Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Турбомашины и турбоустановки

Диссертационная работа:

Егоров Кирилл Сергеевич. Повышение эффективности теплообменных аппаратов газотурбинных установок замкнутого цикла : диссертация... кандидата технических наук : 01.04.14, 05.04.12 Москва, 2007 132 с. РГБ ОД, 61:07-5/2701

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 8

1. ОБЗОР ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
И ТЕЧЕНИЙ В КАНАЛАХ СО ВДУВОМ 14

1.1. Технические требования к высокотемпературным

теплообменным аппаратам 14

  1. Труба Фильда 15

  2. Применение теплообменных аппаратов на основе трубы Фильда 16

  3. Предложения по улучшению теплогидравлических характеристик

трубы Фильда 21

1.5. Анализ выбранного способа повышения тепловой эффективности
теплообменного аппарата на основе трубы Фильда 25

1.5.1. Гидродинамика ламинарного течения в круглых трубах со

вдувом и отсосом 27

1.5.2. Теплообмен в круглых трубах со вдувом и отсосом при

ламинарном течении жидкости 30

1.5.3. Турбулентное течение и теплообмен в трубах с проницаемыми
стенками 30

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ С
РАВНОМЕРНЫМ ВДУВОМ 36

  1. Описание экспериментальной установки 36

  2. Методические эксперименты 47

  3. Методика проведения и обработки эксперимента 51

2.3.1. Методика обработки эксперимента 52

2.4. Результаты экспериментов 58

3. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ПАКЕТЕ CFD STAR-CD 63

3.1. Постановка задачи исследования 63

  1. Уравнения для средних величин и модели турбулентности 64

  2. Приведение исходной системы уравнений к обобщенному виду 65

  3. Граничные условия и теплофизические свойства моделируемой

среды 66

  1. Используемые разностные схемы 70

  2. Влияние шероховатости пористой стенки 72

  3. Влияние турбулентного числа Прандтля 72

4. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ ТРУБЫ
ФИЛЬДА 78

4.1. Обзор различных расчетных методик 78

  1. Первая методика 78

  2. Вторая методика 83

  3. Третья методика 86

  1. Результаты расчетов 89

  2. Модификация методики для расчета с пористой стенкой 94

  3. Результаты расчетов и их анализ 96

5. ОПТИМИЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗГТУ С ВТГР ИЗ УСЛОВИЯ
МАКСИМАЛЬНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ПРИ МИНИМАЛЬНОЙ
СУММАРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ТА (РЕГЕНЕРАТОРА,

КОНЦЕВОГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО ОХЛАДИТЕЛЯ) 101

ВЫВОДЫ 112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115

ПРИЛОЖЕНИЕ 127

Основные обозначения и сокращения

"паразитный" тепловой поток, Вт;

коэффициент теплопередачи, Вт/м2-К; площадь теплообменной поверхности, м2; осредненная температура, К; пульсационная температура, К; источниковый член; коэффициенты полинома;

относительный импульс;

коэффициент гидравлического сопротивления трения;

величина относительного вдува; поправочный коэффициент на форму канала;

поправочный коэффициент на начальный участок канала; скорости вдува, м/с;

средняя температура воздуха в канале, К;

средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-К; средний температурный напор, К; средняя скорость вдува, м/с;

средняя плотность вдува, кг/м ;

потери давления на ускорение и замедления потока, Па;

плотность, кг/м ;

коэффициент динамической вязкости, Па-с;

коэффициент теплопроводности, Вт/м-К;

время, с;

скорость диссипации кинетической энергии турбулентности, м^с3;

высота выступов на поверхности, м;

поправочный коэффициент на переходной режим течения;

температура межтрубного теплоносителя, К;

коэффициент релаксации;

тепловая эффективность;

критерий "Хи-квадрат";

дисперсия;

тарировочные коэффициенты расходомерных шайб;

разность давлений (избыточное давление), Па;

шаг перемещения насадка, м;

потери давления на смешение, Па;

потери давления на трение, Па;

локальная разность температур между теплоносителями, К;

осредненные скорости по осям х и у, м/с;

пульсационные скорости, м/с;

постоянные величины;

гидравлический диаметр канала, м;

геометрический интерполяционный фактор;

площадь пористой поверхности стенки камеры вдува, м2;

расход, кг/с;

высота канала, м;

импульс, кг/м -с;

кинетическая энергия турбулентности, м /с ;

коэффициент теплопередачи внутренней трубы, Вт/м -К;

коэффициент теплопередачи внешней трубы, Вт/м -К;

длина рабочего участка, м;

число Нуссельта;

число Прандтля;

турбулентное число Прандтля;

тепловой поток через внешнюю стенку, Вт;

тепло, затраченное на нагрев основного потока, Вт;

теплота, затраченная суммарно на нагрев основного потока и

вдува, Вт;

газовая постоянная, Дж/кг-К;

внутренний и внешний радиус, м;

Ra, Rz - величины шероховатостей поверхностей, мкм;

Rc - коэффициент сгущения сетки;

ReKaiI - число Рейнольдса канала;

Recr - число Рейнольдса, вычисленное по параметрам вдува (отсоса);

rw - полуширина канала, м;

s - эмпирический стандарт (эмпирическая средняя квадратичная ошибка);

t] - температура внешнего теплоносителя, К;

t2 - температура внутреннего теплоносителя, К;

Тст - средняя температура стенки, К;

Тк - темп-pa в точках закрепления термопар нагреваемой стенке, К;

и - расходная скорость в канале, м/с;

Ui - периметр окружности внутренней трубы, м;

иг - периметр окружности внешней трубы, м;

umax - максимальная скорость в канале, м/с;

vw - скорость отсоса или вдува, м/с;

w - ширина канала, м;

Wi - водяной эквивалент внутреннего теплоносителя, Вт/К;

W2 - водяной эквивалент внешнего теплоносителя, Вт/К;

х, у - координаты, м;

а, Ь, аьЬ>і - корни характеристического уравнения;

В - поток зависимой переменной;

Г - коэффициент диффузии;

р - давление, Па;

Ср - теплоемкость, Дж/кг-К;

Ф - обобщенная переменная

Индексы

О - параметры в канале без наличия вдува;

е, w - грани контрольных объемов;

Е, Е W, - центры контрольных объемов;

W_,P

і - индекс участков разбиения;

j - индекс камеры вдува;

вд - вдув;

вх - вход;

вых - выход;

кан - канал;

м - материал;

р - ресивер;

сивх - среднеинтегральный на входе в рабочий участок;

сивых - среднеинтегральный на выходе из рабочего участка;

ср - средний

Введение к работе:

Проблема надежности и долговечности теплообменных аппаратов, работающих при высоких значениях температуры (800 ч- 1300 К) возникает в связи с разработкой и эксплуатацией многих энергетических установок. В качестве примера можно привести газотурбинную электростанцию, использующую в качестве топлива уголь. Эта проблема имеет такое же важное значение для оборудования, разрабатываемого для высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора (ВТГР).

Главная идея по сжиганию твердого топлива была связана с применением высокотемпературного теплообменного аппарата для подогрева газа в газотурбинной установке. Основная проблема при использовании данной установки состоит в надежности и долговечности теплообменного аппарата, работающего при высокой температуре [1, 2, 3, 4, 5], где температура достигает 1500 К.

В настоящее время возрос интерес к газотурбинным энергетическим установкам для новых типов атомных электростанций (АЭС). Рассматриваются проекты с замкнутыми газотурбинными установками. Одним из общепризнанных вариантов возможного понижения стоимости выработки электроэнергии и повышения безопасности АЭС является применение высокотемпературного газоохлаждаемого реактора, использующего в качестве рабочей среды гелий, обладающего целым рядом достоинств по сравнению с традиционным водно-водяным энергетическим реактором (ВВЭР) [6]. Высокие значения температур в реакторе (1200-г 1400 К) и регенераторе теплоты уходящих газов (800 ч- 900 К) накладывают жесткие требования к теплообменному оборудованию на АЭС такого типа, что определяется прежде всего безопасностью атомной станции. Это впрямую определяет конкурентоспособность АЭС по сравнению с другими типами электростанций и их дальнейшее развитие.

Цель работы:

1) Анализ технических требований, предъявляемых к
высокотемпературным теплообменным аппаратам и выбор соответствующего
типа теплообменного аппарата.

