ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

​COMPUTATIONAL MODEL OF HEAT TRANSFER

Adelina Kaspranova

Student, Department of Electrical and Thermal Power Engineering, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

В работе рассматривается оптимизация конструкции кольцевого рекуператора CWPS для микротурбин. Описаны особенности теплообмена и гидродинамики в микроканалах, приведены методы расчёта эффективности, потерь давления и массы, а также анализируются применяемые корреляции и ограничения их использования.

ABSTRACT

The paper considers optimization of the design of a CWPS coal heat exchanger for microturbines. The features of heat exchange and hydrodynamics in microchannels are described, methods for calculating efficiency, pressure and mass losses are presented, and the applied correlations and limitations of their use are analyzed.

Ключевые слова: кольцевой рекуператор, CWPS, оптимизация конструкции, плотность материала, Capstone C30, регенератор, теплофизические свойства.

Keywords: annular heat exchanger, CWPS, structural optimization, material density, Capstone C30, regenerator, thermophysical properties.

Структура потока среды чрезвычайно сложна. С одной стороны, возникает вторичное течение, когда воздух или газ вынужден менять направление потока из-за продольной волновой структуры [1]. С другой стороны, теплоноситель в канале CW набегает на соседний канал, поскольку они соединены между собой в поперечном направлении. Из-за сложности структуры потока в каналах КС очень важно выбрать подходящие соотношения теплопередачи и потерь давления, чтобы получить надежные результаты оптимизации.

Основываясь на результатах численного моделирования или экспериментальных данных, были получены некоторые корреляции для каналов CW, как показано в Таблице 1. Хотя Корреляция, предложенная Utriainen E. и Sunden B. [4], имеет потенциал для применения благодаря подходящему диапазону чисел Рейнольдса для конструкции рекуператора, однако область ее применения значительно сужается из-за ограничений конкретной конструкции.

Таблица 1.

Корреляции теплопередачи и коэффициента трения для каналов постоянного тока.

Из-за небольшого гидравлического диаметра (около 1,5 мм) и сложной структуры потока правила течения и теплопередачи среды в каналах CW отличаются от обычных масштабных каналов. В данной работе характеристики теплопередачи воздуха в микропрямоугольных каналах, представленные Xu ZP и др., приняты в качестве базовой теории для проектирования теплообмена в рекуператоре CWPS. Формула выражается следующим образом:

H и W - высота и ширина микропрямоугольного канала.

В настоящей работе вместо H и W подставляются высота 2 h и ширина W(c) (или Wh) канала КС (на рисунке 1) соответственно. Применимость уравнения (3) заключается в том, что Re<1000 и H/W=1e9. Число Рейнольдса в канале, Re, определяется следующим образом:

G - общий массовый расход среды (воздуха или газа);

n_e = (pDi)/(2h+2d) - количество воздушных ячеек в кольцевом рекуператоре CWPS;

n_t - количество каналов в каждой воздушной ячейке (параметр nt совместно с P определяет высоту распространения каждой воздушной ячейки, т.е., длина эвольвенты АК);

A_s - площадь поперечного сечения одного воздушного или газового канала, которая может быть получена с использованием геометрических параметров на рисунке 1;

  - динамическая вязкость, de-гидравлический диаметр одного воздушного или газового канала, определяемый как:

x - смачиваемая окружная длина одного воздуха или газа.

Выделение тепла в газовой части, поглощение тепла в воздушной части можно рассчитать по формуле:

C_p - удельная теплота газовой или воздушной среды (подстрочные индексы h и c обозначают горячую и холодную стороны, соответственно);

T_h,i и T_h,o - температуры газовой среды на входе и выходе газовой стороны, соответственно;

T_c,i и T_c,o – температуры воздушной среды на входе и выходе со стороны воздуха, соответственно.

В данной работе общая тепловая мощность рекуператора для оптимальной конструкции рассчитывается по следующей формуле:

Площадь теплообмена в сердцевине рекуператора может быть рассчитана по формуле:

Вес всего рекуператора можно рассчитать следующим образом:

ρ_me - плотность металлического материала, принимаемая равной 8030 кг/м3 для материала из нержавеющей стали 347. Для оптимизации конструкции рекуператора CWPS кубовидной формы Wang и другие [5] использовали поправочный коэффициент 1,25 для оценки веса.

В настоящей работе в качестве качественной температуры используется средняя арифметическая температура рабочей среды на входе и выходе из регенератора, а все теплофизические параметры, используемые в процессе оптимального проектирования, получены методом интерполяции по качественной температуре.

Список литературы:

1. Du, L.X., Ma, T., Zeng, M., Guo, Z.X., Wang, Q.W. Численные исследования термогидравлических характеристик поперечных волнистых каналов с многопериодическими граничными условиями // Num Heat Transfer A Appl. 2014.
2. Ma T, Du LX, Sun N, Zeng M, Sunden B, Wang QW. Экспериментальное и численное исследование характеристик теплопередачи и перепада давления в канале первичной поверхности с поперечной волнистостью. Energy Convers Manag 2016.
3. Liang HX, Wang QW, Wang JW, Huang ZP, Luo LQ, Feng ZP. Экспериментальное исследование расхода и теплопередачи первичного поверхностного рекуператора постоянного тока для микротурбины. J Eng Thermophys 2006; (на китайском языке).
4. Utriainen, E., Sundén, B. Оценка поперечных гофрированных и некоторых других поверхностей теплообмена для микротурбинных рекуператоров // J Eng Gas Turb Power. 2002.
5. Wang, Q.W., Liang, H.X., Xie, G.N., Zeng, M., Luo, L., Feng, Z.P. Генетического алгоритма оптимизация для рекуператора первичных поверхностей микротурбины // J Eng Gas Turbines Power. 2007; 129(2): 436–442.