CC BY
40
нальной.
Выводы
1. Одним из главных показателей энергогенерирующих комплексов, обеспечивающих коммерческий успех, является топливная экономичность.
2. Для обеспечения высокой топливной экономичности, крайне важно иметь высокий КПД, как на номинальном режиме, так и на частичных нагрузках.
3. Обеспечение высокого КПД на частичных нагрузках требует особого подхода к выбору параметров термодинамического цикла и к проектированию лопаточных машин (компрессора и турбины).
4. Компрессор должен обеспечивать номинальную степень повышения давления ~7,5 с адиабатическим КПД не менее 80%, иметь средства управлением расходом воздуха, сохранять КПД в широком диапазоне расходов, вплоть до 10% от номинального расхода, допускать форсирование по степени повышения давления на ~15% выше номинальной.
5. Турбина должна обеспечивать номинальную степень расширения ~6,5 с адиабатическим КПД не менее 90%, сохранять КПД в широком диапазоне расходов, вплоть до 10% от номинального расхода, допускать форсирование по степени расширения на ~15% выше номинальной.
6. Разработка научного задела, направленного на создание энергогенерирующих комплексов с высокой интегральной топливной экономичностью, является актуальной задачей фундаментальных и прикладных исследований. Научные исследования компрессоров и турбин, отвечающих специальным требованиям, являются ключевыми направлениями этого научного задела.
Литература
1. Бушуев В.В. Перспективы электроэнергетики в рамках ЭС-2035. Тезисы доклада на конференции ТРАВЭК 25.04.2014.
2. Костюков А.В. Микротурбина с эффективным КПД более 43%. Известия МГТУ «МАМИ», № 2(14), 2012.
3. Костюков А.В., Алексеев Р.А. Повышение эффективности роторного теплообменника малоразмерного газотурбинного двигателя. Известия МГТУ «МАМИ», № 1(13), 2012.
4. Беляев В.Е., Бесчастных В.Н., Евдокимов В.Д., Синкевич М.В. Газотурбинный двигатель ГТД-1С. Концепция создания и перспективы применения семейства ГТД регенеративного цикла. Научно-технический журнал «Горная Промышленность». 2008. № 3. С. 76-79.
5. George L. Touchton, Mikhail Senkevych, Alexandr Belokon, V. Belyaev (2004) A novel gas turbine product line for onsite generation and combined heat and power between 400 kWe and 1 MWe. ASME paper GT2004-54257.
Оптимизация теплопередающей поверхности теплообменника двигателя с
внешним подводом теплоты
Ильин А.А., Меркулов В.И.
Университет машиностроения 8 (926) 668-04-34, [email protected]
Аннотация. В данной статье произведен расчет теплопередающей поверхности теплообменника энергетической установки. Для вычислений использовался программный комплекс ANSYS CFX. В ходе работы была выявлена конструкция, обеспечивающая наибольшую разницу температур на входе и выходе охлаждающей жидкости.
Ключевые слова: теплообменник, конвекция, Ansys CFX, энергетическая установка.
Многообразие потребителей энергии и требований к виду и качеству энергообеспече-
ния, заставляет по-новому взглянуть на роль автономных энергетических агрегатов малой мощности. В статье рассматривается энергетическая установка электрической мощностью -1 кВт, снимаемой тепловой мощностью 3,5 кВт. Перепад температуры рабочей жидкости создает теплообменник. Теплообменник состоит из 6 оребренных труб и является самым металлоёмким узлом энергетической установки. Рассматривается одиночная оребренная труба, в ней протекает 60% водный раствор этиленгликоля при температуре +70°С. Расход жидкости - 10 л/мин. Отвод теплоты осуществляется через стенку трубы и оребренную поверхность в окружающую среду температурой +40°С. Установка эксплуатируется в экстремальных условиях, температурный диапазон работы от -40°С до +40°С. Характеристики энергетической установки представлены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики энергетической установки
N 1 кВт
Q 3,5 кВт
T T вх. 70°С
m (расход водного раствора этиленгликоля) 0,012 кг/с
Целью работы является определение оптимальных геометрических параметров ореб-ренной трубы: диаметра, длины.
