微型燃气轮机回热器研究

1、微型燃气轮机回热器微型燃气轮机回热器 实验系统建设实验系统建设 回热器研究概述回热器研究概述 0、微型燃气轮机及回热循环、微型燃气轮机及回热循环 pratt & whltney公司的微型燃气轮机 rated power: - iso day, (59f,15) : 400kw - hot day, (95f,35 ) : 333kw thermal efficiency - recuperated : 30% - simple cycle: 22% powerworks公司70kw的燃气轮机 回热器 powerworks公司热电联供系统示意图 微型燃气轮机的主要技术参数微型燃气轮机的主要技术参

2、数 生产厂生产厂电功率电功率 kwkw 效率效率 % % 压压 比比 进温进温 c c 出温出温 c c 排温排温 c c 排放排放 noxnox 功率功率 kwkw a l l i e d a l l i e d signalsignal 757528.528.53.73.79309306506502402402525ppmppm7575 bowmanbowman454522.522.54.34.365065030530535-20035-200 capstonecapstone30303.23.284084027027024-25024-250 e l l i o t t / e l l

3、i o t t / gege 45453030 3163169 9ppmppm45,80,245,80,2 0000 nrecnrec（样机）（样机）707033333.33.3870870200200 30-20030-200 主要微型燃气轮机公司产品结构及性能比较主要微型燃气轮机公司产品结构及性能比较 公司公司回热器回热器功率（功率（kwkw）发电效发电效 率率 联合循环联合循环 效率效率 估计费估计费 用用 （$/$/kwkw） a l l i e d a l l i e d signalsignal 平 板平 板/ / 肋肋 片式片式 5050，7070， 200200 30%+30%

4、+60-75%60-75%350350 allisionallision engineengine 有回热有回热5050，25025030%30%225225- -350350 capstoncapston圆柱型圆柱型303026-30%26-30%500700m2/m3)，体积小，重量轻 压力损失5% 可靠性高，热变形小，寿命长 造价低（不超过原材料价格的1.5倍） 加工难易程度 重量 inairingas inairoutair tt tt , , 二、回热器的研究现状 回热器的结构 回热器的材料 1.回热器的结构 板翅式 主表面型 (1)(1)几种板翅式表面的几何形状几种板翅式表面的几何

5、形状 （2 2）主要的三种主表面型）主要的三种主表面型 cc（corrugated undulated surface）型 cu（corrugated undulated surface ）型 cw（cross wavy surface ）型 cross corrugated duct（cc型）结构 分配压差的分配压差的cc型结构型结构 已拆微燃机的回热器表面结构已拆微燃机的回热器表面结构 cu型（型（cross corrugated undulated） cw型型(cross wavy)结构结构 pore 90pore 90tm tm同心管结构 同心管结构 2.2.回热器的材料回热器的材料

6、回热器的材料应该满足以下几个要求回热器的材料应该满足以下几个要求 ： 长时间耐高温（目前由于采用不锈钢，最高温 度局限于600-650） 适宜于熔接或焊接 材料的塑造可通过冲压、模压或者折叠实现 抗热变形好，抗腐蚀性好 费用低 目前的回热器材料 不锈钢 高温金属 陶瓷材料 不锈钢 347型不锈钢 研究工作正努力使其寿命在600- 650下，向30000小时接近 utriainen对高温金属的实验（100m） 实验的四种材料 321型不锈钢（fe-17%cr-11%ni-0.3%ti） incornel 625（ni-21%cr-9%mo-4%fe-4%nb） haynes 合金214（ ni-

7、16%cr-4%al-3%fe） plansee 合金pm2000（fe-19%cr-5%al-0.4%ti-0.5y2o3） 抗热变形性 在750的空气中，压力为100mpa，后三种合金的变 形都很小，特别是pm2000在875时也能保持良好的 性能（1300多小时） 抗腐蚀性 incornel 625在700-800时有足够的抗氧化能力 而haynes214和pm2000都可以使用在900 的环境下 注：pm2000有很多突然失败的例子 实验的结果（以321型不锈钢为基准） utriainen对高温金属的实验（100m） 3 3、回热器的研究工作还应该包括、回热器的研究工作还应该包括 对于

