Разработка равноразвитых поверхностей теплообмена для регенераторов теплоты ГТУ газотранспортных систем и исследование их теплоаэродинамических характеристик

Газотурбинные установки (ГТУ) являются доминирующим типом привода газотранспортной системы Украины. Однако большая часть из них морально и физически устарела, что приводит к чрезмерным затратам газа на собственные нужды, которые в 2010 году составили 4,9 млрд. м3. Для улучшения работы ГТУ наименее затратным является применение воздухонагревателей (регенераторов) для утилизации теплоты отработавших в турбине газов В то же время регенераторы при сегодняшнем уровне их использования являются громоздкими и металлоемкими, часто имеют низкую эксплуатационную надежность. Поэтому создание новых ГТУ с высокими технико-экономическими показателями и модернизация существующих невозможно без использования в их конструкциях надежных и эффективных поверхностей теплообмена. Таким требованиям отвечают разработанные новые поверхности - винтовые трубы с равноразвитой поверхностью.
В рамках предлагаемой научно-исследовательской работы разработаны и изготовлены лабораторные макеты трехзаходных винтовых труб с равноразвитой поверхностью с различными геометрическими характеристиками с помощью относительно дешевой технологии трехроликового обкатывания тонкостенной круглой трубы.

Проведены исследования твердости стенки трубы и ее толщины после деформации. Результаты экспериментов показали, что наибольшие интенсивности напряжений и деформаций достигались у скругленных кромок ролика, винтовое разрушение трубы появлялись в области наибольшей глубины канавки (h ≥ 5 мм) при максимальной деформации εк ≥ 0,6.

Исследована структура течения в виде линий тока на поверхности труб. Результаты по визуализации течения показали существование трехмерных отрывных зон и вихревых структур, которые являются эффективным средством дополнительного порождения турбулентности в пограничном слое и потоке в целом, что благоприятно влияет на интенсификацию теплоотдачи.

Экспериментальные исследования конвективного теплообмена и аэродинамического сопротивления исследованных пакетов винтовых труб свидетельствуют, что интенсивность теплообмена зависит от геометрии труб и шаговых характеристик пакета. В зависимости от режимных параметров она на 10-30 % выше, чем для аналогичных по компоновке гладких круглых труб. По результатам экспериментальных исследований получены методики расчетов теплообмена и аэродинамического сопротивления поверхностей винтовых труб. Созданные методики базируются на эмпирических обобщенных зависимостях для расчетов коэффициентов теплоотдачи и потерь давления внешнего и внутреннего теплоносителей для теплообменных аппаратов типа "газ–газ". Разработаны рекомендации по технологии изготовления трехзаходных винтовых труб трехроликовым обкатыванием тонкостенных гладких круглых труб. Создана установка для изготовления трех заходных винтообразных труб с равноразвитой поверхностью.

Результаты теплоаэродинамических расчетов показали, что поверхность из винтовых труб позволяет повысить компактность теплообменного аппарата на (30-40) %, то есть соответственно уменьшить его габаритные размеры и массу.