4.3 Тепловой расчет регенератора гту

Введение в схему ГТУ регенератора с сильной степени повышает её экономичность. Вместе с тем, наличие регенератора усложняет ГТУ, увеличивает её вес и габариты. Поэтому при проектировании регенераторов большое внимание уделяется простоте и компактности конструкции. 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.

Движение нагреваемого воздуха и охлаждаемого газа может происходить по различным схемам (рис. 4.8): прямотока, проти­вотока и перекрестного тока (одноходового, двухходового и т.д.).

Рис. 1.8 Схема движения воздуха и газа в регенератора:

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

Целью теплового расчета регенератора является определение величины его поверхности нагрева. При атом используются два основных уравнения. Уравнение теплопередачи:

(4.46)

и уравнение теплового баланса

(4.47)

где: Q - количество теплоты, передаваемое от газа воздуху, кВт;

К - коэффициент теплопередачи, кВт/(м^{2 } град);

F - поверхность теплообмена, м²,

t_ср - средний температурный напор между газом и воздухом,°С;

M_В - массовый расход воздуха, кг/с;

M_Г - массовый расход газа, кг/с;

Ср_в - средняя изобарная массовая теплоемкость воздуха в интервале температур от t₄ до t_4P, кДж/(кг ^ град);

Ср_г - средняя изобарная массовая теплоемкость газа в интер­вале температур от t₂ до t_2P, кДж/(кг ^ град);

t₄ и t_4P - температуры воздухе перед регенератором и после него, С;

t₂ и t_2P - температура газа перед регенератором и после него,°С;

_P - к.п.д. регенератора, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Из уравнений (4.46) и (4.47) находим:

(4.48)

Имея, в виду, что степень регенерации:

выражение (4.48) для определения поверхности нагрева получит следующий вид:

(4.49)

В последнем уравнении неизвестными величинами являются коэффициент теплопередачи К и средний температурный напор t_ср, определив которые легко вычислить поверхность нагрева. Остано­вимся на определении величин t_ср и К. Так как температуры газа и воздуха меняются вдоль поверх­ности нагрева (рис. 4.9), то средний температурный напор вычисляется по следующим формулам:

для прямотока:

(4.50)

Рис. 1.9 Характер изменения температур газа и воздуха вдоль поверхности нагрева регенератора;

а) прямоток; б) противоток.

для противотока:

(4.51)

Для перекрестного тока средний температурный напор вычис­ляется так:

где:  - поправочный коэффициент, находится по графикам на рис. 4.10 в зависимости от степени регенерации  и параметра

Заметим, что обычно в регенераторах ГТУ параметр P  1. Коэффициент теплопередачи может быть приближенно вычислен по следующей формуле:

(4.52)

где: _Г и _В - коэффициенты теплопередачи соответственно от газа к стенке и от стенки к воздуху, Вт/(м^{2 } град).

Рис. 4.10 График для определения поправочного коэффициента :

1 - для одноходового перекрестного тока; 2 - для двуххо­дового перекрестного тока; 3 - для трехходового перекрестного тока.

Коэффициент теплоотдачи _В от воздуха к стенке определя­ется по формуле:

(4.53)

где: _В - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м ^ град);

_В - кинематическая вязкость воздуха, м²/с;

d₁ - внутренний диаметр трубок регенератора, м:

_В - средняя скорость воздуха в трубках, м/о.

Коэффициенты _В и _В в формуле (4.53) берутся по средней температуре воздуха.

Коэффициент теплоотдачи _Г от газа к стенке при продольном обтекании трубок (т.е. в случае прямотока и противотока) мо­жет быть вычислен по последней формуле, если соответствующие параметры (, , ) определять для газа и вместо d₁ подставить

эквивалентный диаметр межтрубного пространства d_Э, т.е.:

где: d_Э - наружный диаметр трубок, м;

S₁ - шаг трубок по ширине пучка, м;

S₂ - шаг трубок по глубине пучка, м.

Коэффициент теплоотдачи _Г от газа к стенке при поперечном' обтекании трубок определяется по формуле:

(4.54)

при:

и по формуле:

(4.54)

при:

где: S₁ - поперечный шаг;

S₂ - диагональный шаг;

С_Z - поправочный коэффициент, учитывающий число рядов Z в трубном пучке, величина которого находится из графика на рис. 4.9.

Коэффициенты _Г и _Г в формулах (4.54) и (4.55) берутся для средней температуры газа.

После определения температурного напора и коэффициента теплопередачи нетрудно вычислить поверхность нагрева F по уравнению (4.49).

Рис. 4.11 График для определения поправочного коэффициента для шахматных пучков труб

Число трубок n регенератора можно определить из уравнения сплошности:

Откуда

(4.56)

где: _В - плотность воздуха для средней его температуры, кг/м³.

Длина трубок определяется из выражения:

(4.57)

где: d - средний диаметр трубок, м.