Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 7

Однако, оценка результатовиспытаний образца Пл-11, который отличается от образца Пл-2 вдвое меньшейширинойфронтальнойотносительногочислаповерхностью,глухихпоказала,каналовчтопрактическиувеличениеневдвоеповлиялонахарактеристики образцов (таблица 2). Расхождение в значениях Nu и ζ для обеихповерхностей не превышает погрешности их определения (4 -7%) [73,80].Интерес представляют опытные образцы Пл-12 и Пл-13, имеющиеэквивалентныедиаметрыканалов:dэ=0,97 ммуПл-13иdэ=3,14 мму Пл-12. Как показали результаты испытаний этих образцов (таблица 2),характеристики их практически совпадают. Однако, геометрические величинышага гофра и высоты профиля гофра значительно различаются.

Высота профилягофра Пл-12 составляет h’=2,44 мм, шаг гофра t’= 5,07 мм, в свою очередьh’=0,84 мм t’= 5,07 мм у ПЛ-13. Если взять одну из геометрий пластины соследующими параметрами: высота профиля гофра h’=8,75 мм, шаг гофра t’=32 мми dэ=13,14 мм из экспериментальной работы [103], и сравнить с ПЛ-4 спараметрами высоты профиля гофра h’=1,27 мм, шаг гофра t’= 2,57 мм dэ=1,53 ммто, можно проследить то же явление. Отсюда можно сделать вывод, что росттеплоотдачи можно достичь до определенного значения dэ, после чего, егоувеличение не окажет заметного действия на теплоотдачу.42Однако, рассматривая пластины Пл15-Пл-19 можно проследить влияниевысоты профиля гофра.

Здесь при практически равных шагах гофра t’≈2,42 ммнаблюдаются не значительные изменения в коэффициенте ζ, хотя увеличениевысоты гофра h’ приводит к снижению числа Nu. По результатам испытаний этихобразцов, имевших примерно одинаковый угол скрещивания гофров φ≈29° видно,что с увеличением относительной высоты профиля гофров теплоотдача игидравлическое сопротивление уменьшаются. Из этого следует, что в узких иглубокихзонеканалахвзаимодействиявозмущениепотока,скрещивающихсяструеквозникающеежидкости,взатухаетбыстрее[80]. Таким образом, наиболее целесообразно изготавливать пластины свыстой профиля гофра в пределах от 0,84…2,0 мм.Наибольшее влияние на интенсификацию оказывает угол скрещиваниягофров. Сравнивая образцы Пл-1-Пл-6, имеющие практические одинаковые t’ иh’, можно отметить, что с ростом угла наблюдается рост теплоотдачи.

Исходя изтребований к ГТД, допустимые потери в теплообменном аппарате, выражаемые вкоэффициенте потерь ζ, не должны превышать 3%. В связи с этим наиболееподходящим является диапазон в 65…100 °.Шаггофраt’такжеоказываетвлияние,анализируярезультатыэксперимента Пл-12, Пл-14, Пл-16, можно сказать, что увеличение шаганегативно влияет на теплоотдачу и потери. В диапазоне от 2…2,6 ммнаблюдаются наиболее благоприятные соотношения теплоотдачи и потерьдавления.В работе [39] рассмотрена вариация поверхности типа набивки Френкеля соскрещивающимся волнистым гофром, который представлен на рисунке 16.43Рисунок 16 - Вариация поверхности по типу Френкеля с волнистым гофромВ таблице 3 представлены геометрические параметры экспериментальныхобразцов.Таблица 3- Геометрические параметры испытанных образцов [80]h’ммt’ммП’/ t’φградВР-13,23 10,54,445,542ВР-32,12 10,52,88,2542ОбразецdэммЭкспериментальные данные поверхностей ВР-1 — ВР-4 приведены втаблице 4Таблица 4- Экспериментальные данные [80]ОбразецВР-1ВР-3600Re1000 20004000Nu9,3152333ζ0,40,290,260,19Nu8,21218,230,9ζ0,270,250,170,1444Поверхности ВР-1 [39] и ВР-3 [39] представляли собой пластины с непрерывными волнистыми гофрами с одинаковой длиной и амплитудой волны.Угол поворота потока в канале составлял φ = 42°.

Отличались эти поверхностигустотой оребрения, что нашло свое выражение в величине шага ребер t’ [34]. Награфике (рисунок 17) показано, что такие поверхности могут иметь высокие числаNu (в 2,4—2,6 раза выше, чем у поверхности с гладкими каналами).Nu 35302520ВР-115ВР-31050600ζ100020004000 Re0,450,40,350,30,250,20,150,10,050ВР-1ВР-3600100020004000ReРисунок 17 - Графики для пластинчато-ребрисктых поверхностей сволнистыми ребрами ВР-1 [39] и ВР-3 [39]Однако, вместе с интенсификацией теплообмена наблюдается значительныйрост потерь давления в каналах (в 3-4 раза по сравнению с гладкими каналами45[39]). Можно предположить, что как и в пластинах Пл, здесь будет наблюдатьсяувеличение интенсивности теплообмена при увеличении угла φ, на которыйпериодически изменяется направление движения теплоносителей.Здесь также можно заметить негативное влияние увеличения шага гофра t’на потери давления.