  1. Анализ способов повышения тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда и выбор исследуемого способа.

  2. Теоретическое и экспериментальное исследование выбранного метода повышения тепловой эффективности и выполнение расчетов теплообменного аппарата на основе трубы Фильда.

Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые проанализирована основная проблема, возникающая при разработке и эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов - обеспечение требуемого большого ресурса и надежности, проведено подробное теоретическое и экспериментальное исследование турбулентного стабилизированного течения в канале с односторонним вдувом. Впервые разработана методика на основе одномерных уравнений конвективного теплообмена для расчета теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой. На основе разработанной автором методики впервые исследован теплообменный аппарат на основе трубы Фильда с пористой внутренней трубой, позволивший увеличить эффективность теплообменного аппарата на 15-20 %.

Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты имеют прямое практическое значение, так как предложенная конструкция теплообменного аппарата позволяет полностью компенсировать температурные деформации, при сохранении достаточно высокой тепловой эффективности теплообменного аппарата.

Достоверность результатов теоретического исследования обеспечивалась использованием пакета вычислительной гидродинамики Star-CD, который сертифицирован по ISO9001. Достоверность экспериментальных исследований

обеспечивалась применением современных средств измерений (датчиков, систем обработки информации) с широким применением ЭВМ, а также лицензионной программы обработке измерений Labview 6.1. Автором была проведена оценка погрешности для полученных экспериментальных данных, которая приведена в приложении.

На защиту выносятся результаты численного и экспериментального исследования прямоугольного канала с односторонним одномерным вдувом, а также методика расчета теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой. Также представлены результаты расчетов такого теплообменного аппарата с применением этой методики.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения.

В первой главе проводится анализ требований к высокотемпературным теплообменным аппаратам и приведены конструктивные особенности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда.

В первой части главы выполнен патентно-информационный поиск по методам и способам конструктивной доработки и модификации для улучшения тепловой эффективности теплообменников на базе трубы Фильда. На основе патентно-информацинного поиска выполнен анализ, позволивший выбрать возможный метод улучшения теплогидравлических характеристик теплообменного аппарата на основе трубы Фильда и сформулировать задачи исследования.

Во второй части подробно проанализированы работы, посвященные исследованию гидродинамики и теплообмена в каналах со вдувом и отсосом.

Многие авторы [7 ч- 33] рассматривали лишь ламинарное течение в кольцевых каналах и трубах с односторонним и двусторонним вдувом, тогда как в большинстве случаев, представляющих практических интерес, течение в кольцевых каналах и трубах турбулентное. Такому течению посвящено гораздо меньше работ и оно изучено недостаточно. Анализ работ, рассматривающих течение в пористых материалах, позволил выбрать расчетную модель (модель

локального температурного равновесия [34]).

Вторая глава содержит описание задачи численного моделирования течения в экспериментальном канале с применением пакета инженерного анализа1 Star-CD фирмы Computation Dynamics, Ltd. Уделено внимание постановке математической задачи, граничным условиям и представлены результаты численных расчетов гидродинамики и теплообмена канала с равномерным вдувом на одной из стенок и другой нагреваемой стенкой. Такие пакеты прикладных программ представляют большой практический интерес при решении инженерных задач.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию течения в кольцевом канале теплообменного аппарата на основе трубы Фильда с равномерным вдувом через внутреннюю трубу.

Полученные экспериментальные результаты подтвердили зависимости для коэффициента теплоотдачи и коэффициента трения в канале с равномерным вдувом на одной из стенок и другой нагреваемой стенкой, полученные при численном моделировании.

Четвертая глава имеет прикладной характер, в ней результаты

теоретического и экспериментального анализа применяются к расчетам

теплообменного аппарата на основе трубы Фильда с пористой внутренней

трубой. В данной главе дан обзор методов расчета теплообменного аппарата на

базе трубы Фильда. На основе анализа нескольких методов расчета был выбран

метод численного решения системы одномерных дифференциальных

уравнений, описывающих конвективный теплообмен в теплообменном

аппарате на основе трубы Фильда.

Проведены расчеты теплообменного аппарата с внутренней трубой из материалов с различной теплопроводностью. Анализ этих данных позволил обосновать применение внутренней стенки из материала с постоянной пористостью по длине теплообменного аппарата.

1 В названии на английском языке такие программы носят аббревиатуру Computer Aided Engineering (САЕ).

Проведены несколько вариантов расчета с внутренней пористой трубой из материалов с разной пористостью, с постоянной пористостью по длине теплообменного аппарата. Полученные расчеты послужили основанием для применения данного метода улучшения тепловых характеристик теплообменного аппарата на основе трубы Фильда.

По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ [І-г-5, 35ч-46], сделаны доклады на XLVII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Пермь, 25-28 сентября 2000 г.); XI Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели" (Москва, 15-17 ноября 2000 г.); XLVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Рыбинск, 25-26 сентября 2001 г.); Восьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 28 февраля-1 марта 2002 г.); XLIX научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Москва, 10-12 сентября 2002 г.); X школе-семинаре "Современные проблемы аэродинамики" под руководством академика РАН Г.Г. Черного (5-15 сентября 2002, г. Сочи, "Буревестник"); третьей Всероссийской конференции по тепломассообмену (21-25 октября 2002 г., Москва); XI школе-семинаре "Современные проблемы аэродинамики" под руководством академика РАН Г.Г. Черного (5-15 сентября 2003, г. Сочи, "Буревестник"); XIV школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (26-30 мая 2003 г., г. Рыбинск, Россия); международной конференции "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность" (2004 г); Ломоносовских чтениях (19-28 апреля 2004, Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова); Четвертой Международной школе-семинаре "Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем". (28 июня -03 июля 2004г., Санкт-Петербург, Россия); XII школе-семинаре "Современные проблемы аэродинамики" под руководством академика РАН Г.Г. Черного (5-15 сентября 2004, г. Сочи, "Буревестник"); XII межвузовской научно-технической

конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели", посвященная 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 55-летию кафедры Э-3 (Москва, 24-26 ноября 2004 г); конференции-конкурса молодых ученых. (Москва, 12 октября - 14 октября 2004 г, МГУ им. М.В. Ломоносова; XV школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Калуга, 2005 г.), а также на заседаниях и научно-технических семинарах кафедры ЭЗ МГТУ им. Н.Э. Баумана 2000-2005 гг.

За данный цикл работ автор работы награжден дипломом по итогам открытого конкурса 2001 года на лучшую научную студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в Вузах Российской Федерации, Свидетельством кафедры-сети ЮНЕСКО/МЦОС в 2002 году, а также премией РАО ЕС "Новая генерация" в 2005 году.

Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории 108 Института Механики МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках совместного договора о сотрудничестве между МГТУ им. Н.Э. Баумана и МГУ им. М.В. Ломоносова. Все экспериментальные работы ставились с участием в.н.с, к.т.н. Виноградова Ю.А., с.н.с. Стронгина М.М., с.н.с. Здитовца А.Г. При постановках эксперимента и обсуждении результатов принимал участие академик РАН, профессор Леонтьев А.И.

Подобные работы
Аль-Мухаммед Мухаммед Джавад
Повышение эффективности сопловых решеток турбин на влажном паре изменением геометрических параметров и гидрофобными присадками
Коган Павел Валерьевич
Повышение эффективности теплофикационных паровых турбин для ПГУ
Фичоряк Ольга Михайловна
Исследование и разработка способов повышения эффективности работы мощных теплофикационных турбин
Плотников Петр Николаевич
Обеспечение и повышение надежности кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок
Целищев Максим Федорович
Напряженно-деформированное состояние элементов трубных систем кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок
Земцев Андрей Михайлович
Повышение эффективности работы дождевальных машин и установок с использованием дождевального аппарата турбинного типа
Гущин, Анатолий Васильевич
АВТОРЕФЕРАТ Повышение эффективности промышленных аммиачных холодильных установок на основе совершенствования разделительных и емкостных аппаратов
Лунин Алексей Анатольевич
Повышение энергетической эффективности комбинированных циклов совместной выработки теплоты и холода
Данилов Игорь Кеворкович
Повышение эффективности использования ресурса автотракторных двигателей систематизацией эксплуатационно-ремонтного цикла на основе диагностирования
Деменков Максим Евгеньевич
Повышение эффективности конструкторско-технологического проектирования на основе интегрированной модели жизненного цикла изделий

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net