maplantsМашины и установки: проектирование, разработка и эксплуатацияMachines and Plants: Design and Exploiting2412-592XМОО "Стратегия объединения"maplants-38Research ArticleМАШИНОВЕДЕНИЕMACHINE SCIENCEВлияние состава рабочего тела на объём теплообменных аппаратов замкнутой газотурбинной установкиFluid Composition Impact on Heat Exchangers Volume of Closed-Cycle Gas Turbine PlantШафиковГ. А.ShafikovG. A.

Moscow

88347@mail.ruМГТУ им. Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation201607092016022537Copyright © Шафиков Г.А., 20162016Шафиков Г.А.Shafikov G.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.maplants-journal.ru/jour/article/view/38

В работе проанализированы области применения замкнутых газотурбинных установок и показаны их основные недостатки. Обоснованы принципы выбора теплообменных поверхностей в рекуператоре, охладителе и подогревателе. Получены зависимости коэффициентов теплопроводности и вязкости гелий-ксеноновой смеси от температуры и процентного содержания гелия. Проанализировано влияние состава смеси на параметры потока теплоносителя в подогревателе. Выполнена оценка влияния состава рабочего тела ЗГТУ на объёмы теплообменных аппаратов и показано, что определяющим в теплообменных аппаратах ЗГТУ является подогреватель, массогабаритные параметры которого значительно превосходят охладитель и рекуператор. Выбран оптимальный состав смеси для получения минимальной массы и стоимости теплообменного оборудования ЗГТУ. DOI: 10.7463/aplts.0216.0837906

The paper subject is a choice of the fluid composition for the heat exchangers (HE) of a closed-cycle gas turbine plant (CGTP).

The study of the fluid composition impact on heater dimensions is a subtask in designing a 25 kW long-resourced CGTP with gas temperature of 1273 K before the turbine for a remote autonomous consumer of energy. The aim of this study is to find the optimal mixture to have the HE minimum volumes of the CGTP. Herein, heating is provided through the heat supply from the combustion of various cheap kinds of fuel, which, in turn, may result in contaminating heat exchange surfaces. In the analysis an additional condition is that it is necessary to reduce the level of contamination of heat exchange surfaces, which is reached by using a HE tubular matrix and a turbulent regime of flow.

A mixture of inert gas and helium- xenon is used, as a fluid, to increase the life of the plant. The paper illustrates how the thermal conductivity and viscosity of the helium-xenon mixture depend on the percentage composition of helium in the mixture.

The paper describes in detail the effect of the helium-xenon mixture composition on the mixture flow parameters in the preheater and on the volume of its matrix. In addition, it gives the calculation results on how the helium-xenon mixture composition effects on the volumes of the regenerator and cooler matrices.

After assessing the impact of the helium-xenon mixture composition on the HE parameters their comparison is conducted in terms of volume and cost of materials from which to make them. From these data a conclusion is drawn that the heater volume has a great effect on the cost of heat exchange equipment, and it is advisable to choose the mixture composition with which its volume is minimal.