8、金属材料和陶瓷材料都要改善它们的高温 性能（对陶瓷材料还应包括抗热和抗化学腐蚀） 寻找新技术以更低成本来制造金属和陶瓷回热 器 通过减小当量直径和应用增强热交换技术来增 加紧凑度 以“标准化思想”来设计回热器部件 国外实验研究的新型主表面式回热器结构 德国研制、并已实验研究的新型回热 器结构模型的金属冲压和折叠过程 rekuperator svenska ab研制的完全激光 焊接的主表面逆流式回热器 rsab的主表面逆流式回热器性能 （紧凑度大于1600m2/m3 ） 空气室内的流速 效率 空气室内的流速 总相对压损 100kw热电联供系统的微型 燃气轮机上的回热器 pore 90tm回热器流

9、动简图 powerworks 公司的回热器外形图 三、实验装置上可能做的三、实验装置上可能做的 研究工作研究工作 研究工作1 回热器效率小时对整个机组效率的提高效果不大， 只是增加了机组的费用，但当回热器的效率增大到一 定值时，继续增大效率会使机组的代价飞速增加。 存在一个最佳的效率值，对提高机组效率而且增加的 费用也合理，另外，增加回热面积会提高回热器的效 率，那么在回热器的面积面积、传热系数传热系数以及效率效率之间应 该存在一个最优值最优值。 研究工作2 反映回热器性能的指标有很多，能否找 到一个综合指标综合指标？ 若能，如何寻找？如何能反映出应用于 不同情况时的不同的侧重要求 已有的实验

10、都是只对各种型面的某一种或相似 的某几种尺寸进行实验，有的结果还不公开， 现有资料关于记载针对我国具体情况的实验不 多，因而有必要做一些进一步的实验研究。实验研究。研 究传热系数k与阻力系数的最佳值。 研究工作3 根据国内实际情况，做几种结构形式的回热器， 在新建的实验装置上进行热性能实验。 研究工作 研究工作4 四、回热器实验系统设计参数 （以60kw为设计依据） 燃气侧入口最高设计温度600 空气侧入口最高设计温度210 设计最大气流量为0.5kg/s 系统能承受最大系统阻力50kpa（以压缩比4.8、 回热器最大相对压降5%考虑） 高压侧空气以常压模拟。 re: 2002250 在低压下

11、只是温度的函数，维持质量流量 不变即可满足。 ,约每巴增加1% 童景山，童景山，流体的热物理性质流体的热物理性质，中国石化出版社，中国石化出版社 luul re trp g hl nu *t100 microturbine chp system 微燃机进口参数：950，4.5 bar 微燃机出口参数：约650，环境压力 回热器出口温度：270 废气温度：85 空气流量：0.8 kg/s ( 0.9 kg/s for ventilation ) 发电效率：30%； 总效率：78% 燃料气体要求燃料气体要求： 压力（最小/最大）：6.0 / 8.5 bar； 温度（最小/ 最大）：0 /60 ca

12、pstone 30 压比：3.2 燃料供应压力：415kpa (表压） capstone 60 燃料供应压力：570kpa (表压） 板翅式表面的优、缺点板翅式表面的优、缺点 优点： 可以承受比较大的内部压差 当量直径比较小 缺点： 体积比主表面式大 在增强回热效果的同时带来很大的压损有 些情况下得不偿失 cc型结构的特点 实验结果表明，对于特定的燃气轮机回 热器来说，cc型结构的体积最小，重量 最轻 直波纹式cc型会比较容易通过自动化的 冲压、锻压和折叠而制造 cc型结构换热器的体积将比任何一种目 前商业领域中可以得到的换热器体积更 小，重量更轻 cu型结构的特点 cu型结构要比简单的直管型

13、结构的性能好 cu型换热器的性能与结构的几何参数，比如 波纹和扰动方向之间的夹角以及皱纹的内部 高度都有很大的关系 cu结构的主要缺点是需要两种不同的板型， 这使换热器加工量增加，成本上升 cw型结构的特点 cw型结构要比简单的直管型结构的性能 好 在生产过程中，波浪型是通过折叠形成 的，不能模压和锻压，以免发生破裂 和cw型比较相似的tcw型结构 tcw型的性能要优于直管型结构 制作过程的限制（锋利的拐角不易通过压制得 到），对于小尺寸的管道不大现实 tcw结构的性能,强烈地依赖于与几何尺寸 pore 90tm回热器的优点 回热效率达到90%，合适的尺寸以及最低的造价 回热器流动形式为逆流，环形流道，避免热短路 回热器高、低压两侧的压降小 应力小，能够使用价格低的材料 回热器能自由膨胀和压缩，避免了由温度梯度产生的 热应力 这种回热器结构制造时不