ИСПЫТАНИЯ РЕКУПЕРАТОРА И ТУРБОГЕНЕРАТОРА «ГАГЛИ» В РЕЖИМЕ ВОЗДУШНОГО ХОЛОДИЛЬНОГО АГРЕГАТА

Теплообменники – это агрегаты, позволяющие передавать тепловую энергию от одного потока теплоносителя другому, поэтому они являются неотъемлемой частью практически любой холодильной или криогенной установки. Осуществлены тестовые испытания пластинчатого теплообменника рекуперативного типа, изготовленного фирмой «НОЭМИ»; внешний вид рекуператора представлен далее на 3D-модели:

Исследования рекуператора проведены совместно с высокоскоростным турбогенератором на газовых подшипниках «ГАГЛИ», предварительно рекуператор был надежно закрыт со всех сторон теплоизоляционными материалами. Источником воздуха являлся винтовой компрессор, расположенный в соседнем помещении и обеспечивающий расчетный расход при давлении в подводимой магистрали не менее 6 бар; в комплект винтового компрессора входили концевой охладитель и адсорбер – необходимые агрегаты для охлаждения и осушки подаваемого воздуха.

Первоначально воздух проходит через одну из полостей рекуператора; далее в так называемый «теплообменник нагрузки» (в реальной холодильной установке теплообменник нагрузки необходимо разместить в холодильной камере); затем в турбинную ступень турбогенератора, где и «вырабатывается холод»; и, наконец, охлажденный воздушный поток поступает во вторую полость теплообменника – при этом осуществлялось «возвращение» (т.е. рекуперация) холода обратно в цикл.

Для определения характеристик рекуператора в ходе испытаний фиксировались температурные перепады по потокам t1…t2 и t3…t4; работа турбогенератора оценивалась по перепаду температур на турбинной ступени tвх…tвых; по ходу воздушного потока контролировались также и давления. «Тормозом» для турбинной ступени являлся генератор, вырабатывающий электроэнергию, которая утилизировалась батареей кварцевых ламп накаливания; для «полноты картины» – измерялись напряжение и ток в электрической нагрузке, температуры подшипниковых узлов и обмоток генератора, а также частота вращения ротора.

Полученные в ходе испытаний характеристики рекуператора хорошо совпали с заявленными Изготовителем параметрами. Однако особый интерес представляли испытания турбогенератора в режиме холодильного агрегата: удалось достигнуть на входе в турбинную ступень температуры воздушного потока –80 градусов, и на выходе из турбинной ступени –110 градусов. Таким образом, применение рекуператора позволило получить более значительный уровень холода: –110 градусов на выходе из турбины, в то время как без рекуператора было достигнуто только –(50…60) градусов, см. результаты предыдущих испытаний ИСПЫТАНИЯ В ГЕНЕРАТОРНОМ РЕЖИМЕ.

К сожалению, не удалось добиться снижения температуры в самой холодной точке цикла ниже –110 градусов. Анализ результатов и математическое моделирование показало, что невозможность процесса дальнейшего захолаживания явилась результатом недостаточной осушки воздуха адсорбером (требуется проведение регламентных работ с заменой цеолита), и отсутствия теплоизоляции турбинной ступени (изолировались только измерительные участки магистралей); кроме этого, испытания осуществлялись по так называемой «открытой схеме».

Тем не менее, имеется полная уверенность, что после устранения выявленных недостатков (доработка конструкции турбогенератора с установкой теплоизоляционных прокладок между проточной частью и ходовой частью генератора; применение внешней теплоизоляции турбины; осуществление регламентных работ на оборудовании с заменой цеолита) – можно будет увеличить полезную холодопроизводительность до величины не менее 7 кВт при уровне –110 градусов, или получить криогенный «азотный» уровень температур, т.е. до –196 градусов Цельсия при некотором снижении холодопроизводительности.

На видеоролике показаны одновременные испытания рекуперативного теплообменника и турбогенератора на газовых подшипниках в режиме холодильного агрегата. Представлены: пробный запуск машины без воздуха, запуск изделия с регулировками режимов, останов турбомашины; в качестве «тормоза» генератора применялась батарея ламп накаливания; частоты вращения ротора составляли 65…78 тыс.об/мин, температуры на входе в турбинную ступень достигли –80 градусов, на выходе из турбинной ступени –110 градусов; в последнем эпизоде на видео показан отогрев теплообменника нагрузки.

2020 г.

Ключевые слова:

Теплообменник, рекуператор, высокоскоростной турбогенератор на газовых подшипниках, холодильный агрегат, турбодетандер с электрическим тормозом, газовые подшипники, foilbearings.