Повышение эффективности теплообменных аппаратов газотурбинных установок замкнутого цикла - Автореферат

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Повышение эффективности теплообменных аппаратов газотурбинных установок замкнутого циклаРабота выполнена в МГТУ им. Баумана и Институте Механики МГУ им. Научный руководитель, Почетный работник высшего специального образования РФ: к.т.н., доцент - Иванов В.Л. Защита состоится "30 "мая_____ 2007 года в "14" часов на заседании диссертационного совета Д.212.141.08 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба посылать по адресу: 105005, Москва, ул.Вопрос о создании надежного с большим ресурсом высокотемпературного трубчатого теплообменного аппарата представляет большой практический интерес для использования в замкнутых газотурбинных установках (ЗГТУ) для перспективных атомных электростанций, в газотурбинных установках, использующих в качестве топлива уголь и других устройствах, где необходимы теплообменные аппараты, работающие при температурах выше 700°С. Исследован теплообменный аппарат на основе трубы Фильда с пористой внутренней трубой, позволивший увеличить эффективность теплообменного аппарата на 15-20 % при увеличении относительных потерях давления на 30-40 %. Основные положения работы были доложены 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. 1, представляет собой теплообменный аппарат типа "труба в трубе", в котором первый поток теплоносителя течет по внутренней трубе, разворачивается в тупиковом конце и протекает далее по межтрубному кольцевому пространству. Анализ работ по гидродинамике и теплообмену, в которых исследовались каналы со вдувом и отсосом, показал, что для задачи расчета гидродинамики и теплообмена в кольцевом канале при наличии вдува и неизотермичности данные практически отсутствуют.Автор показал, что одним из перспективным типом теплообменного аппарата для применения в качестве высокотемпературного теплообменного аппарата является теплообменный аппарат типа трубы Фильда. Автором было проведено исследование стабилизированного турбулентного течения в кольцевом канале теплообменного аппарата типа трубы Фильда с применением стандартной модели турбулентности в коммерческом пакете численного анализа Star-CD в широком диапазоне чисел Рейнольдса и величины относительного вдува. Впервые автором проведена классификация имеющихся в литературе методик расчета теплообменных аппаратов на основе трубы Фильда, использующих одномерные уравнения конвективного теплообмена. Выполненная автором модификация методики расчета, основанная на численном решении одномерных уравнений конвективного теплообмена, позволила применить ее к расчету теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой. В результате проведенных расчетов показано, что для теплообменного аппарата типа трубы Фильда, с внутренней трубой, изготовленной из пористого материала увеличивается тепловая эффективность теплообменного аппарата на 15?20 %, при увеличении относительных потерь давления на 30?40 %.

Автор показал, что одним из перспективным типом теплообменного аппарата для применения в качестве высокотемпературного теплообменного аппарата является теплообменный аппарат типа трубы Фильда. Перспективным способом улучшения тепловой эффективности трубы Фильда является устранение основной причины низкой эффективности такого теплообменного аппарата. Для этой цели необходимо подавить "паразитный" тепловой поток, выполнив внутреннюю трубу из пористого материала.

Автором было проведено исследование стабилизированного турбулентного течения в кольцевом канале теплообменного аппарата типа трубы Фильда с применением стандартной модели турбулентности в коммерческом пакете численного анализа Star-CD в широком диапазоне чисел Рейнольдса и величины относительного вдува. Сделан вывод о надежном применении использованных моделей турбулентности для течения в канале.

В процессе эксперимента получены аппроксимирующие зависимости для числа Нуссельта для непроницаемой стенки в таком канале. Также получен коэффициент трения в таком канале в широком диапазоне чисел Рейнольдса и величины относительного вдува. Показано, что хорошим обобщающим критерием для относительных чисел Нуссельта и коэффициента трения является относительный импульс .

Впервые автором проведена классификация имеющихся в литературе методик расчета теплообменных аппаратов на основе трубы Фильда, использующих одномерные уравнения конвективного теплообмена. Выполненная автором модификация методики расчета, основанная на численном решении одномерных уравнений конвективного теплообмена, позволила применить ее к расчету теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой.

В результате проведенных расчетов показано, что для теплообменного аппарата типа трубы Фильда, с внутренней трубой, изготовленной из пористого материала увеличивается тепловая эффективность теплообменного аппарата на 15?20 %, при увеличении относительных потерь давления на 30?40 %. При этом рассматривался вариант изготовления внутренней пористой трубы из материала с постоянной пористостью.

