Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 4(174)

Рубрика журнала: Технические науки

Секция: Энергетика

Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2, скачать журнал часть 3, скачать журнал часть 4, скачать журнал часть 5, скачать журнал часть 6, скачать журнал часть 7, скачать журнал часть 8

Библиографическое описание:
Костуреев М., Бондарцев Д.Ю. УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА В ГТУ ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2022. № 4(174). URL: https://sibac.info/journal/student/174/240972 (дата обращения: 20.08.2022).

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА В ГТУ ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ

Костуреев Маргулан

магистрант, каф. Тепловые энергетические установки, Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева,

РК, г. Алматы

Бондарцев Давид Юрьевич

Ph.D, доц., каф. Тепловые энергетические установки, Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева,

РК, г. Алматы

Генбач Александр Алексеевич

научный руководитель,

д-р техн. наук, проф., каф. Тепловые энергетические установки, Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева,

РК, г. Алматы

HEAT RECOVERY IN GTU BY HEAT PIPES

 

Margulan Kostureyev

Master's student, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

David Bondartsev

Associate Professor, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

Alexander Genbach

Supervisor, Dr. of Technical Sciences, prof, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev, Department of Heat & Power Units,

Kazakhstan, Almaty

 

АННОТАЦИЯ

В работе произведен расчетный анализ эффективности тепловой трубы для утилизации тепла уходящих газов после газотурбинной установки. Данная работа относится к современным проблемам энергосбережения при производстве тепловой и электрической энергии на газотурбинных ТЭЦ, а также на предприятиях других отраслей производства, где применяются газотурбинные двигатели.

ABSTRACT

In the paper the calculation analysis of the efficiency of a heat pipe for utilization of waste gas heat after a gas turbine unit is made. This work refers to modern problems of energy saving in the production of heat and electricity at gas turbine thermal power plants, as well as at enterprises of other industries, where gas turbine engines are used.

 

Ключевые слова: тепловые трубы, газотурбинная установка, утилизация тепла.

Keywords: heat pipes, gas turbine plant, heat recovery.

 

Температура выхлопных газов современного газотурбинной установки составляет 600–800 °К и выше. Большое количество тепловой энергии газотурбинного двигателя, работающего в качестве силового привода наземных установок, выбрасывается в атмосферу с выхлопными газами. Эти потери предусмотрены и заложены в самой физике происходящих в двигателе процессов. Потери тепла с уходящими газами примерно в два раза превышают энергию, идущую на полезную работу силовой турбины. Вследствие этого термический коэффициент полезного действия газотурбинного двигателя является низким.

Повысить КПД газотурбинного двигателя можно путем увеличения температуры газа перед турбиной [1-5]. Однако при этом увеличиваются потери тепла с выхлопными газами и увеличивается потребление топлива. Сокращение потерь энергии можно осуществить за счет утилизации тепла выхлопных газов. Это позволяет наиболее полно использовать энергию отводимого от горячего источника рабочего тела. Одним из способов утилизации тепла уходящих газов ГТУ является утилизация при помощи кожухотрубного теплообменника.

Кожухотрубный (кожухотрубчатый) теплообменник относится к теплообменникам, в котором поверхность теплообмена между двумя потоками сформирована из тепловых труб, заключённых в кожух, а теплообмен осуществляется через поверхность этих труб. Данный тип теплообменника выгодно отличается широким диапазоном рабочих температур, устойчивостью к гидроударам, высокой эффективностью, износостойкостью, долговечностью, ремонтопригодностью, безопасностью эксплуатации и способностью работать в агрессивной среде. В кожухотрубном теплообменнике один из теплоносителей движется по трубам (трубное пространство), другой - в межтрубном пространстве. При этом теплота от более нагретого теплоносителя через поверхность стенок труб передаётся менее нагретому теплоносителю. Чаще всего предусмотрено противоположное направление движения теплоносителей, способствующее наиболее эффективному теплообмену.

Составными элементами конструкции кожухотрубного теплообменника являются: пучок труб, который размещен в собственной камере и закрепленный на трубной решётке; кожух, представляющий собой камеру с трубными решётками; входные и выходные отверстия в камеру; отвод для дренажа жидкости из межтрубного пространства; перегородки (см. рисунок 1).

