Патент на изобретение №2310804

(54) ТЕПЛООБМЕННИК НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для промежуточного охлаждения воздуха и может быть использовано в энергетическом машиностроении. Теплообменник выполнен из одного или нескольких однотипных модулей, содержит корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб. Трубы установлены в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, и перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред. Секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения. Секции конденсации труб выведены за пределы корпуса. Тепловые трубы общей зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами и закреплены в соответствующих смежных стенках корпуса. Модуль дополнительно снабжен зеркально расположенным аналогичным корпусом с идентичным размещением и закреплением в нем пучков тепловых труб и общей зоной испарения. Каждый ряд тепловых труб дополнительного корпуса расположен между соответствующим ему рядом тепловых труб основного корпуса с образованием общих зон конденсации, расположенных в общем корпусе модуля. Общие зоны испарения и общие зоны конденсации модуля расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях по диагоналям общего корпуса модуля с образованием соответственно отдельных каналов для прохода каждой из теплообменивающихся сред. Изобретение обеспечивает повышение интенсификации теплообмена при уменьшении массогабаритных характеристик теплообменника. 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании воздухо-воздушных теплообменников на тепловых трубах для промежуточного охлаждения воздуха в многоступенчатом компрессоре, а также воздухоподогревателей на тепловых трубах для регенерации тепла отработавших продуктов сгорания газотурбинных установок стационарного и транспортного назначения.

Наличие теплообменников в виде воздухоподогревателей значительно повышает экономическую эффективность газотурбинной установки (КПД), но приводит к существенному росту их массогабаритных характеристик. Например, при использовании пластинчатого рекуперативного воздухоподогревателя удельная масса установки увеличивается в 2,5-3 раза, а трубчатого – в 5-8 раз (Арсеньев Л.В. и др. «Стационарные ГТУ», Справочник, Л., Машиностроение, 1989, стр.31, 32). Дальнейшее повышение к.п.д. установки возможно при промежуточном охлаждении воздуха в воздухо-воздушных теплообменниках между ступенями в многоступенчатых компрессорах и регенерацией теплоты уходящих газов (продуктов сгорания) («Энциклопедия», ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др., М., Машиностроение. Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен», Т.1-2, 2001, стр.198.). Поэтому уменьшение массы и габаритов воздушных теплообменников газотурбинных установок является весьма актуальной задачей. Эта задача решается, как известно, за счет интенсификации теплообмена в трактах теплообменников (Дрейцер Г.А. «Проблемы создания компактных трубчатых теплообменных аппаратов», Теплоэнергетика, 1995, №3, стр.11-18). Применение различных интенсификаторов теплообмена приводит не только к усложнению технологии и стоимости изготовления теплообменников, но и к увеличению гидравлического сопротивления в их трактах. Последнее повышает затраты энергии на собственные нужды газотурбинной установки, снижает ее КПД.

Известны теплообменники, содержащие корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб, установленными в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред, при этом секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения, а секции конденсации труб выведены за пределы корпуса, тепловые трубы зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами, закрепленными в соответствующих смежных стенках корпуса (А.с. SU №1437670 А2, МПК F28D 15/02, от 03.02.87 г., опубл. 15.11.88 г.; А.с. SU №1121576 А, МПК F28D 15/00, от 06.05.83 г., опубл. 30.10.84 г.).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменник, содержащий корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб, установленными в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред, при этом секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения, а секции конденсации труб выведены за пределы корпуса, тепловые трубы зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами, закрепленными в соответствующих смежных стенках корпуса (А.с. SU №1265454 А1, МПК F28D 15/02, от 08.01.85 г., опубл. 23.10.86 г.).

Недостатком известных конструкций теплообменников на тепловых трубах является невысокая эффективность теплообмена и, соответственно, низкая компактность при использовании газа в качестве теплоносителя в зонах конденсации вследствие отсутствия элементов конструкции, интенсифицирующих теплообмен. Интенсификация теплообмена в известных конструкциях теплообменников осуществляется только в одной зоне испарения за счет компактного (решетчатого) расположения тепловых труб, а в зонах конденсации менее эффективна из-за отсутствия решетчатой структуры поверхности теплообмена, в результате чего интенсификация с единицы поверхности теплообмена в этих зонах значительно снижена.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении интенсификации теплообмена при уменьшении массогабаритных характеристик теплообменника за счет уменьшения необходимой суммарной поверхности теплообмена.

