微型燃气轮机回热器换热表面的对比研究

采用高效紧凑式换热器是近年来微型燃气轮机发展取得成功的关键技术之一。本文在燃机参数给定情况下,通 过对三种换热表面进行热力计算和分析,结果表明,CC原表面在紧凑式换热器中具有较强的应用潜力。此外,还就温差 对压损的影响及燃气旁通量对回热度的影响进行了研究。

紧凑型回热器型面换热及阻力特性研究

采用瞬变测试方法,对5种用于微型燃气轮机中具有高紧凑度的板翅式及一次表面回热器型面的换热特性和阻力特性进行了实验研究,获得了换热表面传热因子j和摩擦因子f的关联式,并对所得到的结果进行了分析和比较.

微型燃气轮机CW原表面回热器流动与换热的试验研究

本文试验研究了交错波纹(Cross Wavy,简称CW)原表面回热器在低雷诺数范围内的流动与传热性能,通过对燃气进、出口不同测点温度测量,研究了燃气不均匀性对换热性能的影响,采用等流量法从总传热系数k中分离出两侧表面传热系数h,获得了有工程应用价值的Nu-Re及f-Re准则关系式。

原表面回热器换热阻力特性试验研究

本文对研制加工的适用于100 kW微型燃气轮机的CW(Cross Wavy)原表面回热器进行了试验研究,通过对两侧流体进、出口温度、压力等的测量,重点分析了燃气流量、入口温度及空气进口压力变化对换热阻力的影响,得出了在变工况下回热器的流动与换热性能规律,结果表明:所研制的CW原表面回热器空、燃气两侧换热均匀,提高了换热效率,两侧压降都有不同程度降低,并得出了有工程应用价值的Nu-Re及f-Re准则关系式,可为原表面回热器的设计制造提供参考。

一次表面回热器的流动和传热研究

对一次表面回热器的流动和传热特性进行了试验研究和理论评价,获得了有工程价值的k-u和f-u试验曲线以及经验计算公式。指出对于当量直径为1mm左右的一次表面回热器不宜采用工业级通道而应使用微小通道的准则式,才能较为准确地评估其热性能。对比分析一次表面回热器的明显优点:质量轻,紧凑性好,传热效率高,占地面积和占用空间小以及热响应快,具有管壳式、板翅式等传统换热器无法比拟的性能和价格优势。

微燃气轮机环型回热器数值模拟及实验研究

基于层流的假设运用计算流体动力学方法对微型燃气轮机环型回热器交错波纹原表面通道两侧流体耦合换热与流动特性进行数值模拟及实验研究.结果表明,数值计算结果和实验结果之间的误差在允许的范围内.在此基础上,通过改变通道结构进一步研究其传热及流动特性,为回热器设计提供参考.

船用燃气轮机一次表面回热器的设计分析

提出了一种新型紧凑式回热器———一次表面回热器(PSR)的设计技术。结合船用ICR燃气轮机一次表面回热器的研发,简述PSR的结构特点及其设计计算的理论依据,并给出了设计算例。研究表明,一次表面回热器具有极高的紧凑性和卓越的换热性能,因而这种先进的热交换装置必将替代那些常规的热交换器,在船用动力装置及先进热工程设施中发挥重要作用。

微型燃气轮机用CW原表面回热器蠕变分析

高效紧凑式微型燃气轮机用原表面回热器,长期处于高温高压工作环境,换热片材料会随着工作时间延长而发生不可恢复的塑性变形(即蠕变).发生蠕变后,气流通道变形严重,气流流通不畅,甚至会造成换热片破裂,导致回热器报废.本文应用隐式蠕变Norton方程分析了CW(Cross Wavy)原表面回热器在工作条件下运行40000 h后的蠕变情况,验证了换热器材料的可靠性,发现空气和燃气通道的压差是产生蠕变的主要原因,并提出了合理的压差范围和有效预防蠕变的通道结构型式,通过对不同材料蠕变情况的对比,建议回热器应选用含有抗蠕变金属Nb的不锈钢材料制造.

