CC BY
18
58
Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования, 2004, №2 (9)
621.438:536.27
ТЕРМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ В ТЕПЛООБМЕННИКАХ НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ
Получено уравнение (6), позволяющее определить зависимость относительного удлинения матрицы теплообменника от времени неустановившегося режима
Главной причиной сокращения срока службы и снижения надежности газовоздушных теплообменников являются термические деформации и напряжения, приводящие к появлению трещин и утечке рабочих тел. Особенно большие термические напряжения возникают на неустановившихся режимах в теплообменниках регенеративных газотурбинных установок. Неустановившиеся по температурам режимы возникают при увеличении и сбросе нагрузки, а также при пуске. Кратковременные скачки температуры газа при пуске достигают 300-500 К.
Рассмотрим трубчатый теплообменник с противотоком, где воздух идет по трубкам, а газ - между трубками. Трубки длиной 1 заделаны в трубные доски. Частичная компенсация тепловых расширений достигается либо тепловыми компенсаторами, позволяющим перемещаться трубным доскам, либо сильфонами у труб. Температуру стенок у труб на неустановившихся режимах в зависимости от времени г можно определить по формуле:
Сст - масса и теплоемкость стенок (труб); Сг и С г - расход и теплоемкость газа; Ет -тепловая эффективность теплообменника (степень регенерации); £)в и Ог - постоянные, зависящие от отношений коэффициентов теплоотдачи ав и ОС, со стороны воздуха и газа и от поверхностей со стороны воздуха ^ и ^г.
параметр исходного (до скачка температуры) режима; индексом “УСТ” обозначен параметр в конце неустановившегося (переходного) режима.
Температура стенок на исходном режиме равна:
И.А. Барский, Р.Р. Хизяпов
Кафедра теплотехники и турбомашин
Российского университета дружбы народов, Россия, 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
СстС,
где 1 = 7------------г~
(Рв + ог )с
ст^<
(2)
(3)
где и ?г - температуры воздуха и газа на входе в теплообменник. Относительное удлинение трубок на неустановившихся режимах:
где а ~ коэффициент линейного расширения металла.
Пренебрегая изменением температуры воздуха, с учетом уравнений (2) и (3) можно записать:
ГСТУСГ - {ст„ = 0,5(гГуст - ¿Г(1)
Теперь уравнение (1) можно представить так:
Подставив уравнение (5) в уравнение (4), получим:
£ ~ ^/1 ~ °’5^ >о - *г„ I1 - ехр(- Т/т))’ (6)
В трубчатых теплообменников постоянная времени составляет 20-100°С, причем трубки
из нержавеющей стали 2Х18Н9Т имеют (при температуре 300-500°С) а = 15 х 10-6 —,
К
модуль упругости Е = 0,18 х 106 МПа .
В качестве примера определим относительное и абсолютное удлинение трубок противоточного теплообменника при пуске: скачок температуры газа
А/ = = 400° С ; постоянная времени Т = 60 С ; длина трубок / = 2 м; материал
трубок - сталь 2X18Н9Т.
В таблице приведены удлинения трубок в зависимости от времени, определенные по формуле (6):
r,c 0 30 60 90 OO
x 10 2 0 0,105 0,19 0,285 0,300
Д/, мм 0 2,1 3,8 5,7 6,0
Видно, что через 90 секунд г = ЗГ после начала пуска относительное удлинение трубок составляет 0,285х 10'2, а абсолютное - 5,7 мм.
Если бы трубные доски были закреплены жестко, то в трубках возникло напряжение
сжатия о-= ££ = 513 МПа (е = 0,18 X ю6 МПа). Поэтому температурные
компенсаторы в теплообменнике должны быть обязательно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Барский И.А., Хизяпов P.P. Влияние распределенности параметров на переходные характеристики теплообменника. - М.:Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2003, №1 - С. 110-112.
2. Барский И.А. Изменение степени регенерации ГТД на неустановившихся режимах//Автомобильная промышленность, 1962, №12-С. 10-12.
UNSTEADY THERMAL DEFORMATIONS IN HEAT EXCHANGER
I.A. Barsky, R.R. Khiziapov
Department of Thermal Engineering and Turbines Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya st„ 6, 117198 Moscow, Russia
The equation (6) gives a link between deformation of heat exchanger matrix and time of unsteady work.
