Расчет теплообменника газотурбинного двигателя замкнутого цикла

Конструкция теплообменника ГДТ замкнутого цикла. Определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат. Тепловой, гидравлический расчет противоточного рекуперативного теплообменника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменник, теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели, а как охладители. Применяются в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и в коммунальном хозяйстве.

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твердую стенку, и смесительные, где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочередного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой.

Рекуперативный теплообменник - теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными , независимыми от времени, т.е. процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Наиболее распространенные в промышленности рекуперативные теплообменники:

· Кожухотрубные теплообменники

· Элементные (секционные) теплообменники

· Двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе»

· Витые теплообменники

· Оросительные теплообменники

· Ребристые теплообменники

· Спиральные теплообменники

· Пластинчато-ребристые теплообменники

· Графитовые теплообменники

теплообменник газотурбинный замкнутый цикл

1. ОПИСАНИЕ, КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА ГТД ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

Принципиальная схема газотурбинной установки регенеративного цикла с промежуточным охлаждением газа в теплообменнике-холодильнике представлена на рисунке 1. Схема газотурбинного регенеративного цикла включает в себя 1- реактор, 2-турбина,3- компрессор, 4- электрогенератор, 5-теплообменник, 6 - холодильник, 7 - регенератор.

Рисунок 1 - Принципиальна схема газотурбинного цикла с промежуточным охлаждением газа

Конструктивная схема теплообменника представлена на рисунке 2.



Рисунок 2 - Конструктивная схема холодильника

Холодильник представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, расположенный горизонтально. Теплопередающая поверхность его образована пучком труб 1, закреплённых в трубных решётках 2, которые охвачены кожухом 3, снабженным днищами 4 и патрубками 5 для входа и выхода газа и охлаждающей воды. Таким образом, получаются две полости, разделенные стенками труб: трубное пространство, по которому движется горячий газ (воздух) и межтрубное пространство, по которому движется охлаждающая вода.

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПРОТИВОТОЧНОГО РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

2.1 Определение массовых секундных расходов теплоносителей.

На основе уравнения теплового баланса, при отсутствии потерь тепла в фазовых переходах теплоносителей, массовый секундный расход теплоносителей определяется по формуле:

) (2.1)

где G-массовый секундный расход, кг/с;

Q-тепловой поток, Вт;

?і- изменение энтальпии, Дж/кг.

, (2.2)

где -средняя изобарная теплоёмкость, Дж/кг*К;

-изменение температуры, (для газа , для воды ), ?С

Температурные условия работы теплообменника, необходимые для вычисления массовых секундных расходов теплоносителей и значения массовых секундных расходов теплоносителей определены в пункте 2.2

2.2 Определение температурных условий работы теплообменника

Средняя по длине теплообменника температура воды определяется по формуле:

?С, (2.3)

где - температура воды на входе, ?С

-температура воды на выходе, ?С

Средняя по длине теплообменника температура газа определяется по формуле:

, (2.4)

где - среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями.

?С, (2.5)

?С,

По полученным значениям и определяются теплофизические характеристики теплоносителей, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2-Теплофизические характеристики теплоносителей [1].

Параметр	Газ	Параметр	Вода
	120	,?С	40
, кг/м?	0,898	, кг/м?	992,2
, кДж/кгК	1,009	, кДж/кгК	4,18
, Вт/мК		, Вт/мК
, м?/с		, кДж/кг	168
, м?/с
	0.686		4,31
		p, МПа	0,0981

2.3 Определение коэффициентов теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемого газа к стенке трубки вычисляется по формуле:

, (2.6)

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К

- диаметр трубки ( = 8…12 мм)

-коэффициент теплопроводности, Вт/мК

- критерий Рейнольдса

- критерий Прандтля

=1,05 - коэффициент, учитывающий влияние температурного фактора для охлаждаемого газа

Принимаем мм.

Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемого газа к стенке трубки определяют с учетом числа трубок, по которым он протекает, ориентировочно это число может быть найдено по формуле:

, (2.7)

где, - плотность газа, кг/м?;

- скорость газа, (), м/с

(2.8)

Скорость газа примем равной 20 м/с:

Число трубок округляется до 169

Определяем значение действительной скорости газа:

м/с

Полученная скорость отличается на 0,5% от рекомендованной, что удовлетворяет погрешности 10%.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле:

, (2.9)

где - коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с

м2/с

 Вт/м2К

Коэффициент теплоотдачи от трубок к охлаждающей воде определяется по формуле:

где - диаметр эквивалентный, м;

=1,02 - коэффициент, учитывающий влияние температурного фактора для нагреваемой воды.

Определяется проходное (живое) сечение межтрубного пространства по формуле:

, (2.10)

где -плотность воды, кг/м3

-скорость воды, (=1…3) м/с

Скорость воды примем равной 2 м/с;

м2

Внутренний диаметр кожуха определяется по формуле:

(2.11)

м (2.12)

где - толщина стенки трубы, ( = 0,002…0,004) м

Толщину стенки трубы принимаем равной 3 мм

м

На схеме трубной доски размещаются отверстия под трубки с шагом:

= (1,25…1,3)=1,3•0,016=0,0208м

Шаг должен быть не меньше минимального шага:

= (1,23…1,28)=1,28•0,016=0,0204м

Принимаем шаг равный 0,016м

Схема расположения труб в трубной решетке представлена на рис.3

Рисунок 4 - Схема расположения труб в трубной решетке

2.4 Определение коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи определяется простым соотношением по формуле

(2.13)

При вычислении среднего диаметра необходимо соблюдать следующее правило:...