CC BY
33
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.438
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ПОНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ТУРБИНЫ НА ПАРАМЕТРЫ ВОДОГРЕЙНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА КОГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МИКРОТУРБИНЫ С ИЗМЕНЕННОЙ ОЧЕРЕДНОСТЬЮ
ПРОЦЕССОВ
Е.Г. Липихин, Д.В. Шевелев
Проведено исследование влияния степени понижения давления турбины на массово-габаритные параметры газоводяного теплообменного аппарата (ТА) когене-рационной установки на базе микротурбины измененной очередности процессов (микро-ТЭЦ). По результатам тепло-аэродинамического расчета теплообменника оценено влияние степени понижения давления в цикле на габариты теплообменника микро ТЭЦ. При уменьшении Пт от 1,3 до 1,9 габариты теплообменника значительно уменьшаются, это связано с уменьшением температуры газа на входе в ТА. Сделан вывод, что оптимальный диапазон степени понижения давления в цикле - Пт =1,9...2,1, что соответствует минимальным габаритам теплообменника. При данных значениях Пт установка будет обладать достаточной тепловой мощностью Ыт=96...87 кВт и максимальным эффективным КПД цикла турбоустановки цв=2,75.3,3 %.
Ключевые слова: микро-ТЭЦ, газовая микротурбина, измененная очередность процессов, оптимизация, газоводяной теплообменный аппарат.
Одним из приоритетных направлений развития энергетики является создание высокоэффективных технологий когенерации. К числу наиболее востребованных относятся когенерационные установки малой мощности (микро-ТЭЦ), предназначенные для нужд тепло- и электроснабжения индивидуальных жилых домов, малых производственных и складских помещений. Возможно создание микро-ТЭЦ на базе газовых микротурбин с измененной очередностью процессов (рис. 1) [1,2].
Особенностью таких установок является наличие атмосферной камеры сгорания, продукты сгорания из которой поступают в газовую турбину 2, где расширяются до давления ниже атмосферного. Далее горячий
газ поступает в газоводяной теплообменный аппарат 5, в котором происходит нагрев воды системы отопления. Повышение давления продуктов сгорания и выброс их в атмосферу обеспечивается работой компрессора 4. Повышение термодинамической эффективности цикла энергетической установки обеспечивает экономайзер 6.
Выход воды
Вход воды
Рис. 1. Схема микро-ТЭЦ с микротурбиной измененной очередности процессов и экономайзером: 1 - атмосферная горелка;
2 - турбина; 3 - электрогенератор; 4 - компрессор;
5 - газоводяной теплообменный аппарат; 6 - экономайзер
На технико-экономические показатели микро-ТЭЦ с газовой микротурбиной измененной очередности процессов существенное влияние оказывает выбор степени понижения давления в турбине - пт. В работе [2] проведено исследование влияния пт на эффективный КПД цикла и тепловую мощность микро-ТЭЦ электрической мощностью 3 кВт. Как показали термодинамические расчеты, величина эффективного КПД микротурбины имеет максимум при пт=2,0...2,2, а наибольшее количество производимой тепловой энергии - при меньших пт. Результатом исследований стал вывод, что оптимальным является диапазон пт от 1,9 до 2,1, что дает оптимальное сочетание термодинамической эффективности микротурбины и тепловой производительности микро-ТЭЦ, причем параметры турбогруп-пы соответствуют параметрам серийных автомобильных турбокомпрессоров (ТКР) [3].
Так как микро-ТЭЦ включает в себя газоводяной теплообменный аппарат (ТА), то на дальнейшем этапе решения оптимизационной задачи выбора оптимальных параметров когенерационной установки необходимо оценить влияние пт на его массово-габаритные показатели.
Постановка задачи и исходные данные для расчета.
За основу был выбран шахматный трубный пучок с оребренными трубами типа ККР-3 [4]. Движение теплоносителей - перекрестный ток. Теплообменный аппарат имеет один ход по газу - ZГ = 1, по воде - ZВ = 8. Расчетная схема ТА представлена на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема ТА
Геометрические характеристики поверхности теплообмена: внутренний диаметр трубок dвн =7,8 мм; наружный диаметр dн =10,7 мм; высота ребер ^=5,61 мм; шаг ребер u =2,9 мм, толщина ребра £р=0,48 мм, наружный диаметр ребра D =21,9 мм, разбивка треугольная, с шагом ^=24,8 мм, ^=20,4 мм, движение газа по длиной диагонали ромба (рис. 3).
