CC BY
16Повышение эффективности работы теплообменника-газификатора при использовании СПГ в качестве топлива для авиатранспорта
■
В.А. Шишков, начальник технического отдела ООО «Палладио» (г. Тольятти), академик РАЕ, д.т.н.
2*
ЛЕТ С ВАМИ
71
Цель работы - повышение эффективности и устойчивости функционирования теплообменника-газификатора в газотурбинных двигателях при газификации криогенных топлив - жидкого водорода и сжиженного природного газа. Для повышения эффективности и устойчивости течения в теплообменнике-газификаторе криогенного топлива усовершенствованы способ и его устройство, в которых изменены и оптимизированы процессы нагрева криогенного топлива на экономайзерном, переходном и подогревательном участках канала теплообменника-газификатора. Разработаны конструкции теплообменных аппаратов и систем для газификации криогенных топлив, имеющих высокие показатели по устойчивой работе в широком диапазоне режимных параметров. За счёт оптимизации теплопередачи уменьшена длина экономайзерного, переходного и подогревательного участков, а значит и линейные габариты всего теплообменника, а также повышена эффективность теплопередачи.
__Ключевые слова:
парогенерирующий канал, теплообменник, экономайзерный участок, переходный участок, подогревательный участок, устойчивость течения, криогенное топливо.
И
спользование теплообменников-газификаторов в энергетическом машиностроении, особенно в газотурбинных двигателях авиационного применения, для испарения криогенных видов топлива, а именно жидкого водорода и сжиженного природного газа, требует повышения эффективности и надёжности их работы.
В известных устройствах для повышения надёжности работы теплообменника-газификатора применяют способ локализации процесса испарения криогенного топлива между двумя гидравлическими сопротивлениями [1, 2, стр. 39, рис. 1.1]. Недостаток способа в том, что не всегда возможно обеспечение устойчивости системы без значительного увеличения гидравлического сопротивления на входе и выходе парогенерирующего канала, что требует дополнительной мощности на прокачку криогенного топлива через этот канал. Известен способ работы экономайзера парового котла со скользящими параметрами нагреваемой среды, в котором на всех режимах поддерживается постоянное давление подогреваемой среды во всём диапазоне производительности котла при помощи
установленного за экономайзером регулирующего клапана. Недостатком способа является то, что из-за низкой теплопроводности и увеличения по толщине от входа к выходу пограничного слоя, состоящего из пара и газовой фазы подогреваемой среды, на экономайзерном участке низка эффективность подогрева жидкой фазы. Также велика вероятность возникновения стержневого режима течения, когда жидкая фаза достигает выхода из теплообменного аппарата, что снижает устойчивость процесса газификации.
Задача данной работы состоит в повышении эффективности и надёжности работы теплообменника-газификатора криогенного топлива для энергетической установки, в частности, в газотурбинных двигателях авиационного назначения.
На рис. 1 представлена схема устройства для повышения эффективности и устойчивости течения криогенного топлива в парогенерирующих каналах теплообменника-газификатора [3].
Для повышения эффективности работы теплообменника-парогенератора его устанавливают в сопле газотурбинного двигателя. На вход парогенерирующего канала 1 теплообменника через входное гидравлическое сопротивление 2 подают жидкую фазу криогенного топлива, а на наружную поверхность канала 1 подводят теплоту. На входном участке от гидравлического сопротивления 2 расположен экономайзерный участок 4 с жидкой фазой криогенного топлива, при этом у стенки экономайзерного участка 4 находится пограничный слой 5 из паровой и газовой фаз криогенного топлива. Экономайзерный участок 4 заканчивается переходной зоной 6, где вся жидкая фаза криогенного топлива переходит в паровое и газовое состояние. Через отверстия 7 и 8 в стенках парогенерирующего канала 1 на экономайзерном участке 4 паровая и газовые фазы криогенного топлива из пограничного слоя 5 попадают на вход в насос 9, из которого они поступают в выходную магистраль 10 за выходным гидравлическим сопротивлением 2 канала 1 теплообменника. По длине экономайзерного участка толщина пограничного слоя 5 возрастает. Для уменьшения его толщины размеры отверстий 7, 8 для отвода паровой и газовой фаз криогенного топлива из экономайзерного участка 4 увеличиваются по его длине от входа к выходу, при этом отверстие 8 больше отверстия 7.
