Совершенствование теплообменных систем турбогенераторов с целью повышения их эффективности

Abstract

Целью настоящей работы является определение параметров, характеризующих эффективность работы теплообменника турбогенератора, и разработка рекомендаций по ее повышению за счет совершенствования конструкции и внутренней компоновки теплообменника при разных режимах эксплуатации, диапазонах изменения электромагнитных нагрузок при разных видах охлаждающей среды (воздух, водород, вода). В работе использованы результаты исследований теплового состояния турбогенераторов зарубежных и отечественных авторов, где отмечено, что мировой экономический кризис усложнил возможность своевременной замены турбогенераторов, отработавших срок эксплуатации, поэтому наиболее часто применяется частичная замена и/или модернизация. При этом на всех электромашиностроительных заводах мира задачу повышения мощности турбогенераторов решают без изменения их габаритов, что возможно только при совершенствовании систем охлаждения. Поэтому наши исследования выполнялись с условием сохранения наружных габаритов теплообменника и узла его соединения с турбогенератором. Были рассмотрены конструкции газоохладителей с разным числом секций и ходов движения охлаждающей среды (газа или воды), с различным расположением теплоотводящих элементов. Все расчеты выполнялись на базе турбогенераторов ТГВ 200-550 и ТА 35-120. Были предложены режимные и геометрические коэффициенты, которые позволяют учитывать вид охлаждающей среды и ее теплофизические показатели, диапазон изменения температуры и расход теплоносителя, давление на входе в охладитель, число ходов газа внутри теплообменника, площадь теплообменной поверхности трубок охладителя и вид их оребрения. Получены значения тепловых напряжений в корпусе теплообменников в зависимости от геометрии трубок охладителя и площади их поверхности на рабочем интервале температур. В результате исследований была достигнута поставленная в работе цель: получены режимные коэффициенты, которые могут служить критерием эффективности отвода тепла в теплообменнике при разных электромагнитных нагрузках турбогенераторов, при разных рабочих температурах и видах охлаждающей среды.The goal of this work is to define parameters that characterize turbogenerator heat exchanger efficiency and to develop recommendations for its increase by improving the heat exchanger design in different modes and ranges of electromagnetic loads for different cooling medium types (air, hydrogen, water). The paper uses the results of studies of the thermal state of turbogenerators of foreign and domestic authors, where it is noted that the global economic crisis has complicated the possibility of timely replacement of turbine generators that have expired, therefore partial replacement and/or modernization is most often used. At the same time, in all the electrical engineering plants of the world, the task of increasing the power of turbogenerators is solved without changing their dimensions, which is possible only with the improvement of cooling systems. Therefore, the outer dimensions of the heat exchanger and its connection node to the turbogenerator were preserved in our studies. Gas coolers with different sections and moves number of cooling medium and heat-removing elements arrangement were reviewed. Data of TGV-200-550, TA-35-120 turbogenerators were used in calculations. The regime coefficients, that allow to consider the type of cooling medium, thermophysical parameters, temperature changes, coolant rate, inlet cooler pressure, number of gas strokes inside the heat exchanger, cooler tubes’ heat exchange surface area and finning type were introduced. The heat exchanger thermal stresses were determined depending on the cooler tubes’ geometry and heat exchange surface area in the working temperature range.