теплообменный аппаратзамкнутая газотурбинная установкасвойства гелий-ксеноновой смесиобъём теплообменного аппаратаproperties of a helium-xenon gas mixtureclosed-cycle gas turbine plantheat exchangervolume of the heat exchangerReferencesАрбеков А.Н., Леонтьев А.И., Самсонов В.Л., Суровцев И.Г., Каторгин Б.И., Чванов В.К., Кашкаров А.М., Елисеев Ю.С., Трдатьян С.А., Бабаев И.Г. Безъядерная энергетика пилотируемой экспедиции на Марс //Известия Российской академии наук. Энергетика. 2002. № 4. С. 3-12.Arbekov A.N., Leont'yev A.I., Samsonov V.L., Surovtsev I.G., Katorgin B.I., Chvanov V.K., Kashkarov A.M., Eliseev Yu.S., Trdat'yan S.A., Babaev I.G. Denuclearized energetics of manned flight to Mars. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Energetika = Proceedings of RAS. Power Engineering, 2002, no. 4, pp. 3-12. (In Russian).Манушин Э.А., Бекнев B . C , Осипов М.И., Суровцев И.Г. Ядерные газотурбинные и комбинированные установки. М.: Э нергоатомиздат. 1993. 272 с.Manushin E.A., Beknev B.C, Osipov M.I., Surovtsev I.G. Yadernye gazoturbinnye i kombinirovannye ustanovki [Nuclear gas-turbine and integrated units]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1993. 272 p. (In Russian).Стерман Л.С., Тевлин С.А., Шарков А.Т. Тепловые и атомные электростанции. 2-е изд., перераб. и доп. М: Энергоздат. 1982. 457 c.Sterman L.S., Tevlin S.A., Sharkov A.T. Teplovye i atomnye elektrostantsii [Thermal and nuclear power station]. Moscow, Energozdat Publ., 1982. 457 p. (In Russian).Арбеков А.Н. Автономная долгоресурсная малообслуживаемая замкнутая газотурбинная установка, работающая на органическом топливе // Вестник СГАУ. № 3-2(34). Спец. вып. Самара, 2012. С. 307-312.Arbekov A.N. Off-line long-life unservice close gas organic fuel-powered turbine. Vestnik SGAU = Vestnik of the Samara State Aerospace University, 2012, no. 3-2(34), spec. iss., p. 307-312. (In Russian).Елисеев Ю.С, Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Осипов М.И., Суровцев И.Г. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок: учеб. для втузов. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. 635 с.Eliseev Yu.S, Manushin E.A., Mikhal'tsev V.E., Osipov M.I., Surovtsev I.G. Teoriya i proektirovanie gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok [Theory and development of gas-turbine and integrated units]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2000. 635 p. (In Russian).Леонтьев А.И., Арбеков А.Н., Бурцев С.А., Голубев С.В. Теплохладоэнергетический агрегат. Патент на полезную модель РФ № 123069, МПК F01K25/10.20.12.2012.Leont'yev A.I., Arbekov A.N., Burtsev S.A., Golubev S.V. Teplokhladoenergeticheskiy agregat [Heat-and-cool power aggregate]. Patent RF no.123069, MPK F01K25/10.20.12.2012.Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки последовательной схемы // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа:http://technomag.bmstu.ru/doc/359008.html (дата обращения 28.01.2016).Arbekov A.N., Burtsev S.A. Research of the working cycle of a closed gas turbine in a trigeneration unit operating on a sequential scheme. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2012, no. 3, pp. 1-14. Available at: http://technomag.bmstu.ru/doc/359008.html (accessed: 28.01.2016). (In Russian).Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки параллельной схемы // Тепловые процессы в технике. 2012, Т. 4 № 7. С. 326-331.Arbekov A.N., Burtsev S.A. Research of closed gas turbine cycle of a trigeneration unit operating on parallel schema. Teplovye protsessy v tekhnike = Thermal Processes in Engineering, 2012, vol. 4, no. 7, pp. 326-331. (In Russian).Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С. 314-329. DOI:10.7463/0514.0710811.Burtsev S.A., Kochurov D.S., Shchegolev N.L. Investigation of the helium proportion influence on the Prandtl number value of gas mixtures. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 5, pp. 314-329. (In Russian). DOI: 10.7463/0514.0710811Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния состава бинарных смесей инертных газов на их теплофизические свойства // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 11. С. 217-237. DOI: 10.7463/1115.0822897.Burtsev S.A., Kochurov D.S., Shchegolev N.L. Investigating the effect of the binary mixtures composition of noble gases on their thermodynamic and transport properties. MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2015, no. 11, pp. 217–237. (In Russian). DOI: 10.7463/1115.0822897Иванов В.Л., Леонтьев А.И., Манушин Э.А., Осипов М.И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. М.: МГТУ им. Баумана. 2003. 591 с.Ivanov V.L., Leont'yev A.I., Manushin E.A., Osipov M.I. Teploobmennye apparaty i sistemy okhlazhdeniya gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok [Heat-exchange apparatuses and cooling systems of gas-turbine and integrated units]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2003. 