Указанная техническая задача достигается тем, что в теплообменнике на тепловых трубах, выполненном из одного или нескольких однотипных модулей, включающих корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб, установленными в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред, при этом секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения, а секции конденсации труб выведены за пределы корпуса, тепловые трубы общей зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами, закрепленными в соответствующих смежных стенках корпуса, согласно изобретению модуль дополнительно снабжен зеркально расположенным аналогичным корпусом с идентичным размещением и закреплением в нем пучков тепловых труб и общей зоной испарения, причем каждый ряд тепловых труб дополнительного корпуса расположен между соответствующим ему рядом тепловых труб основного корпуса с образованием общих зон конденсации, расположенных в общем корпусе модуля, при этом общие зоны испарения и общие зоны конденсации модуля расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях по диагоналям общего корпуса модуля с образованием отдельных каналов для прохода каждой из теплообменивающихся сред.

Кроме того, однотипные модули установлены в корпусе теплообменника с образованием чередующихся общих зон испарения и общих зон конденсации.

При этом тепловые трубы могут быть выполнены в виде витых труб овального профиля.

Снабжение модуля дополнительным аналогичным корпусом с идентичным расположением и закреплением в нем пучков тепловых труб, общей зоной испарения и зеркальным расположением дополнительного корпуса относительно основного корпуса создает полностью решетчатую структуру поверхности теплообмена в теплообменнике за счет взаимно перпендикулярного размещения тепловых труб в смежных рядах корпусов в зонах конденсации, что позволяет иметь наиболее развитую поверхность теплообмена в теплообменнике, вызывает увеличение турбулизации потока при внешнем обтекании пучков труб, в результате чего обеспечивается значительное повышение коэффициента теплоотдачи в каждой зоне даже при допустимых потерях напора каждой из теплообменивающихся сред, в результате чего интенсификация теплообмена повышается. За счет взаимно перпендикулярного расположения тепловых труб в смежных рядах уменьшаются массогабаритные характеристики теплообменника, что позволяет изготовить теплообменник максимально компактным, позволяющим снизить гидравлическое сопротивление во внешнем тракте теплообменника, что также способствует увеличению теплоотдачи («Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. Теплообменные аппараты трубчатые». Мигай В.К., Фирсова Э.В. Ответ. редактор Арефьев К.М. АН СССР, Отделение физико-технических проблем энергетики, Научный совет по комплексной проблеме «Теплофизика и термоэнергетика», «Наука», Ленинградское отделение, 1986, стр.48-50). Компактность теплообменника сама по себе является залогом высокой эффективности теплообменной поверхности, так как именно в самой природе компактных поверхностей заложены свойства, обуславливающие высокий коэффициент теплоотдачи (Кейс В.М., Лондон А.Л. «Компактные теплообменники», М., Энергия, 1967 г., стр.13).

Кроме того, в предлагаемой конструкции теплообменника с решетчатой компоновкой трубного пучка происходит периодический срыв вихрей и обновление пристенного слоя из-за изменения ориентации осей формирующихся вблизи стенок вихревых структур. Это приводит не только к росту теплоотдачи, но и снижению потерь давления в таком пучке. По опытным данным Мигая В.К. и Новожилова И.Ф., коэффициент теплоотдачи увеличивается на 28%, а гидравлическое сопротивление уменьшается на 20% относительно трубных пучков с шахматным или коридорным расположением труб (Мигай В.К., Фирсова Е.В., там же, стр.49). При условии равенства коэффициентов теплоотдачи по газу в зонах конденсации и испарения тепловых труб между теплообменивающимися средами коэффициент теплопередачи, являющийся функцией двух величин, достигает максимума и увеличивается примерно на 12%, что определяет заметную экономию материала и снижение габаритных размеров теплообменника.

Снабжение теплообменника дополнительной общей зоной испарения и общими зонами конденсации и расположение их во взаимно перпендикулярных плоскостях по диагоналям общего корпуса модуля позволяет объединить в теплообменнике патрубки для каждой из общих зон, а следовательно, уменьшить их количество для прохода каждой из теплообменивающихся сред, что уменьшает массогабаритные характеристики теплообменника и позволяет изготовить теплообменник наиболее компактным.

Размещение тепловых труб в горизонтальной плоскости обеспечивает одинаковые условия работы для каждой из зон конденсации или испарения, поскольку при другой ориентации тепловых труб в пространстве необходимо учитывать силы гравитации. Тепловые трубы, в которых передача теплоты производится в направлении, противоположном силам гравитации, могут иметь максимальный перепад высот зон конденсации и испарения около 0,4 м при использовании существующих пористых наполнителей (Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Пер. с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др. М., Энергоатомиздат, 1987, т.2, стр.105).

Теплообменник из нескольких модулей при квадратной планировке может быть изготовлен из четырех, шестнадцати, тридцати шести и т.д. модулей и при размещении их в корпусе с чередованием общих зон испарения и общих зон конденсации позволяет оптимизировать параметры тепловых труб: тепловую мощность, длину испарительной или конденсаторной частей тепловых труб, а также удельные тепловые потоки, проходящие перпендикулярно и вдоль оси тепловой трубы, а также объединить патрубки в теплообменнике за счет создания общих зон и сократить их количество для прохода теплообменивающихся сред, в результате чего массогабаритные размеры теплообменника уменьшаются, что является важным свойством с учетом потребностей потребителя. Соединение модулей в теплообменнике возможно любым способом, однако квадратная планировка является наиболее оптимальной с точки зрения массогабаритных характеристик.

Выполнение тепловых труб теплообменника полностью витыми по всей длине овального профиля с постоянным зазором между трубами в слоях обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве за счет модификации геометрии поверхности труб, а также изменения геометрии канала, в результате чего происходит разрушение пограничного слоя от криволинейной поверхности тепловых труб и закрутка потока теплообменивающихся сред в витых каналах труб сложной формы, что и способствует интенсификации теплообмена без увеличения скорости движения теплообменивающихся сред. Спиралеобразное течение среды в межтрубном пространстве витых труб приводит к возникновению поперечных составляющих скорости, дополнительной турбулизации, возникновению вторичной циркуляции потока, что обеспечивает выравнивание температурного поля в межтрубном пространстве и повышение эффективности работы теплообменника. Расположение витых труб овального профиля приводит и к уменьшению массогабаритных характеристик теплообменника за счет более плотной упаковки труб в объеме теплообменника при одинаковых омываемых периметрах труб и одинаковых тепловых мощностях сравниваемых теплообменников вследствие использования гидродинамической интенсификации теплообмена. При заданной тепловой мощности и тех же гидравлических потерях применение пучков витых тепловых труб вместо прямых круглых труб позволяет примерно на 20-30% уменьшить массу и объем теплообменника. Поперечное обтекание витой трубы в пучке существенно отличается от обтекания труб круглой формы, поскольку на характер течения оказывают влияние соседние трубы. При этом течение в пучке витых труб зависит от их взаимного расположения и шагов закрутки овального профиля. В теплообменнике с поперечным обтеканием пучков витых труб осуществляются два различных варианта взаимного расположения труб. Для одного из них ширина проходного канала в одном ряду периодически изменяется вдоль тепловых труб от нуля до максимального значения, равного разности максимального и минимального размеров овала. В случае использования витых тепловых труб последние устанавливаются в каждом поперечном ряду с зазорами, образующими по длине труб щелевые каналы с шириной, примерно равной половине разности между максимальным и минимальным размерами овала, причем трубы имеют касания только с трубами соседних рядов. Экспериментальные данные показывают, что в среднем теплоотдача пучков витых труб с переменной шириной канала на 10% больше, чем у пучка труб круглой формы. Для пучков витых труб с постоянными щелевыми каналами теплоотдача в среднем на 25-33% выше, чем средняя теплоотдача для пучков витых труб с переменными каналами между соседними трубами, и на 30-40% выше, чем в гладкотрубном пучке. Таким образом, применение витых труб овального профиля в силу еще большей турбулизации потока позволит улучшить массогабаритные характеристики решетчатых трубных пучков относительно решетчатых пучков из труб гладкой формы и тем самым повысить интенсификацию теплообмена.

На фиг.1 показан теплообменник из одного модуля с послойным расположением тепловых труб без корпуса;

на фиг.2 показано расположение патрубков на корпусе для подвода и отвода нагреваемой и охлаждаемой сред в одном модуле;

на фиг.3 схематично показан теплообменник из четырех модулей с расположением общих зон испарения по диагоналям корпуса с образованием в середине корпуса общей зоны испарения (квадратная планировка);

на фиг.4 показано расположение патрубков на корпусе для подвода и отвода нагреваемой и охлаждаемой среды в теплообменнике из четырех модулей;

на фиг.5 схематично показан теплообменник из 4, 16 и 36 модулей (квадратная планировка);

на фиг.6 показан модуль теплообменника с витыми трубами в аксонометрии.

Теплообменник из одного модуля содержит корпус 1 (фиг.1), в котором расположен пучок тепловых труб 2. Тепловые трубы 2 в корпусе 1 расположены горизонтальными слоями. В каждом слое тепловые трубы 2 размещены параллельно друг другу и с зазором между собой. Смежные слои 3 и 4 труб 2 повернуты относительно друг друга на 90°, таким образом, поверхность теплообмена представляет собой решетчатую поверхность с шахматным расположением тепловых труб 2. Тепловые трубы 2 закреплены в соответствующих им двух смежных сторонах, расположенных внутри корпуса 1 и выполняющих функцию перегородок 5 и 6. Так, слои 3 тепловых труб 2 закреплены в перегородке 5, а слои 4 тепловых труб 2 закреплены в перегородке 6. При этом секции испарения 7 и секции конденсации 8 смежных слоев 3 и 4 труб 2 расположены по разные стороны соответствующей им перегородки 5 и 6 и совмещены с образованием в корпусе 1 двух общих зон испарения И и двух общих зон конденсации К. Общие зоны испарения И и конденсации К расположены по диагоналям корпуса 1 во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом общие зоны испарения И изолированы друг от друга смежными перегородками 5 и 6. Секции испарения 7 и секции конденсации 8 тепловых труб 2 выполнены одного размера, что создает условия равенства коэффициентов теплоотдачи в зонах конденсации и испарения. При условии равенства коэффициентов теплоотдачи в зонах коэффициент теплопередачи между теплообменивающимися средами увеличивается на 12%, что определяет заметную экономию материала и снижение габаритных размеров теплообменника. Тепловые трубы 2 заполнены промежуточным теплоносителем, например водой, а внутреннее их устройство выполнено по любой известной технологии (Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. «Что такое тепловая труба?», М., Энергия, 1971; Дан П.Д., Рей Д.А. «Тепловые трубы». Пер. с англ., М., Энергия, 1979; Ивановский М.И., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. «Физические основы тепловых труб», М., Атомиздат, 1978). Теплообменник снабжен четырьмя патрубками по два патрубка для прохода одной из теплообменивающихся сред. Патрубки 9 служат для подвода нагреваемой среды 10 и расположены над зонами испарения И (фиг.2). Патрубки 11 служат для отвода охлаждаемой среды 12 и расположены над зонами конденсации К. Нагреваемая 10 и охлаждаемая 12 среды направлены перпендикулярно горизонтальным слоям 3 и 4 тепловых труб 2, причем каналы сред 10 и 12 отделены друг от друга перегородками 5 и 6.