Для численной реализации задачи в описанной постановке использовался конечно-элементный программный комплекс ANSYS CFX.
Постановка расчетной задачи
Задача решается в стационарной постановке. Использованы граничные условия третьего рода. Коэффициент теплоотдачи рассчитывается из критериального уравнения [1]:
Nu = c •(Pr- Gr)n,
,r a-1
где: Nu =-.
l
После подстановки коэффициентов и математических вычислений коэффициент тепло-
„„ Вт 11/ч Вт „
отдачи со стороны воздуха равен a = 22-, со стороны этиленгликоля a = 110-. Для
м • К м • К
учета гравитационных сил используется модель Буссинеска (Buoyancy Model). Геометрические размеры исследуемых труб представлены в таблицах 2, 3 и на рисунке 1. Рассмотрены следующие варианты конструкции элементов теплообменника: переменный диаметр тепло-передающей трубы, переменная длина, вариант исполнения теплообменника с наружным кожухом и без кожуха.
Таблица 2 Таблица 3
Геометрические размеры труб без кожуха Геометрические размеры труб с кожухом
Диаметр d, мм Длина L, мм
22 1500 2000
24 1500 2000
27 1500 2000
30 1500 2000
Диаметр d, мм Длина L, мм
22 1500
24 1500
27 1500
30 1500
Целью оптимизации оребренной трубы является расчет перепада температур между входом и выходом водного раствора этиленгликоля АТ = Твх — Твых, при наличии по длине
трубы конечной разницы температуры между средой и ребрами по всей теплопередающей поверхности теплообменника.
В результате расчетов построены графики зависимости перепада температур от диаметров для трех типов труб рисунок 2.
а) б)
Рисунок 1. Общий вид оребренной трубы d=27 мм без кожуха (а), с кожухом (б)
ДТ, °С 10
9.5
8.5
7,5
6.5
5,5
4,5
3.5
-ЗД5-- 9,45
_ -у ^ — --Г
8.25
5.75
**"б.25
4.35 4,55 - ■ 5Д7Э
3,65 - - -1
4=2000
4=1500
С кожухом 1=1500
22 23 24 25 26 27 28 29 30 О, ММ
Рисунок 2. Зависимость перепада температур от диаметров трубы
Был проанализирован градиент температур по поверхности ребра в трех сечениям.
Рисунок 3. Градиент температуры по поверхности ребра трубы без кожуха
45 60 Длина ребра
Рисунок 4. Градиент температуры по поверхности ребра трубы с кожухом
Распределения градиента температуры по длине ребра приведены в таблице 4.
Таблица 4
Распределение градиента температуры по длине ребра
Сечение Оребренная труба без кожуха, Градиент Т°С Оребренная труба с кожухом, Градиент Т°С
Верхнее 1,8 2,6
Среднее 1,1 3,1
Нижнее 1,4 2,6
Из графика на рисунке 2 следует, что отличие перепада температур при длине 2 м и 1,5 м варьируется от 0,7°С до 0,8°С, поэтому применять трубы длиной 2 м при данном расходе жидкости нецелесообразно, это ведет к существенному увеличению металлоёмкости теплообменника. При применении кожуха, разница температуры увеличилась в 1,5 - 2 раза.
Литература
1. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. - М.: Наука. - 1986. - C. 414.
2. Варгафтик Л.П., Филиппов А.А. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов -М.: Энергоатомиздат. - 1990. - С. 352.
3. ANSYS ICEM CFD Tutorial Manual. - С. 313.
Разработка систем наддува для ДВС различного назначения
Каминский Р.В. Университет машиностроения designakamturho.ru
Аннотация. Представлены результаты создания и практического применения методики проектирования эффективных систем наддува для ДВС различного назначения.
Ключевые слова: методика проектирования, эффективные системы, система наддува, моделирование, параметры турбины, рециркуляция, масштабирование, метод прототипирования.
Как правило, анализ, доводку и фиксацию основных параметров рабочего процесса двигателя выполняет его разработчик. В этом случае в техническом задании (ТЗ) на проектирование системы наддува заказчиком задаются следующие параметры:
• конструктивная схема, количество цилиндров, размерность или рабочий объём двигателя;