591 p. (In Russian).Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Олимпиев В.В., Щелчков А.В., Каськов С.И. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Казань: Центр инновационных технологий. 2009. 531 c.Gortyshov Yu.F., Popov I.A., Olimpiev V.V., Shchelchkov A.V., Kas'kov S.I. Teplogidravlicheskaya effektivnost' perspektivnykh sposobov intensifikatsii teplootdachi v kanalakh teploobmennogo oborudovaniya [Thermohydraulic efficiency of promising methods of heat transfer augmentation in heat-transfer equipment channels]. Kazan': “Tsentr innovatsionnykh tekhnologiy” Publ., 2009. 531 p. (In Russian).Афанасьев В.Н., Бурцев С.А., Егоров К.С., Кулагин А.Ю. Цилиндр в пограничном слое плоской пластины // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № 2. С. 3-22.Afanas'yev V.N., Burtsev S.A., Egorov K.S., Kulagin A.Yu. Cylinder in boundary layer of flat plate. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie = Ser. Mechanical Engineering, 2011, no. 2, pp. 3-22. (In Russian).Кэйс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники . М.: Государственное энергетическое издательство. 1962. 160 с.Keys V.M., London A.L. Kompaktnye teploobmenniki [Compact heat-exchange units]. Moscow, “Gosudarstvennoe energeticheskoe” Publ., 1962. 160 p. (In Russian).Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1998. 408 с.Kalinin E.K., Dreytser G.A., Kopp I.Z. Effektivnye poverkhnosti teploobmena [Effective heat-transfer surfaces]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1998. 408 p. (In Russian).Бурцев С.А., Киселёв Н.А., Леонтьев А.И. Особенности исследования теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. №. 6. С. 895-898. DOI: 10.7868/S0040364414060052.Burtsev S.A., Kiselev N.A., Leont'yev A.I. Osobennosti issledovaniya teplogidravlicheskikh kharakteristik rel'yefnykh poverkhnostey. Teplofizika vysokikh temperatur, 2014, vol. 52, no. 6, pp. 895-898. (In Russian). DOI: 10.7868/S0040364414060052. (English version of journal: High Temperature, 2014, vol. 52, no. 6, pp. 869-872. DOI: 10.1134/S0018151X14060054)Ligrani P.M., Oliveira M.M., Blaskovich T. Comparison of Heat Transfer Augmentation Techniques // AIAA Journal, 2003. V. 41, No. 3. P. 337-362.Ligrani P.M., Oliveira M.M., Blaskovich T. Comparison of Heat Transfer Augmentation Techniques. AIAA Journal, 2003, vol. 41, no. 3, pp. 337-362.Бурцев С.А., Виноградов Ю.А., Киселёв Н.А. Стронгин М.М. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поверхностей с коридорным расположением лунок // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 5. C. 348-369. DOI: 10.7463/0515.0776160.Burtsev S.A., Vinogradov Yu.A., Kiselev N.A. Strongin M.M. Experimental study of thermo-hydraulic characteristics of surfaces with in-line dimple arrangement. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2015, no. 5, pp. 348–369. (In Russian). DOI: 10.7463/0515.0776160Бурцев С.А., Васильев В.К., Виноградов Ю.А., Киселёв Н.А., Титов А.А. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 1. С. 263-290. DOI: 10.7463/0113.0532996.Burtsev S.A., Vasil'yev V.K., Vinogradov Yu.A., Kiselev N.A., Titov A.A. Experimental study of parameters of surfaces coated with regular relief. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2013, no. 1, pp. 263-290. (In Russian). DOI: 10.7463/0113.0532996Киселев Н.А., Бурцев С.А., Стронгин М.М. Методика определения коэффициентов теплоотдачи поверхностей с регулярным рельефом // Метрология. 2015. № 3. С. 34 - 45.Kiselev N.A., Burtsev S.A., Strongin M.M. Method for estimation heat-loss coefficients of surfaces with regular profile. Metrologiya, 2015, no. 3, pp. 34-45. (In Russian).Шафиков Г.А. Интенсификация теплоотдачи при помощи лунок и накатки на поверхности теплообмена // Молодёжный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015, № 4. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/775066.html (дата обращения: 25.02.2016).Shafikov G.A. Heat transfer intensification by means of dimples and knurl on heat cooling surface. Molodezhnyy nauchno-tekhnicheskiy vestnik. MGTU im. N.E. Baumana = Electronic periodical youth scientific and technical bulletin, no. 4, 2015. (In Russian). Available at: http://sntbul.bmstu.ru/doc/775066.html (accessed: 25.02.2016).Мунябин К.Л. Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы // Теплофизика и аэромеханика. 2003. Т. 10. №. 2. С. 235-247.Munyabin K.L. Effectiveness of spherical recesses and bulges as heat-transfer intensifiers. Teplofizika i aeromekhanika = Thermophysics and Aeromechanics, 2003, vol. 10, no. 2, pp. 235-247. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.