Проектирование регенератора с перекрестной схемой движения теплоносителей

Введение

Большинство ГТУ в настоящее время работают по простейшей схеме и включают три основных элемента: компрессор (К), камеру сгорания (ТС) и турбину (Т). Эти установки отличаются малой массой и компактность., но имеют низкий кпд и по экономичности не могут конкурировать с паротурбинными установками и дизелями. Повышение экономичности ГТУ наряду с повышением начальной температуры газа перед турбиной возможно за счет применения регенерации, а также при усложнении схемы с введением промежуточного охлаждения и подогрева рабочего тела. Применение степени регенерации порядка 80% почти удваивает массу газотурбинной установки и увеличивает ее габариты, а также усложняет обслуживание. Поэтому при проектировании регенераторов большое внимание уделяется простоте и компактности конструкции.

Введение в схему ГТУ регенератора в сильной степени повышает её экономичность, что является основной целью использования регенераторов в ГТУ. Наряду с этим особую роль может сыграть регенерация в транспортных установках малой мощности, где её применение явиться одним из направлений, ведущим к вытеснению бензиновых и дизельных двигателей из автомобильного и гусеничного транспорта. В ряде газотурбинных установок требования большой компактности установки и малых её габаритов приводят даже к необходимости отказа от применения регенератора. С другой стороны, весьма важно, чтобы гидравлические сопротивления регенератора были бы по возможности минимальными, так как выгоды от применения регенерации в значительной степени снижается из-за дополнительных сопротивлений, вызванных введением регенератора.

В ГТУ находят применение трубчатые, пластинчатые и вращающиеся регенераторы.

Наибольшее распространение получили трубчатые регенераторы, поверхность нагрева в которых образована большим числом трубок. Так как воздух в регенераторе находится под более высоким давлением, чем отработавшие газы, то по условиям прочности обычно воздух пропускается внутри трубок, а газы омывают трубки снаружи. При этом напряжения в корпусе получается невысокими.

Рассматривают 3 типа разбивки трубок: коридорная, шахматная и треугольная.

Движение нагреваемого воздуха и охлаждаемого газа может происходить по различным схемам (рис. 1): прямотока, противотока и перекрестного тока (одноходового, двухходового и т.д.).

Рис. 1 Схема движения воздуха и газа в регенератора:

а - прямоток, б - противоток; в - одноходовой перекрестный ток; г - двухходовой перекрестный ток; д - трехходовой перекрестный ток.

При проектировании данного регенератора ОГТУ будем использовать треугольную разбивку трубок, в качестве материала трубок выбрана сталь 15хм, крепление трубок в трубной доске осуществляется развальцовкой со сваркой.

В данном курсовом проекте ведется проектирование регенератора с перекрестной схемой движения теплоносителей. Схема его включения:

Исходные данные:

Регенератор ОГТУ

1. Тепловой расчет

1.     Максимальный температурный напор в регенераторе

.       Изменение температур теплоносителей

3.     Средняя температура газа

4.     Средняя температура воздуха

5.     Коэффициент динамической вязкости теплоносителей (по данным для воздуха)

6.     Среднее давление газа в генераторе

Рассчитаем потери давления для каждого теплоносителя:

Отсюда получим:

7.     Среднее давление воздуха в регенераторе

.       Плотность газа в регенераторе

9.     Плотность воздуха в регенераторе

10.    Поправочный коэффициент на средний температурный напор в регенераторе .

Примем схему движения теплоносителей - 2х кратный перекрестный ток. По графику на рис.2 находим величину .

11.   Коэффициент эффективности тепловой работы регенератора

12.   Относительная толщина трубок

.        Параметр  для газа по формуле (33)

Сначала рассчитаем:

,

Коэффициенты сужения сечения будут:

Для 1-ого теплоносителя примем

r= -0.25,

14.    Для расчета параметра :

15.   Относительный объем трубного пучка находим из уравнения (36)

Преобразуя это уравнение получим:

- отсюда подбором находим

16.   Относительное термическое сопротивление со стороны газа вычислим по формуле:

.      
Относительное термическое сопротивление со стороны воздухе по формуле:

.       Проверка правильности расчетов:

0,3674=1,000

19.   Объем регенератора:

.       Длина пути газа в трубном пучке регенератора:

21.   Длина пути воздуха в трубном пучке регенератора:

22.   Принимаем регенератор одноходовым по газовой и трех ходовым по воздушной стороне.

Тогда принимаем   длина трубок регенератора равна . Объем трубного пучка будет

23.   Ширина трубного пучка регенератора

24.   Высота трубного пучка (по ходу движения газа)

25.    Число трубок в горизонтальном ряду

Принимаем 94

26.   Число трубок в вертикальном ряду

Принимаем 70

27.   Полное число трубок в регенераторе

. Проверочный тепловой расчет

.       Площадь фронтального сечения для газа

.      
Скорость газа

.       Критерий Рейнольдса по газовой стороне

.       Критерий Нуссельта по газовой стороне

5.     Коэффициент теплоотдачи от газа

6.     Площадь фронтального сечения для воздуха

.       Скорость воздуха

8.     Критерий Рейнольдса по воздушной стороне

.      
Критерий Нуссельта по воздушной стороне

10.   Коэффициент теплоотдачи от воздуха

.       Коэффициент теплоотдачи в регенераторе

.       Относительное термическое сопротивление по газу (фактическое):

Расхождение с ранее полученным значением 2,6 % - допустимо.