Рис. 3. Геометрия трубного пучка ТА
Расчет ТА был выполнен для работы микро-ТЭЦ на систему отопления с температурой сетевой воды на входе/выходе теплообменника -/% =60/80 °С. Выбор сопротивления теплообменной матрицы ТА определялся величиной, заложенной в ходе термодинамического расчета - 1% от давления газа на входе в ТА. Температура газа на выходе из теплообменника микро-ТЭЦ ^ = 70 °С была выбрана из условия обеспечения температурного напора на холодном конце ТА At =10 °С.
Параметры теплоносителей были определены в ходе термодинамического расчета цикла микро-ТЭЦ электрической мощностью 3 кВт [2]. Необходимые параметры для расчета поверхности теплообмена ТА: расход газа Gг и расход воды Gв, давление газа на входе рг представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры теплоносителей ТА микро-ТЭЦ
Степень Температура газа Давление Расход газа Расход во-
понижения на входе /Т ,°С газа на GГ, кг/с ды ОВ кг/с
давления пт входе рг, кПа
1,3 633 76,4 0,406 2,927
1,5 609 66,2 0,239 1,667
1,7 590 58,4 0,191 1,285
2,1 558 47,3 0,166 1,037
2,5 532 39,7 0,170 1,018
Методика расчета
Для расчета была выбрана методика комплексного теплоаэродина-мического расчета теплообменных аппаратов ГТУ [5]. Расчет построен на решении:
- критериальных уравнений теплообмена
Ш = Ь ■ Яет, (1)
где Яе - критерий Рейнольдса; Ь и т - коэффициенты , определяемые типом поверхности теплообмена;
- уравнений гидродинамического сопротивления (Вейсбаха-Дарси)
.2
л Ь р- М>
АР = д—--, (2)
— ■ 2
где д - коэффициент сопротивления, Ь - длина пути теплоносителя в аппарате, м, dэ - определяющий геометрический размер (эквивалентный
ч d
диаметр), м; — = — относительный шаг; w - скорость теплоносителя в
узком сечении, м/с.
С учетом того, что изменение температуры воды в ТА по сравнению с изменением температуры газа очень мало, то любые схемы направления потоков равноценны, следовательно, аппарат можно рассчитывать как противоточный, тогда средний температурный напор
Л7 (К-С)-(<) " ,„ (А-0 ' (3)
(Т - <)
Теплофизические параметры газа определялись как для сухого воздуха, что допустимо при большом коэффициенте избытка воздуха в продуктах сгорания а>4.
Результаты расчетов
Параметры трубного пучка ТА, полученные в ходе вычислений при пт=уаг, представлены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры ТА
пт Габариты ТА, Н х ь х в , мм Объем трубного пучка V, 3 м Площадь поверхности теплообмена А, м2 Тепловая мощность Nтепл, кВт Число трубок матрицы ТА N1
1,3 720 х 529 х 520 0,198 49,9 245,2 336
1,5 652 х 432 х 423 0,119 30,5 139,6 247
1,7 617х410х423 0,107 26,0 107,6 234
2,1 583 х 396 х 390 0,100 25,8 86,9 208
2,5 549х 463 х 465 0,117 28,8 85,3 224
На рис. 4 представлена зависимость площади поверхности теплообмена от степени понижения давления газа в турбине микро-ТЭЦ.
Рис. 4. Величина поверхности теплообмена А, м в зависимости от степени понижения в турбине пТ
Из рис. 4 видно, что с ростом пт до значения пт=1,9 величина требуемой поверхности теплообмена А снижается, далее при значениях пт>1,9 происходит незначительное ее увеличение, что связано с увеличением расхода газа в цикле микро-ТЭЦ. Наибольшее влияние степени понижения газа в турбине на потребную площадь теплообменной поверхности отмеча-
253
ется при увеличении пт от 1,3 до 1,7. Это связано с резким снижением температуры газа перед ТА и, следовательно, уменьшением тепловой мощности ТА.
При значениях пт=1,7...2,5 площадь поверхности теплообмена меняется незначительно. Габариты ТА при заданной величине сопротивления по газовой стороне получаются допустимыми для данного класса установок.
