СПОСОБ ТЕПЛООБМЕНА В МИКРОТУРБИННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ Российский патент 2017 года по МПК F28D19/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, точнее к способам теплообмена газообразных сред, в частности сжатого рабочего воздуха и отработавшего горячего газа, с использованием вращающихся роторных регенеративных теплообменников каркасного типа в многоцелевых малоразмерных газотурбинных установках, преимущественно в автомобильных двигателях (микротурбинах).

Из уровня техники известно множество разнообразных способов теплообмена рабочих газообразных сред с использованием разного типа теплообменников, реализуемых в различных газотурбинных установках (в том числе и в транспортных малогабаритных), направленных на интенсификацию процесса теплообмена с целью повышения энергетической эффективности установок.

К примеру: способ теплообмена (US 9068506, 2015 г.), при котором наряду с подогревом подаваемого в камеру сгорания сжатого рабочего воздуха, осуществляемого в теплообменнике рекуперацией тепла отработавших газов, интенсификацию процесса обеспечивают поддержанием достаточно высокого давления проходящих через рекуператор горячих газов; а также способы теплообмена в транспортных газотурбинных установках с использованием вращающихся роторных регенеративных теплообменников, когда повышение интенсивности процесса достигается за счет увеличения интенсивности относительного движения (скорости и/или турбулентности) теплообменивающихся газообразных сред путем специфического технологического приема - омыванием этими средами поверхностей вращающегося ротора теплообменника, в частности, с использованием дополнительной жидкой среды (RU 2130156, 1999 г.) - и специфического конструктивного построения самого теплообменника (там же) или элементов теплопереноса, формирующих его теплопередающие матрицы (RU 2529621, 2014 г.; WO 2011022131, 2011 г.). Такие способы усложняют и удорожают изготовление и эксплуатацию реализующих их газотурбинных установок, что снижает их экономическую эффективность и делает малопригодными для использования в компактных газотурбинных установках, предназначенных для наземного транспорта.

Известны также способы теплообмена, при которых сжатый рабочий воздух после его основного подогрева за счет тепла отработавших горячих газов перед подачей в камеру сгорания подогревают дополнительно тем или иным образом.

Так, в способе теплообмена, реализуемом в газотурбинном двигателе для наземного транспорта (US 20140298821, 2014 г.), направляемый в камеру сгорания рабочий воздух дополнительно подогревают путем импульсного повышения температуры выходящего из турбины отработавшего газа с помощью дополнительной вспомогательной горелки, создавая в теплообменнике требуемое по условиям работы установки избыточное тепловое напряжение, - это приводит к увеличению габаритов установки и к необходимости дополнительных энергозатрат. К тому же постоянное использование такого приема с точки зрения стойкости компонентов установки недопустимо.

В способе теплообмена, реализуемом в автомобильном малоразмерном газотурбинном двигателе, с целью обеспечения компактности двигателя и повышения его топливной экономичности процесс ведут с использованием теплообменника, пластинчатые или трубчатые модули которого интегрированы в трубчато-кольцевую камеру сгорания, образуя с ней единый компактный узел (RU 2563079, 2015 г.). В нем сжатый рабочий воздух, подогретый в воздушных полостях модулей теплообменника горячими газами от свободной турбины, протекающими в газовых полостях этих модулей, дополнительно подогревают теплом жаровых труб камеры сгорания, расположенными между модулями теплообменника.

Принятая в этом аналоге схема теплообмена не допускает дальнейшего уменьшения габаритов теплообменника и может явиться причиной снижения эксплуатационной надежности и эффективности установки из-за вероятности температурных деформаций модулей теплообменника.

Всем приведенным выше аналогам присущ общий недостаток - это усложненная, в большинстве случаев, коммутационная схема процесса, громоздкое конструктивное решение используемых теплообменников и других компонентов установки, а также отсутствие приемов по охлаждению их горячих зон, направленных на снижение негативных последствий тепловых деформаций конструкций.

Поскольку вращающиеся роторные теплообменники каркасного типа отличаются компактностью и упрощенным конструктивным решением, создающим благоприятные условия для уплотнительных мер и охлаждения их горячих зон, и, как установлено, могут обеспечить требуемую для повышения топливной эффективности установки высокую (до 90%) степень регенерации, микротурбинные установки, использующие их, имеют много конкурентных преимуществ по сравнению с поршневыми. Это позволяет расширить области использования микротурбин и делает их привлекательными для применения на транспорте и в малой энергетике.