Из рассматриваемого графика видно, что поверхность ВР-3,в сравнении с поверхностью ВР-1, при небольших различиях по числам Nu имеетболее благоприятные соотношения теплоотдачи и потерь давления. Из этогоследует, что геометрические параметры гофра, определенные для поверхности Пл(с прямыми скрещивающимися гофрами) применимы и для этой поверхности.При сравнении рассмотренных поверхностей теплообмена можно отметитьследующее:- в пластинчатых поверхностях типа набивки Френкеля (рисунок14) увеличениеугла скрещивания гофров φ до 37° и даже до 96° оказывает благоприятноевлияние на объем и массу теплообменника. Важно, что при этом площадь фронтаизменяется незначительно[34].- в поверхностях ВР-1 [39] и ВР-3 [39] осуществляется более резкаяинтенсификация теплообмена, что приводит к большему снижению объема имассы, но при увеличении площади фронтаТакимобразом,рассмотренныеповерхностиявляютсянаиболееперспективными из всех, рассмотренных в работах [39, 34, 38-42, 47, 49, 50, 72,106, 107].ВЫВОДЫ1.

Проведено исследование устанавливающее зависимость геометрическихпараметров и интенсификации теплообмена. Рассмотрены две поверхноститеплообмена: поверхность типа «набивки Френкеля», вариация даннойповерхности,представляющаясобойповерхностьснепрерывнымиволнистыми гофрами с одинаковой длиной и амплитудой волны.2. В результате исследования получен диапазон геометрических параметров,удовлетворяющихтребованиямэффективностиикомпактноститеплообменного аппарата. Таким образом, целесообразно выполнять46пластины со следующими геометрическим размерами: выстой профилягофра в пределах h’=0,84…2,5 мм. угол скрещивания гофров лежит вдиапазоне φ=65°…100 °, шаг гофра t’=2…2,6 мм.473.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА3.1. Технические требования и особенности изготовления пластинчатоготеплообменного аппарата для малоразмерных ГТУРабочие температуры теплообменников для ГТУ сложного цикла достигают1000 К с кратковременными забросами до 1050 К и при давлениях до 400 кПа [1].Основными требованиями, предъявляемые у теплообменникам, при этомявляются:- Конструкция должна выдерживать не менее десяти тысяч термическихциклов без потери герметичности.- Конструкция теплообменника должна противостоять вибрации.- Материалматрицыдолженпротивостоятьвыгораниюиинымповреждениям в течение всего срока службы теплообменника. Максимальноевыгорание материала должно находиться в пределах до 0,005 мм на 10 000 часов.- Теплообменник должен обладать минимальным весом и высокой степеньютехнологичности. При высокой стоимости материала технология изготовлениятеплообменникадолжнаобеспечиватьмаксимальныйкоэффициентиспользования материала и относительную простоту изготовления.При сравнении теплообменников пластинчатого и кожухотрубного типов,следует отметить, что каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.К достоинствам кожухотрубных теплообменников относятся высокаяпрочность и стойкость к циклическим и вибрационным нагрузкам, низкоегидравлическое сопротивление и возможность использования капиллярныхтрубок с толщиной стенки до 0,1 мм при давлениях до 10 Бар.

К недостаткамотносится сложность заделки трубок в трубную решетку (температурныенагрузки до 1000 К выдерживает только метод раскатки без применения сварки).Какследствиеэтойтехнологическойособенности–ограничениепоминимальному диаметру трубки. Минимальный диаметр трубки ограничивается5 мм.48К достоинствам пластинчатых теплообменников относятся сравнительнопростаяконструкция,технологичность,возможностьсваркивсеготеплообменника таким образом, что он будет иметь сварные швы равнопрочныеосновномуматериалу.Эффективностьпластинчатоготеплообменникана15…25% выше трубчатого.

К недостаткам относятся большая, чем у трубок,толщина материала матрицы и работа при меньших давлениях (до 4 бар) [2, 3].Для заданных условий работы наиболее подходят цельносварные матрицыпластинчатыхтеплообменников.Дляудовлетворениятребованиямпотемпературе пластины теплообменной матрицы необходимо выполнять изжаропрочных сплавов на основе никеля с высоким содержанием хрома.

Внастоящей работе пластины выполнялись из жаропрочного сплава 20Х23Н18, нотакжесуществуютдругиесплавыотечественногопроизводствасудовлетворительными характеристиками.Большое значение имеет технологическая и конструктивная проработкаконструкции. Правильный выбор присадочного материала, режимов сварки ипосле сварочной термообработки позволит исключить образование горячихтрещин и обеспечит сохранение жаропрочных свойств сплава в зоне сварки.Замкнутые кольцевые швы, выполненные микроплазменной сваркой, исключаютвозможностьпоявленияконцентраторов.Роликоваяшовнаясварка,применявшаяся в данной работе для сборки пластин теплообменника в конверты,позволяет исключить повышенные напряжения металла из-за узкой зонытермического влияния таких швов.

Эти и другие меры многократно увеличиваютстойкость конструкции ТА к вибрации и тепловым циклам.В настоящее время наиболее технологичным способом изготовлениягофрированных пластин является штамповка. Однако, штамповка тонких листовметалла(0,2 мм)проработки.представляетСуществуютисложныйдругиепроцесс,способытребующийсозданиядетальнойпластинчатыхтеплообменников, одним из которых является метод лазерного спекания (3Dпечать).