Также разработана методика оптимизации параметров цикла замкнутой газотурбинной установки, позволившая увеличить проектную эффективность ЗГТУ на 2-4 %.

Основные публикации и патенты по теме диссертации

По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе, 1 статья и 16 материалов конференций.

1. Егоров К.С., Иванов В.Л. Выбор параметров газотурбинной установки замкнутого цикла (ЗГТУ) // XLVII научно-техническая сессии по проблемам газовых турбин: Тез. докл. - Пермь, 2000. - C. 89-90.

2. Бекнев В.С., Егоров К.С., Иванов В.Л. Комбинированные энергетические и транспортные ГТД // XLVIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин: Тез. докл. - Рыбинск, 2001. - С. 27.

3. Егоров К.С. Особенности выбора параметров теплообменных аппаратов замкнутых газотурбинных установок // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Восьмой МНТК студентов и аспирантов: в 3-х т. - М., 2002. - Т.3.- С. 239.

4. Бекнев В.С., Егоров К.С., Иванов В.Л. Газотурбинные установки термодинамически развитого цикла для парогазовой энергетики // XLIX научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин: Тез. докл. - М., 2002. - С. 60 -62.

5. Егоров К.С., Иванов В.Л., Куракин А.А. Применение труб Фильда в высокотемпературных теплообменных аппаратах // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: Тез. докл. XI Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции. - М., 2000.- С. 32-33.

6. Егоров К.С., Иванов В.Л. Анализ эффективности теплообменного аппарата на трубах Фильда // Современные проблемы аэрогидродинамики: Тез. докл. X школы-семинара под руководством академика РАН Г.Г. Черного. - г.Сочи, 5-15 сентября 2002 г. - М., 2002. - С. 31.

7. Егоров К.С., Иванов В.Л. Газодинамический метод повышения тепловой эффективности трубы Фильда // Труды третьей Российской Национальной конференции по теплообмену; в 8 т. - М., 2002. Т.6 - Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. - С. 324-327.

8. Блинцов А.В., Егоров К.С., Иванов В.Л. К вопросу повышения эффективности теплообменного аппарата на базе труб Фильда // Современные проблемы аэродинамики: Тез. докл. XI школы-семинара под руководством академика РАН Г.Г. Черного; г. Сочи, 5-15 сентября 2003 г. - М., 2003. - C. 56.

9. Егоров К.С., Иванов В.Л. Анализ тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева; в 2 т. - М., 2003. - Т.2. - С. 236-239.

10. Егоров К.С., Зубков А.Ф., Стронгин М.М. Модернизация студенческого практикума отделения механики механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с применением решений National Instruments (на экспериментальной базе Института Механики МГУ) // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LABVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов Международной научно-практической конференции. - М., 2003. - С. 61-64.

11. Исследование тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда / А.В. Блинцов, С.А. Бурцев, Ю.А. Виноградов и др. // Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность: Материалы международной конференции. - М., 2004. - С. 78-82.

12. Исследование тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда / Ю.А. Виноградов, К.С. Егоров, В.Л. Иванов и др. // Ломоносовские чтения: Тезисы докладов научной конференции. Секция механики; г. Москва, 19-28 апреля 2004 г. - М., 2004. - С. 112-114.

13. Исследования эффективности трубного пучка на основе трубы Фильда с газодинамической тепловой защитой / Ю.А. Виноградов, К.С. Егоров, М.М. Стронгин и др. // Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем: Сборник материалов. Четвертая Международная школа-семинар; в 2 Т. - СПБ., 2004. - Т.1. - С. 57-62.

14. Егоров К.С., Иванов В.Л. Исследование тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: Тез. докл. XII Межвузовской научно-технической конференции, посвященной 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 55-летию кафедры Э-3. - М., 2004. - С. 135-137.

15. Егоров КС. Исследование теплопередачи в теплообменном аппарате типа трубы Фильда // Труды конференции-конкурса молодых ученых / Под редакцией академика РАН Г.Г. Черного, профессора В.А. Самсонова. - М., 2004. - С. 71-72.

16. Егоров К.С., Вяземская Н.И. Исследование теплогидравлических характеристик "штыкового" теплообменного аппарата с пористой внутренней трубой // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева; в 2 т. - М., 2005. - Т.2. - С. 107-109.

17. Егоров К.С. Повышение тепловой эффективности теплообменного аппарата типа трубы Фильда // Известия ВУЗОВ. Энергетика. - 2007. - №1. - С.69 - 76.

Размещено на .ur