Известен способ теплообмена с использованием вращающегося роторного теплообменника каркасного типа (RU 2296930, 2007 г.), при котором из каждого потока теплообменивающихся газообразных сред (сжатого рабочего воздуха и отработавшего газа), попеременно подаваемых в теплообменные матрицы теплообменника, отбирают часть потока в заданном объеме и направляют его в канал охлаждения, сформированный вдоль стенки каркаса между горячей и холодной щеками теплообменника (для потока отработавшего газа он закрыт со стороны горячей щеки). Причем отделенный поток горячего газа вводят со стороны холодной щеки после его предварительного охлаждения, что способствует снижению тепловых деформаций каркаса теплообменника, предотвращает перетоки теплообменивающихся сред и утечку сжатого воздуха, способствует интенсификации процесса.

Наиболее близким аналогом изобретения, определенным в качестве прототипа, является способ теплообмена в газотурбинных установках с вращающимся роторным регенеративным теплообменником, при котором от основного потока рабочего воздуха, нагнетаемого под давлением в камеру сгорания через теплообменник, отделяют часть потока, направляют в качестве охлаждающей среды в лабиринтную сеть каналов, сформированных в горячей щеке теплообменника с выходом в его внутреннюю осевую полость, по выходу из нее выводят в сторону основного потока рабочего воздуха из теплообменника и до подачи в камеру сгорания смешивают с ним (SU 800579, 1981 г.). Отсутствие возможности дополнительного повышения температуры подаваемого в камеру сгорания сжатого рабочего воздуха является основным недостатком прототипа, снижающим топливную эффективность установки.

Задача, решаемая изобретением, и технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключаются в повышении энергетической эффективности микротурбины путем повышения степени регенерации теплообмена за счет снижения неравномерности температурного фона каркаса теплообменника и путем поддержания температуры нагнетаемого в камеру сгорания рабочего воздуха на заданном оптимальном уровне.

Для достижения технического результата в способе теплообмена в микротурбинных установках с вращающимся роторным регенеративным теплообменником, при котором от основного потока сжатого рабочего воздуха, нагнетаемого под давлением в камеру сгорания через теплообменник, отделяют часть потока, направляют его в обход теплообменной матрицы в качестве охлаждающей среды в лабиринтную сеть каналов, сформированную в горячей щеке теплообменника с выходом в его внутреннюю осевую полость, и по выходу из нее до подачи в камеру сгорания смешивают с выходящим из теплообменника основным потоком рабочего воздуха, прошедшим теплообменную матрицу, согласно изобретению отделяемую часть потока рабочего воздуха, перед тем как смешать с основным потоком, дополнительно нагревают путем осуществления рекуперативного теплообмена этого потока с потоком имеющих изначальную затурбинную температуру отработавших газов, используя последние в качестве внешнего теплоносителя.

Дополнительные отличия изобретения состоят в том, что в частных случаях исполнения:

- процесс ведут с обеспечением охлаждения стенок каркаса путем отбора из каждого направляемого в теплообменную матрицу потока теплообменивающихся газообразных сред определенной части потока, который после его предварительного охлаждения направляют в продольные каналы цилиндрического матричного пакета, примыкающие к стенкам каркаса теплообменника;

- процесс ведут с обеспечением охлаждения стенок каркаса путем их обдува по каналам, образованным стенкой и наружной стороной конусного теплопередающего пакета.

Сущность изобретения поясняется на конкретном примере реализации предлагаемого способа теплообмена в предназначенной для малогабаритного автомобильного газотурбинного двигателя микротурбинной установке, в корпусе которой с воздушными и газовыми патрубками «подвода - отвода» между «холодной» и «горячей» сторонами имеется вращающийся регенеративный роторный теплообменник каркасного типа с теплообменной матрицей, состоящей из цилиндрических или конических пакетов, и с выполненной в теле его горячей щеки лабиринтной сетью охлаждающих каналов.

Поступающий из компрессора сжатый рабочий воздух направляют со стороны холодной щеки в теплообменную матрицу теплообменника, где он прогревается за счет тепла поверхностей пакетов матрицы, нагретых ранее проходящим в них отработавшим затурбинным горячим газом, направляемым в них со стороны горячей щеки теплообменника.

Процесс ведут, одновременно обеспечивая охлаждение каркаса теплообменника: стенок каркаса и горячей щеки. Охлаждение стенок каркаса ведут любым известным образом, например, как предусмотрено в нашем конкретном примере (п.2 формулы), в соответствии с описанием к патенту RU 2296930, путем отбора части потоков теплообменивающихся сред и проведения его через вертикальные каналы охлаждения в матричных пакетах, примыкающие к стенкам каркаса.