Для сбора паровой и газовой фаз криогенного топлива из пограничного слоя 5 по длине экономайзерного участка 4 в направлении, перпендикулярном движению рабочего тела, по внутреннему контуру канала 1 теплообменника установлены присоединённые объёмы 11 и 12, откуда через отверстия 7, 8 паровая и газовая фазы криогенного топлива направляются на вход в насос 9. Для увеличения отбора паровой и газовой фаз криогенного топлива из пограничного слоя 5 и уменьшения его толщины по длине экономайзерного участка 4 размеры присоединённых объёмов 11, 12 и отверстий 7, 8 для отвода паровой и газовой фаз криогенного топлива из экономайзерного участка 4 увеличиваются по его длине от входа к выходу, то есть присоединённый объём 12 больше присоединённого объёма 11.
Во время работы датчик температуры 13 на наружной стороне стенки эко-номайзерного участка 4 канала 1 теплообменника измеряет её температуру, при этом сигнал с датчика поступает в контроллер 14, где математически определяют параметры управления, которые передаются в блок управления 15, который, в свою очередь, выдаёт команду на управление откачки насосом 9 паровой и газовой фаз криогенного топлива из пограничного слоя 5 экономайзерного участка 4. При увеличении температуры стенки экономайзерного участка 4 производительность откачки паровой и газовой фаз из пограничного слоя 5 возрастает, а при снижении температуры стенки уменьшается. Изменение температуры стенки
Рис. 1. Схема устройства для повышения эффективности и устойчивости течения криогенного топлива в парогенерирующих каналах:
1 - парогенерирующий канал; 2 - входное гидравлическое сопротивление; 3 - выходное гидравлическое сопротивление; 4 - экономайзерный участок; 5 - пограничный слой; 6 - переходная зона; 7, 8 - периферийные отверстия в канале; 9 - насос; 10 - выходная магистраль; 11, 12 - присоединённые объёмы для паровой фазы топлива; 13 - датчик температуры; 14 - контроллер; 15 - блок управления; 16,17 - регулируемые дроссели
с наружной стороны парогенерирующего канала 1 показывает на изменение подводимого теплового потока и толщины пограничного слоя 5 на экономайзерном участке 4 [3].
Для плавного регулирования и поддержания стабильной толщины пограничного слоя 5 на экономайзерном участке 4 при изменении наружной тепловой нагрузки между отверстиями 7, 8 отбора паровой и газовой фаз из пограничного слоя 5 на экономайзерном участке 4 и входом в насос 9 установлен хотя бы один регулируемый дроссель 16 и 17, соединённый с блоком управления 15. Управление дросселями 16, 17 осуществляют от блока управления 15 при изменении температуры стенки с наружной стороны экономайзерного участка 4, при этом управление выполняется синхронно с управлением насосом 9 при плавных изменениях тепловой нагрузки и асинхронно - при резком изменении тепловой нагрузки. В устройстве применён эжекторный насос 9, который управляется с помощью изменения скорости движения газообразного криогенного топлива, используемого в качестве активной среды, при этом изменяется расход рабочей среды и происходит перепад давления на активном сопле насоса [3]. Эта конструкция позволяет повысить эффективность парогенератора и устойчивость течения в нём криогенного топлива за счёт изменения и оптимизации процессов нагрева жидкой фазы на экономай-зерном и переходном участках канала парогенератора.
На рис. 2 [4] представлена схема устройства для повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале теплообменника-газификатора с увеличением от входа к выходу площади поперечного сечения на экономайзерном, переходном и подогревательном газовом участках.