.       Относительное термическое сопротивление по воздушной стороне (фактическое):

Расхождение с ранее полученным значением 4,6% - допустимо.

.       Средний температурный напор в регенераторе

.      
Тепловая нагрузка регенератора

.       Расчетная поверхность теплообмена

17.   Фактическая поверхность теплообмена регенератора:

Расхождение в величинах расчетной и фактической поверхности теплообмена:

Таким образом, выполненный расчет показал, что расчет по обобщенным уравнениям выполнен правильно, и правильно определены величина поверхности теплообмена и основные геометрические характеристики регенератора: объем, ширина, высота, длина трубного пучка и площади фронтальных сечений для каждого из теплоносителей, а также коэффициенты теплоотдачи. Полученные размеры регенератора обеспечивают заданную тепловую характеристику теплообменного аппарата, определяемую степенью регенерации. Необходимо также произвести проверочный гидродинамический расчет, чтобы убедиться, что полученные размеры регенератора удовлетворяют заданным гидродинамическим сопротивлениям теплоносителей.

3. Проверочный гидродинамический расчет

1.     Гидродинамическое сопротивление регенератора по газовой стороне

179,344 - 31,0338 = 1833,31 Па

Где  - число поперечно обтекаемых газом трубок.

вход в межтрубное пространство под углом 90 градусов к рабочему потоку

 выход из межтрубного пространство под углом 90 градусов к рабочему потоку

 - коэффициент сопротивления одного ряда труб при треугольной разбивке.

Потери на ускорение потока:

Как видно из расчета фактическое значение гидродинамического сопротивления по газу практически совпадает с заданным

Погрешность  %

2.     Гидродинамическое сопротивление регенератора по воздушной стороне

= 9750 + 799.76 - 381.32 = 10168.44 Па

Где  - коэффициент сопротивления трения при движении воздуха внутри трубок регенератора.

;

;

Потери на ускорение потока:

Погрешность

4. Расчет элементов на прочность

.       Толщина трубной доски по условиям прочности:

 - условный диаметр трубной доски

 - площадь 1/3 трубной доски

 - максимальное рабочее давление

 допустимое напряжение стали 15XM

Принимаем S=74 мм исходя из конструктивных соображений

.       Расчет корпуса. Толщина стенки корпуса, подверженного внутреннему давлению

Толщина стенки эллиптического днища, не имеющего отверстий определяется по формуле:

Должно выполняться условие , например тогда конструктивно принимаем -высота выпуклости днища

Расчетная толщина стенки эллиптического днища округляется до целого числа в большую сторону и принимается по сортаменту. Конструктивно принимаем

3.     Расчет диаметра болта фланцевого соединения.

Принимаем конструктивно

Где , -предел текучести при рабочей температуре болта из материала Сталь 40

- расчетное усилие на болты

Число болтов

Принимаем число болтов Z=100

К=0,6 - коэффициент, зависящий от диаметра болта

dр=0,013835 м - внутренний диаметр резьбы болта

=0,9 - поправочный коэффициент

5. Исследовательская часть

1.      Определим влияние степени регенерации на основные параметры теплообменного аппарата. Расчет проводится путем задания различных значений  аналогично основному расчету регенератора.

Результаты расчетов сведены в таблицу.

F - площадь поверхности теплообмена

V - трубного пучка

 - вес трубного пучка

С увеличением степени регенерации растет объем трубного пучка, площадь теплообмена и вес трубного пучка, т.е. регенератор становится более габаритным.

2.      Определить относительного шага разбивки  на основные параметры теплообменного аппарата: F,V,. Расчет проводится путем задания различных значений  также аналогично основному расчету регенератора.

Полученные результаты расчета сведены в таблицу.

На основании полученных данных построены графики зависимостей данных параметров от :

Как видно из полученных зависимостей, с ростом  получаем рост F, V и . Таким образом, регенератор становится более габаритным.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан регенератор с перекрестной схемой движения теплоносителей. Расчет был произведен при помощи математической программы «Mathсad 14». На основании приведенного расчета была спроектирована конструкция аппарата с использованием системы автоматического проектирования “КОМПАС 3D-V11”.

Список литературы

1.   Григорьев В.Г. «Расчет ТА ГТУ»: Методические рекомендации по курсовому и дипломному проектированию.-М: Изд. МГТУ им Н.Э.Баумана, 2001.

2.      Грязнов Н.Д., Епифанов В.М., Иванов В.Л., Манушин Э.А. «Теплообменные устройства газотурбинных и комбинированных установок»-М., Машиностроение, 1985.

регенератор теплообменный гидродинамический