Выводы
Сопоставляя результаты расчета ТА (кривая 1 рис. 4) и результаты термодинамического расчета цикла [2] (кривая 2 рис. 4), можно выделить диапазон оптимальных значений степени понижения давления - от 1,9 до 2,1. При данных значениях пт микро-ТЭЦ электрической мощностью 3 кВт будет обладать близкой к максимальной эффективностью цикла Пе=2,75...3,3%, достаточной тепловой мощностью ^тепл=96...87 кВт и иметь приемлемые массогабаритные характеристики. Следует отметить, что при этом геометрические размеры проточной части и параметры работы компрессора и турбины останутся в диапазоне серийных автомобильных ТКР [6].
Необходимо принять во внимание тот факт, что рассчитанные параметры теплообменника являются ориентировочными, так при более детальной его проработке из конструктивных соображений возможно изменение соотношения сторон матрицы ТА, что в свою очередь приведет к изменению скорости газа, следовательно, измениться величина сопротивления ТА. Таким образом, выбрав степень понижения давления в турбине, при которой параметры ТА и микро-ТЭЦ будут оптимальны с точки зрения получения высокого КПД цикла и достаточной тепловой мощности, далее следует провести следующие работы:
оценить совместную работу отдельных элементов ТА (трубного пучка, диффузорного и конфузорного патрубков);
провести оптимизацию ТА по величине гидравлического сопротивления тракта его элементов;
уточнить величины суммарного сопротивления ТА; провести анализ соответствия габаритов ТА требованиям, предъявляемым к общей компоновке микро-ТЭЦ и, при необходимости, внести соответствующие коррективы.
Исходя из вышесказанного, следует, что проектирование ТА микро-ТЭЦ является сложной задачей, которая требует учета многих факторов. Это наводит на цель выполнения дальнейших исследований - выбор критериев для оптимизации ТА и предложенной микро-ТЭЦ в целом.
Список литературы
1. Тумашев Р.З., Бодров Н.Г. Когенерационная установка на попутных нефтяных газах с высоким содержанием тяжелых углеводородов. Инженерный журнал: наука и инновации. №10(10), 2012. [Электронный журнал] URL: 10.18698/2308-6033-2012-10-401 (дата обращения: 22.02.2017).
2. Липихин Е.Г., Шевелев Д.В. Исследование термодинамической эффективности микро-ТЭЦ с газовой микротурбиной измененной очередности процессов. Инженерный журнал: наука и инновации. №10 (58), 2016. [Электронный журнал] URL: 10.18698/2308-6033-2016-10-1547 (дата обращения: 22.02.2017).
3. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: справочное пособие / Б.П. Байков, В.Г. Бордуков, П.В. Иванов, Р.С. Дейч Л., Машиностроение, 1975. 200 с.
4. Лондон А. Л., Кейс В.М. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.
5. Берман С.С. Расчет теплообменных аппаратов. М.: Госэнергоиз-дат, 1962. 240 с.
6. Липихин Е.Г., Шевелев Д.В. Влияние степени понижения давления газа на проточную часть микротурбины для микро-ТЭЦ // Наука, техника и образование. №4 (9). 2016.
Липихин Евгений Геннадиевич, студент, evgeny. ipihinayandex. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского технического университета им. Н.Э. Баумана,
Шевелев Денис Викторович, канд. техн. наук, доц., denis. v.shevelevagmail.com, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского технического университета им. Н.Э. Баумана
THE INFLUENCE OF A TURBINE PRESSURE RATIO ON PARAMETERS OF A GAS-TO-WATER HEAT EXCHANGER FOR MICRO CHP SYSTEM BASED ON INVERTED BRAYTON CYCLE MICROTURBINE
E.G. Lipihin, D.V. Shevelev
The influence of turbine pressure ratio on dimensions of a gas-to-water heat exchanger (HE) for micro CHP system based on inverted Brayton cycle microturbine has been studied. Variant thermo hydraulics calculations of the HE were carried out. The range of turbine pressure ratio from 1,3 to 2,5 was investigated. Results indicate that the turbine pressure ratio influences HE dimensions. It was found that the optimal pressure ratio range from 1,9 to 2,1 provides minimal dimensions of the HE, adequate thermal power NT=96...87 kW and maximal cycle efficiency ne=2,75.3,3 %.
Key words: micro CHP, gas microturbine, gas-to-water heat exchanger, optimization, inverted Brayton cycle.
Lipihin Evgeny Gennadyevich, student, evgeny. ipihinayandex. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow Bauman State Technical University,
Shevelev Denis Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, denis. v. she vele va gmail. com, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow Bauman State Technical University