PSR波纹板片的热强度分析

提出一种新型紧凑式回热器———一次表面回热器(PSR)的强度设计技术。结合船用ICR燃气轮机一次表面回热器研发,以3.7MW燃气轮机为背景,根据热弹性力学和传热学理论,建立PSR板片热强度分析物理数学模型,并对波纹曲线为椭圆、正弦波和抛物线的3种常见波纹传热板片所受热应力做了对比计算,分析了板片厚度,两侧压差,本身温度及形状对板片热强度的影响。给出基于VonMise等效应力极值σvmax的板片最小设计厚度δmin,还研究了波纹板片在典型工况下的弹性变形情况。本文工作对PSR的结构设计有重要参考价值。

一次表面回热器通道流动阻力与传热增强因子的确定

基于一次表面回热器(PSR)通道的独特构型,提出可以引入增强因子fξ和fk的概念来直观描述PSR通道的复杂流动和传热特点。对典型50 kW微型燃机20∶1 PSR缩比实验件的流动和传热特性进行了测定。根据这种先进热交换器固有的结构和流动特点——冷、热通道的湿边周长lc=lh,冷、热通道的质量流量Gc≈Gh以及流动Reh≈Rec,获得层流下PSR的fξ和fk随流动Re变化的经验计算式。联立增强因子fξ和fk以及已有的小当量直径de≈1 mm通道层流阻力和换热关系式,可以方便地计算PSR的流动和对流换热规律,进而获得PSR的传热系数k,最后快捷完成新型间壁式PSR的热设计分析工作。

三种通道形面下PSR热性能的比较分析

以3 7MW燃气轮机为背景,根据已有的微小通道试验数据和理论,对椭圆、正弦波和抛物线三种形面波纹通道的PSR热性能作了对比计算和分析。结果表明,在同样波高2b及波宽2a时,上述三种形面中的正弦波形通道相对具有较大的传热效果和可以接受的压降损失。影响PSR热性能的重要因素不是几何形状而可能是几何尺寸,这对PSR通道形面的设计及其优化目标函数的认定有重要价值。

微型燃机一次表面回热器全程通道三维数值模拟

基于层流假设,对微型燃机一次表面回热器(PSR)波纹状全程通道的换热特性和压力损失进行了三维数值模拟计算,并将模拟结果与经验公式计算结果进行了比较.数值模拟结果表明,一次表面回热器的换热特性和压力损失值与雷诺数及波纹的结构尺寸有关.换热特性随着雷诺数的增加、通道宽高比的减小而逐渐增强,阻力损失则随着雷诺数、通道宽高比的增加而明显增大.当回热器部分流量工作时,回热度升高.

一次表面换热器的场协同分析

在微型燃气轮机高效紧凑式回热器关键技术研究背景下,对具有正弦形波纹通道的一次表面换热器开展了传热与流动的数值模拟,并重点针对换热器不同的流动交错角(θ)和宽高比(P/H)做了场协同问题的计算和分析.数值计算表明,场协同原理同样可以指导一次表面换热器的换热强化,并指明未来结构优化的方向.

微型燃气轮机圆筒原表面回热器的性能试验研究

对微型燃气轮机圆筒形原表面式回热器的传热与流动性能进行了试验研究.利用计算机控制检测传热性能试验台对该回热器在①两侧流量相等、改变两侧温度及②固定两侧温度,改变系统质量流量的情况下进行了传热性能和阻力性能试验.结果表明:随着质量流量的增加,回热器的传热系数增大,传热量逐渐增加,回热器的两侧压降也增大;在等流量时,回热器两侧的压降有所不同,高压低温侧压降比低压高温侧压降大,但低压高温侧压降增加较快,因此在设计回热器时必须重视两侧压降的变化情况,根据试验结果得出了传热和阻力随工况改变的变化趋势.