2*
ЛЕТ С ВАМИ
73
Рис. 2. Схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале теплообменника-газификатора с увеличением от входа к выходу площади поперечного сечения на экономайзерном, переходном и подогревательном газовом участках: 1 - входное гидравлическое сопротивление; 2 - жидкая фаза рабочего продукта; 3 - экономайзерный участок с увеличивающейся площадью поперечного сечения Р2 > р от входа к выходу; 4 - пограничный слой; 5 - переходный участок с увеличивающейся площадью поперечного сечения Р3 > 2Р2 по его длине от входа к выходу; 6 - подогревательный участок с увеличивающейся площадью поперечного сечения по его длине от входа к выходу Р4 > Р3; 7 - выходное гидравлическое сопротивление
На экономайзерном участке 3 жидкая фаза 2 криогенного топлива нагревается до температуры на линии насыщения. При неразрывности течения криогенного топлива 2 расход на выходе из экономайзерного участка 3 равен расходу на входе:
Р, W1 Р, = Р2 ^2 ¥2 ,
где р - средняя плотность криогенного топлива по сечению канала; W - скорость; Р - площадь сечения; индекс 1 - на входе в экономайзерный участок 3; индекс 2 -на выходе экономайзерного участка 3.
Скорость на входе W1 = W2 равна скорости на выходе из экономайзерного участка 3, площадь поперечного сечения Р2 на выходе экономайзерного участка 3 обратно пропорциональна изменению средней плотности криогенного топлива: Р2 = р1 / р2. Увеличение площади поперечного сечения на экономайзерном участке 3 позволяет не увеличивать гидравлическое сопротивление по его длине, что положительно сказывается на устойчивости течения криогенного топлива. Кроме этого, из-за уменьшения плотности жидкой фазы 2 криогенного топлива по длине экономайзерного участка 3 снижается коэффициент теплопередачи от греющей среды к криогенному топливу, но из-за увеличения площади внешней теплопередающей поверхности по длине экономайзерного участка 3 растёт количество подводимой теплоты Q от горячего теплоносителя к криогенному топливу.
На переходном участке при постоянной температуре происходит изменение фазового состояния криогенного топлива от жидкого до пара. На выходе переходного участка 5 скорость течения выше, чем на его входе: W2 < W3. Если бы площади
Рис. 3. Схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале теплообменника-газификатора с переходным участком 5 в виде сильфона с поперечным расположением гофр при поперечном наружном обтекании горячим теплоносителем
на входе и выходе переходного участка 5 были равны, то увеличение скорости на его выходе было бы обратно пропорционально изменению средней плотности криогенного топлива: = р2 / р3. Это увеличение составляет для различных криогенных рабочих продуктов от 10 до 100 раз.
Увеличение динамической составляющей давления криогенного топлива по сравнению со статической в газовой нагревательной части парогенерирующе-го канала приводит к тому, что возможно возникновение стержневого течения жидкой фазы 2, когда она достигает выходного гидравлического сопротивления 7, где испаряется и за счёт резкого роста сопротивления на выходной шайбе приводит к временному запиранию канала.
Для снижения динамической составляющей давления в нагревательном газовом участке канала в предлагаемом устройстве площадь поперечного сечения на выходе переходного участка 5 выше, чем на входе, как минимум в два раза: ¥3 > 2Р2. На подогревательном участке 6 увеличивается температура газовой фазы криогенного топлива. Площадь поперечного сечения подогревательного газового участка 6 по его длине от входа к выходу увеличивается обратно пропорционально изменению средней плотности газовой фазы криогенного топлива: ¥4 = р3 ¥3 / р4. Увеличение площади поперечного сечения на газовом подогревательном участке 6 позволяет не повышать гидравлическое сопротивление по его длине, что положительно сказывается на устойчивости течения криогенного топлива. Кроме этого, из-за уменьшения плотности газовой фазы криогенного топлива по длине подогревательного участка 6 снижается коэффициент теплопередачи от внешней греющей среды к криогенному топливу, но из-за увеличения площади внешней теплопередающей поверхности по длине подогревательного участка 6 растёт количество подводимой теплоты Q от горячего теплоносителя к газовой фазе криогенного топлива [4].