Для охлаждения «горячей» щеки от основного потока сжатого воздуха, поступающего из компрессора и направляемого в камеру сгорания, до его прохождения через пакеты теплообменной матрицы отделяют часть потока, который направляют в обход матрицы в поперечные лабиринтные каналы охлаждения, выполненные в теле щеки, после прохода которых воздух собирают в осевой внутренней полости теплообменника и далее направляют внутрь рекуперативного теплообменника, например трубчато-пластинчатого, стационарно установленного на пути отработавшего затурбинного газа до его входа в матричные пакеты. Омывая горячим затурбинным газом теплообменные компоненты рекуператора, обеспечивают дополнительный подогрев отделяемой части основного потока - охладителя горячей щеки - и смешивают его с основным потоком рабочего воздуха, прошедшим теплообменную матрицу, чем обеспечивают подогрев поступающего в камеру сгорания воздуха до температуры, требуемой для эффективного сжигания топлива, повышая топливную экономичность двигателя.

Такая технология теплообмена, по сравнению с известными аналогами, имеет следующие преимущества:

- упрощенную коммуникационную схему процесса, способствующую созданию компактных «микротурбин» со сниженным уровнем гидравлических потерь и повышенной интенсивностью процесса;

- эффективный и дешевый способ обеспечения заданной температуры подаваемого в камеру сгорания рабочего воздуха, оптимальной для эффективного сжигания топлива, гарантирующего топливную экономичность установки;

- способствует выравниванию температурного поля теплообменника, необходимого для повышения степени рекуперации тепла;

- способствует повышению срока службы матричных пакетов, так как с горячей стороны в них поступает отработавший газ, предварительно охлажденный за счет дополнительного рекуперативного отъема его тепла.

Перечисленные преимущества позволяют достигать улучшенные характеристики теплообмена без необходимости замены относительно дешевых традиционных для средств теплообмена конструкционных материалов на новые дорогостоящие.

Способ теплообмена газообразных сред: сжатого рабочего воздуха и отработавшего горячего газа, с использованием вращающихся роторных регенеративных теплообменников каркасного типа предназначен для использования в многоцелевых малоразмерных газотурбинных установках, преимущественно автомобильных газотурбинных двигателей (микротурбин). Изобретение заключается в том, что от основного потока сжатого рабочего воздуха, подаваемого от компрессора в камеру сгорания через теплообменную матрицу регенеративного вращающегося теплообменника, отбирают часть потока, направляют его в обход теплообменной матрицы в поперечные каналы охлаждения, выполненные в теле горячей щеки теплообменника. Перед тем как смешать эту часть потока воздуха с основным потоком его подогревают до температуры, требуемой для эффективного сжигания топлива (600-700°С), за счет отбора тепла отработавших газов, посредством установленного на горячей стороне установки рекуперативного теплообменника, добиваясь одновременного с повышением температуры подаваемого в камеру сгорания рабочего воздуха снижения температуры отработавших газов до их поступления в теплообменную матрицу регенератора, что способствует выравниванию температурного градиента его каркаса и снижению гидравлических потерь, повышению степени регенерации. В результате достигается повышение энергетической эффективности микротурбины. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ теплообмена в микротурбинных энергетических установках с вращающимся роторным регенеративным теплообменником, при котором от основного потока сжатого рабочего воздуха, нагнетаемого под давлением в камеру сгорания через теплообменник, отделяют часть потока, направляют его в обход теплообменной матрицы в качестве охлаждающей среды в лабиринтную сеть каналов, сформированную в горячей щеке теплообменника с выходом в его внутреннюю осевую полость, и по выходу из нее до подачи в камеру сгорания смешивают с выходящим из теплообменника основным потоком рабочего воздуха, прошедшим теплообменную матрицу, отличающийся тем, что отделяемую часть потока рабочего воздуха, перед тем как смешать с основным потоком, дополнительно нагревают путем осуществления рекуперативного теплообмена этого потока с потоком отработавших газов, имеющих изначальную затурбинную температуру, используя последние в качестве внешнего теплоносителя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс ведут с обеспечением охлаждения стенок каркаса путем отбора из каждого направляемого в теплообменную матрицу основного потока теплообменивающихся газообразных сред определенной части потока, который после его предварительного охлаждения направляют в продольные каналы матричного теплопередающего пакета, примыкающие к стенкам каркаса теплообменника.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс ведут с обеспечением охлаждения стенок каркаса путем их обдува по каналам, образованным стенкой и наружной стороной конусного теплопередающего пакета.