавливают одинаковым, что обеспечивает равенство гидродинамических сопротивлений ветвей, теплообменные модули смыкают по торцам коробчатых каркасных рам, создают жесткий самонесущий коробчатый корпус регенераторного блока, воздушные коллекторы монтируют только в зонах трубных досок, теплообменные модули соединяют перепускными воздухопроводами попарно или последовательно, диффузорно-конфузорные короба устанавливают на открытые панели трубчатого пучка каркасно-коробчатого корпуса регенератора, при этом диффузорный короб снабжают веерным разделителем потока отходящих газов для равномерного прогрева трубного пучка.



 

Похожие патенты:

Способ работы газотурбинного двигателя, в котором воздух, по меньшей мере из одного компрессора, поступает в первую камеру сгорания, действующую за компрессорным узлом, первую турбину, действующую за первой камерой сгорания, вторую камеру сгорания, действующую за первой турбиной, и вторую турбину, действующую за второй камерой сгорания, которая самовоспламеняется, причем в ступенях компрессора реализован цикл, в котором атмосферный воздух сжимается многоступенчатым охлаждаемым поступенчато компрессором до заданного давления, далее на выходе из последней ступени компрессора воздух нагревается, не смешиваясь в теплообменнике, выхлопными газами, подаваемыми из турбины, затем догревается в камере сгорания, в которую поступает топливо и далее через неподвижный сопловой аппарат, который формирует заданное поле скоростей потока рабочего газа и направляется на вход в ступени турбины, в которых, начиная с первой и включая предпоследнюю супени, перед каждой ступенью подается топливо, через радиально направленные к валу турбины и неподвижно установленные на корпусе турбины блоки форсунок и распыляется равномерно по сечению проточной части турбины в количестве, обеспечивающем догрев рабочих газов до заданной температуры, указанный рабочий газ вращаясь с угловой скоростью вращения вала турбины, далее поступает последовательно в каждую ступень через жестко установленные на валу турбины сотовые сопловые аппараты, в которых, вследствие геометрического воздействия, происходит увеличение составляющей скорости движения газа в осевом, по отношению к валу турбины направлении и дальше по выходу из соплового аппарата рабочий газ обтекает аэродинамические профили лопаток турбины, установленных на валу в радиальном направлении, которые вращаются вместе с сопловым аппаратом и которые передают на указанный вал механическую энергию в количестве, равном тепловой энергии, полученной от сгорания топлива в начале данной ступени, что обеспечивает вращение турбины с равным количеством использованной механической энергии и добавленной тепловой энергии в ступенях от сгорания топлива в потоке рабочего газа поданного блоками форсунок, установленных перед входом в ступень, и которые поддерживают заданные параметры работы с коэффициентом изотермичности не хуже 0,95, а дальше рабочий газ поступает в последнюю ступень, в которой, без выполнения подогрева в начале ступени, выполняется окончательное расширение рабочего газа и снижение температуры на выходе, а затем рабочий газ направляется в теплообменник, в котором выполняется теплообмен между ним и потоком сжатого в компрессоре воздуха, и как указано выше, направляется в камеру догрева, а указанный рабочий газ направляется дальше в атмосферу замыкая цикл.

Способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции заключается в том, что атмосферный воздух сжимают в компрессоре, подают в камеру сгорания, сжигают топливо, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии, полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора.

Изобретение относится к энергетике. Система для постепенного окисления топлива включает в себя окислительный реактор, который имеет реакционную камеру с входным отверстием и выходным отверстием.

Компрессорная станция магистрального газопровода с газотурбодетандерной энергетической установкой снабжена газотурбинными газоперекачивающими агрегатами с нагнетателями природного газа и аппаратами воздушного охлаждения.

Регенеративная газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорной станции содержит газопровод топливного газа высокого давления, связанный с магистральным газопроводом высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, газопровод топливного газа среднего давления, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления, редукционное устройство.

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит компрессор с входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину привода потребителя эффективной мощности, расположенные в едином корпусе с газосборником.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве энергетической установки стационарного или транспортного назначения в качестве основного, резервного и аварийного источника электроэнергии и тепла.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к трубчатым регенераторам газоперекачивающих установок. В способе регенерации тепла отходящих газов цикловой воздух направляют в Z-образные теплообменные трубы трубного пучка, подачу циклового воздуха осуществляют через верхние ветви Z-образного трубного пучка, а отбирают его на выходе через нижние ветви, воздух в трубных пучках перемещают по Z-образной траектории при двухходовом или четырехходовом режимах движения циклового воздуха в трубном пучке, выхлопной отходящий газ для равномерного прогрева трубного пучка разделяют на несколько веерных потоков и направляют их в межтрубное пространство поперечно трубному пучку, обеспечивают Z-перекрестный теплообмен между цикловым воздухом в трубах и отходящими выхлопными газами в межтрубном пространстве через стенки теплообменных труб трубного пучка. Способ реализуется в устройстве в виде каркасно-коробчатого корпуса блока регенератора, состоящего из теплообменных модулей, которые изготавливают из металлического рамного каркаса, придают ему форму коробчатого сечения из гнутого профиля, теплообменные модули оснащают перепускными воздухопроводами и снабжают диффузорно-конфузорными коробами для отходящих выхлопных газов, при этом в диффузорном коробе устанавливают веерный разделитель потока отходящих газов. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Наверх