2*
ЛЕТ С ВАМИ
75
Рис. 4. Схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирую-щем канале теплообменника-газификатора с переходным участком 5 в виде сильфона с продольным расположением гофр при продольном наружном обтекании горячим теплоносителем
На рис. 3 [4] представлена схема устройства повышения устойчивости течения в парогенерирующем канале, часть которого, а именно переходный участок, выполнена в виде сильфона с поперечным расположением гофр при поперечном наружном обтекании горячим теплоносителем.
Часть парогенерирующего канала, а именно переходный участок 5 (рис. 3, 4) выполнена в виде сильфона. В переходной области 5 происходит фазовый переход жидкого криогенного топлива в пар, что значительно изменяет его объём. Это изменение приводит к местным пульсациям полного (статическая плюс динамическая составляющие) давления криогенного топлива во всём па-рогенерирующем канале. Подвижные гофры сильфона 5 части парогенерирующего канала демпфируют эти пульсации давления, что повышает устойчивость процесса парообразования и течения криогенного топлива в канале. При поперечном движении горячего теплоносителя Q (см. рис. 3) сильфон имеет поперечные гофры, а при продольном обтекании - продольные гофры (см. рис. 4), что
2*
лет с ВАМИ
снижает внешнее гидравлическое сопротивление канала, повышает эффективность внешнего его обтекания, а значит, увеличивает коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к наружной стенке парогенерирующего канала. Кро- ^^И
ме этого, увеличена площадь теплопередающей поверхности парогенерирующего 77
канала, что также увеличивает количество передаваемой теплоты Q от горячего теплоносителя к криогенному топливу и уменьшает длину переходного участка 5 [4].
За счёт увеличения проходного сечения парогенерирующего канала на эко-номайзерном, переходном и подогревательном газовом участках снижается скорость течения криогенного топлива, что, в свою очередь, увеличивает статическое давление и снижает динамическую составляющую полного давления, а это повышает устойчивость течения в парогенерирующем канале, кроме этого, снижается вероятность образования стержневого течения в каналах. За счёт увеличения площади теплопередачи на экономайзерном, переходном и подогревательном газовом участках уменьшается их длина, а значит и линейные габариты парогенерирующего канала. За счёт применения сильфонов в конструкции па-рогенерирующего канала, во-первых, увеличивается площадь теплопередающей поверхности, а значит и эффективность теплообменника, и уменьшаются его линейные габариты, во-вторых, на этих участках снижаются пульсационные составляющие статического, динамического и полного давлений, что, в свою очередь, повышает устойчивость течения криогенного топлива.
Таким образом, усовершенствованы способ и устройство для повышения устойчивости течения криогенного топлива в парогенерирующем канале теплообменника-газификатора, в котором изменены и оптимизированы характеристики на экономайзерном, переходном и подогревательном газовом участках.
Использованные источники
1. Патент RU № 94033553 A1, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 10.03.1997.
2. Устойчивость кипящих аппаратов. И.И. Морозов, В.А. Герлига. - М.: Атомиз-дат, 1969. - 280 с.
3. Способ повышения эффективности работы парогенератора и устройство для его осуществления: патент на изобретение № 2663967: МКИ6 F 22 B 1/06, F 22 D 1/12, F 28 D 7/10 / Шишков В.А.; заявитель Шишков В.А. - № 2017125427/06(043842); заявл. 14.07.2017, опубл. 13.08.2018. Бюл. № 23. - 13 с.
4. Устройство повышения устойчивости течения и эффективности работы па-рогенерирующего канала: патент на изобретение № 2666834: МКИ6 F 22 B 1/06, F 22 D 1/12, F 28 D 7/10 / Шишков В.А.; заявитель Шишков В.А. - № 2017121493/06(037244); заявл. 19.06.2017, опубл. 12.09.2018. Бюл. № 26. - 13 с.