 

Изображение выглядит как коллекция картинок</p>
<p>Автоматически созданное описание

Рисунок 1. Сечение тепловой трубки: 1-стенка, 2-фитиль, 3-паровое пространство

 

Производится анализ эффективности тепловой трубки для утилизации тепла уходящих газов после ГТУ. Давление внутри кольца испарителя принимаем Рн = 1 атм, откуда температура насыщения tп = 99.6 С. Обычно перепад температуры в испарителе, как и в конденсаторе не превышает 5...10 °С, поэтому предварительно можно выбрать:

tст.исп = (5…10)+ tп =99.6+5=104.6°С

Задаемся величиной теплового потока qи= 105 Вт/м2, откуда находим коэффициент теплообмена в испарителе:

Для основного расчета будем использовать критериальное уравнение:

Где - число Стантона  ;

 - удельный расход жидкости:

;

- плотность жидкости кг/м3;

- изобарная теплоемкость жидкости кДж/кг×К;

- поверхность испарителя тепловой трубы:

;

 – длина обогреваемой зоны  ; 1м

ε - пористость структуры (ε = 0.7);

 - площадь поперечного сечения фитиля:

;

;

 – толщина стенки, равная 1×10-3м;

r - теплота парообразования, Дж/кг;

Prж – критерий Прандтля:

- коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с;

-коэффициент температуропроводности жидкости, м2/с;

 - параметр фитиля:

bг = 0.00018 м - гидравлический диаметр фитиля;

к =1.5* 10-10 м2 - коэффициент проницаемости фитиля;

bопт = 0.075*10-3 м; n = 4.25 (bг< bопт); n = -0.43 (bг > bопт);

 - критерий давления:

- средняя скорость пара:   

;

- критерий Рейнольдса:

Далее, по найденным значениям из критериального уравнения определяем число Стантона:

Определив число Стантона Stu находим величину коэффициента теплообмена в испарителе тепловой трубы:

  Вт/м2К.

Расхождение коэффициента теплообмена с принятой величиной составляет 29.15%. Для получения подобного результата необходимо было снизить тепловой поток с 106 до 105 Вт/м2К, а также уменьшить значение гидравлического диаметра фитиля.

Уточняем tст.исп:

°С.

Далее проведем расчет зоны конденсации (наружная часть). Поскольку tст.к неизвестна, принимаем ее ориентировочно на (5...10) °С меньше, чем tп с последующим уточнением (94.6°С). Теплофизические свойства жидкости определяем по:

 °С

При расчете зоны конденсации за основу берем критериальное уравнение:

Где - число Стантона  ;

 -удельный расход жидкости;

 Вт/м2К;

 – сечение парового потока:

 – сечение парового потока:

 – тепловой поток

Критерий Кирпичева:

- критерий Рейнольдса:

Далее, по найденным значениям из критериального уравнения определяем число Стантона:

Заключение

Газотурбинная установка (ГТУ), в отличии от других установок, имеет ряд отличий и особенностей, как в конструктивном, так и в техническом плане. Одной из главных особенностей ГТУ в сравнении с другими видами тепловых двигателей является высокая температура отработавших газов за турбиной.

В данной работе произведен расчетный анализ эффективности тепловой трубы для утилизации тепла уходящих газов после газотурбинной установки. Данная работа относится к современным проблемам энергосбережения при производстве тепловой и электрической энергии на газотурбинных ТЭЦ, а также на предприятиях других отраслей производства, где применяются газотурбинные двигатели.

 

Список литературы:

  1. А.А. Генбач. Нагнетатели и тепловые двигатели. Переходные режимы работы турбомашин ТЭС (нестационарный теплообмен в турбомашинах). Конспект лекций по дисциплине для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика.
  2. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Научная методика создания капиллярно-пористых систем охлаждения для элементов теплоэнергооборудования электростанций. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, № 3, с. 89–106. DOI: 10.18698/0236-3941-2019-3-89-106.
  3. Поляев В.М., Генбач А.А. Управление теплообменом в пористой структуре. Известия РАН. Энергетика и транспорт, 1992, т. 38, № 6, с. 105–110.
  4. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Илиев И.К. Исследование предельных термических напряжений для пористых покрытий элементов энергоустановок. «Новости науки Казахстана», №3(141), Научно-технический журнал, НЦГНТЭ, 2019, С. 71-85
  5. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Исследование предельного термического состояния капиллярно-пористых элементов теплоэнергоустановок. Вестник Машиностроения, Москва, №2, 2020, С. 52-57

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом