Cooling of rotary heat exchanger frame

Abstract

The paper presents the results of the design study of a cooling system of rotary heat exchanger frame. The analysis of the existing frame cooling systems of heat exchangers is performed.

Full Text

Одним из путей повышения эффективности применяемых в настоящее времени микротурбин является повышение степени регенерации их теплообменников с 86-90% до 95-97%. Такое повышение приводит к снижению оптимальной степени повышения давления в компрессоре с 4-5 бар до 2.5-3 бар и, следовательно, к увеличению размеров и соответственно КПД лопаточных машин, малые значения которых являются одной из основных проблем газотурбинного двигателя малой мощности. Получение столь высокой степени регенерации является проблемой, так как приводит к значительному увеличению (в разы) размеров теплообменника, которые и в применяемых сегодня микротурбинах сравнимы с размерами всего двигателя. В связи с этим представляется весьма перспективным рассмотреть применение в микротурбинах со сверхвысокой степенью регенерации роторных теплообменников, имеющих по сравнению с неподвижными теплообменниками (рекуператорами) существенно меньшие размеры. Недостатком роторного теплообменника является наличие утечек сжатого воздуха через его систему уплотнений. Очевидно, что при увеличении степени регенерации и, значит, при увеличении размеров теплообменника проблема утечек усилится. Рассмотрим роторный теплообменник транспортных микротурбин, имеющий рекордно малые утечки воздуха (1-1.5%) (рисунок 1) [1]. Столь низкая величина утечек обусловлена тем, что в этом теплообменнике уплотнения скользят не по пористой теплопередающей матрице, а по плоским перемычкам дисков-щек каркаса теплообменника. Значительное влияние на снижение утечек оказывают малые тепловые деформации каркаса, получаемые за счет охлаждение каркаса. В теплообменнике транспортной микротурбины [1] охлаждение осуществляется посредством обдува внутренних стенок каркаса воздухом (не прошедшим через теплопередающую матрицу) и охлажденным газом (прошедшим через матрицу теплообменника), происходящим при установке в каркас теплопередающих элементов конической формы (рисунок 1). Аналогичный принцип охлаждения может быть применен и в случае с цилиндрическими теплопередающими элементами [2]. Такие системы обеспечивают снижение максимальной температуры каркаса более чем на 150ºС, но занимают часть полезного объема теплообменника (который мог бы быть заполнен теплопередающей матрицей) и соответственно снижают его компактность. Охлаждение, предложенное в [3], не приводит к сколько-нибудь существенному увеличению объема теплообменника. Оно осуществляется за счет продувок воздуха через специальные каналы 4, выполненные в “горячей” щеке каркаса. Продувка воздуха происходит за счет перепада давления, имеющегося на матрице теплообменника (рисунок 2). Рисунок 1. Роторный теплообменник транспортной микротурбины Рисунок 2. Вращающийся роторный теплообменник с воздушным охлаждением каркаса: 1 - каркас; 2 - теплопередающий элемент; 3 – воздушная полость; 4 – каналы охлаждения Недостатком такого охлаждения является то, что воздух, продуваемый через систему охлаждения, не проходит через теплопередающую матрицу теплообменника. Это приводит к снижению степени регенерации теплообменника. Причем чем глубже охлаждение, тем сильнее снижается степень регенерации. Такого недостатка лишена конструкция, показанная на (рисунок 3). В ней охлаждающий воздух продувается вентилятором через каналы охлаждения каркаса на вход в теплообменник (в полость 2). Рисунок 3. Вращающийся роторный теплообменник с воздушным охлаждением каркаса и принудительным наддувом воздуха в каналы охлаждения. Для анализа эффективности данного решения было выполнено математическое моделирование теплогидравлических процессов в каналах охлаждения и каркасе в целом. Моделирование выполнялось в расчетном комплексе Fluent. В качестве расчетной модели был взят сектор каркаса теплообменника с выполненными в нем воздушными каналами (рисунок 4). Рисунок 4. Расчетная модель охлаждаемого каркаса теплообменника В центральную часть подавался воздух с плотностью, температурой, теплоемкостью, теплопроводностью и динамической вязкостью соответствующими условиям на выходе из компрессора двигателя мощностью 340 кВт [3]. Перепад давления, создаваемый вентилятором, принимался равным 2000 Па. На внешних поверхностях “горячей” и “холодной” щек коэффициент теплоотдачи брался равным среднеарифметическому значению между коэффициентами теплоотдачи по газу и воздуху (α ≈ 170 Вт/м2град.[4]). Температура омывающих каркас теплоносителей также бралась средней между температурами газа на входе в теплообменник и воздуха на выходе из теплообменника: · Т = 930°К [4] - средняя температура теплоносителей, омывающих “горячую щеку” каркаса; · Т = 510°К [4] - средняя температура теплоносителей, омывающих “холодную щеку” каркаса. В расчетной модели также принималось, что на внутренних поверхностях каркаса передача тепла отсутствует. Таким образом, было смоделировано тепловое состояние охлаждаемого каркаса теплообменника с установленными в нем теплопередающими элементами, с полной теплоизоляцией от внутренних стенок каркаса теплообменника. Результаты расчета представлены на рисунках 5 и 6. Для наглядности представлена только нижняя половина расчетной модели, содержащая “горячую” щеку каркаса теплообменника. На рисунке 5 хорошо видна сильная неравномерность распределения температур “горячей” щеки каркаса по радиусу. Средняя температура составляет ~510°С, что почти на 100°С ниже температуры каркаса без охлаждения. Значительная неравномерность распределения температур по радиусу на “горячей” щеке каркаса говорит о возможности более глубокого охлаждения каркаса при увеличении расхода воздуха, проходящего через каналы охлаждения. Полученный из расчета расход воздуха через данный вариант системы охлаждения равен 0,1127 кг/сек. При таком расходе и перепаде давления 2000 Па мощность, идущая на привод вентилятора, невелика и не превышает 100 Вт. Это указывает на значительные резервы в увеличении мощности вентилятора и соответственно в снижении температурной неравномерности каркаса при его охлаждении посредством продувки вентилятором воздуха через каналы, выполненные в “горячей” щеке каркаса. Рисунок 5. Распределение температур в охлаждаемом каркасе теплообменника Рисунок 6. Распределение скорости охлаждающего воздуха в каналах охлаждения каркаса Выводы 1. Предложена оригинальная система охлаждения каркаса теплообменника. 2. Выполненный анализ теплового состояния каркаса теплообменника показал, что предложенная система охлаждения позволяет снизить среднюю температуру горячей стороны каркаса до 510°С (т.е. примерно на 100°С) 3. Мощность, идущая на привод вентилятора системы охлаждения, не превышает 100 Вт. Это указывает на значительные резервы по снижению температурной неравномерности каркаса предложенным способом.