CW原表面回热器的芯体内流动与传热数值模拟

为了进一步优化微型燃气轮机中回热器的结构,本文对小燃气轮机CW原表面回热器的芯体结构内的流动与传热规律进行了三维数值模拟。结果表明,当回热器的空气总流量和燃气总流量一定时,回热器芯体内的压损和回热度随着波纹板层数的增多而降低;增大燃气进口面积与空气进口面积比可使回热度增加,空气侧压损增加,燃气侧压损减小。模拟结果为CW原表面回热器的进一步优化设计提供了参考依据。

复式波纹板型一次表面回热器传热及阻力特性的研究

采用单吹瞬变法对自行设计的3种CU型一次表面回热器的传热与阻力特性进行了试验研究．建立了数学模型，由数值解求得流体的出口温度与时间及传热单元数NTU间的函数关系．通过配比，获得了换热表面在测定工况下的NTU值．在紧凑式回热器常用的Re=200～800范围内，获得3种CU表面的j因子和f因子的试验关联式．换热面当量直径仅为1．35～1．48mm，属微小尺度，交错角为52．5°～67．5°．采用综合评价因子j／f对3种表面的性能进行了分析，结果表明1号试件表面具有较佳的性能．经误差分析，所提供的实验关联式的拟合误差不大于16％，具有足够的工程精度．

一次表面回热器动态特性的数值模拟与实验研究

对一次表面回热器(Primary Surface Recuperator,PSR)流量阶跃变化时的动态特性进行了数值分析和实验研究。根据能量守恒原理和一次表面回热器(PSR)的结构特点,导出回热器冷热流体和固体间壁非稳态温度变化的微分方程式,研究流体流量发生阶跃变化时PSR的响应时间。在冷热空气进口参数和换热量相同的条件下,当冷热侧流量分别增加为原来3倍的情况下,PSR的响应时间只有管壳式换热器的1/8,板翅式的1/3。数值分析结果与实验结果相符。由于PSR的固体壁面时间常数远小于板翅式和管壳式回热器,因此这种轻重量结构的先进回热器响应特性明显优于常规回热器。

船用燃气轮机性能元件蠕变寿命的有限元分析

以材料蠕变开裂为判别依据,利用有限元方法和拉森-米勒方程及迈纳损伤累计理论,分析了一次表面回热器(PSR)性能元件的高温蠕变规律,以研究这种构思独特的波纹状薄板蠕变寿命的评估方法。发现PSR性能元件蠕变最恶劣的位置在相邻小波纹压力通道的上下波纹板片接触点附近。分析PSR的板片元件尺寸δ,两侧压差ΔP及工作温度Tm对其蠕变寿命的影响,给出了各种压力和温度载荷下不同厚度304号不锈钢传热元件的蠕变寿命τR,以及基于工作寿命为105h的元件最小设计厚度mδin。研究结果对船用间冷回热循环燃气轮机系统中PSR的结构设计和其工作寿命评估具有参考价值。

一次表面回热器瞬态响应特性的数值分析

基于能量守恒原理,根据一次表面回热器(PSR)的结构、流动特点,导出它的瞬态温度变化物理模型和数学方程式。研究温度和流量发生阶跃变化时PSR的响应特性,还分析了PSR波纹板片的数目n、波纹板片的长度L、宽度W和厚度等各几何参数以及波纹通道的形状对温度响应时间的影响。比较研究表明,由于PSR的固体壁面时间常数远小于板翅式和管壳式换热器。因此,这种轻重结构的换热器响应特性明显优于常规热交换器,非常适用于那些要求机动多变、灵敏反应的舰船燃气轮机或车用内燃机等动力装置。

舰用ICR燃气轮机PSR瞬态响应特性的数值分析

基于能量守恒原理和PSR(一次表面回热器)的结构特点,导出回热器冷热流体和固体间壁非稳态温度变化的微分方程式;利用直观的流动扰动因子M修正传热系数k,研究热流体进口温度和流量发生阶跃变化时PSR的响应时间;还分析了PSR传热波纹板片的数目n、几何尺寸及通道波纹形状对温度响应时间的影响。研究结果表明,由于PSR的固体壁面时间常数远小于板翅式和管壳式换热器,因此这种轻重结构的先进换热器响应特性明显优于常规热交换器,特别适用于那些要求机动多变、反应灵敏的舰船和车用燃气轮机动力装置。