Теплообменник может состоять из четырех модулей I (фиг.5). Симметричная конструкция теплообменника из четырех модулей при квадратной планировке содержит общий корпус 13, в перегородки 5 и 6 которых установлены тепловые трубы 2 (фиг.3). Габаритные размеры теплообменника из четырех и одного модулей имеют одинаковые размеры. Модули в общем корпусе 13 установлены так, что зоны испарения И модулей расположены по его диагоналям с образованием в середине корпуса 13 общей зоны испарения И₀. Теплообменник снабжен объединенными патрубками для прохода теплообменивающихся сред. Над зонами испарения И и И₀ расположены патрубки 14 и 15 для подвода нагреваемой среды 10 соответственно (фиг.4). Над зонами конденсации К размещены патрубки 16 для отвода охлаждаемой среды 12.

В качестве варианта при квадратной планировке теплообменник может быть выполнен еще и из шестнадцати II и тридцати шести модулей III (фиг.5), в которых имеются общие зоны испарения И₀ и общие зоны конденсации К₀, над которыми размещены объединенные патрубки для подвода нагреваемой и охлаждаемой среды (на чертеже не показаны).

В качестве варианта тепловые трубы 2 могут быть полностью выполнены полностью витыми (фиг.6), расположены с зазором между трубами в рядах для поперечного обтекания среды, обеспечивающих повышение интенсификации теплоотдачи без увеличения скорости движения теплоносителей.

Теплообменник работает следующим образом.

Передача тепла от зон испарения в зоны конденсации в теплообменнике осуществляется за счет изменения агрегатного состояния промежуточного теплоносителя в тепловых трубах под действием противоточного направления нагреваемой и охлаждаемой сред, проходящих через соответствующие им патрубки теплообменника.

Так, в теплообменнике из одного модуля нагреваемая среда 10 через патрубки 9 и охлаждаемая среда 12 через патрубки 11, а в теплообменнике из нескольких модулей – через патрубки 14, 15 и 16 соответственно – движутся через решетчатый пучок тепловых труб 2, образованный секциями испарения 7 в зонах испарения И и И₀ и секциями конденсации 8 в зонах конденсации К. В качестве нагреваемой 10 и охлаждаемой 12 сред используется «газ-газ», потоки которых движутся противоточно друг другу. При прохождении охлаждаемой среды 12 через зоны испарения И и И₀ тепло через стенки тепловых труб 2 передается промежуточному теплоносителю за счет изменения его агрегатного состояния, находящегося внутри тепловых труб 2, а именно за счет испарительно-конденсационного цикла в тепловых трубах 2 происходит теплообмен между охлаждаемой 12 и нагреваемой 10 средами. Конденсат, образовавшийся внутри тепловых труб 2 за счет сил поверхностного натяжения промежуточного теплоносителя, возвращается в секцию испарения, где затем снова испаряется.

В качестве иллюстрации вышесказанного представлены расчетные сравнительные характеристики известного теплообменника с W-образными трубным пучком с шахматным расположением труб и заявленного теплообменника с решетчатым пучком тепловых труб, состоящего из одного модуля и симметричной конструкции из четырех модулей. Результаты представлены в таблице. В качестве теплообменника был выбран регенератор для газотурбинных установок мощностью 6 МВт и охладитель для газотурбинных установок мощностью 100 МВт. Расчеты показали, что при одинаковых параметрах теплообменников коэффициент теплоотдачи охлаждаемой среды (п.1.10 таблицы) предлагаемого теплообменника и коэффициент теплоотдачи нагреваемой среды (п.1.11, там же) даже при меньшей поверхности теплообмена (п.1.9, там же) и относительных потерях напора охлаждаемой и нагреваемой сред в трубном пучке (п.1.12 и 1.13 там же) значительно выше, при этом коэффициент теплоотдачи теплообменников из одного модуля или из четырех модулей при одинаковых габаритных размерах остается неизменным.

Таким образом, при расположении теплообменного трубного пучка предлагаемым образом значительно увеличивается интенсификация теплообмена предлагаемого теплообменника, одновременно уменьшаются и массогабаритные характеристики теплообменника, позволяющие изготовить теплообменник максимально компактным.

Формула изобретения

1. Теплообменник на тепловых трубах, выполненный из одного или нескольких однотипных модулей, включающих корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб, установленными в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред, при этом секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения, а секции конденсации труб выведены за пределы корпуса, тепловые трубы зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами, закрепленными в соответствующих смежных стенках корпуса, отличающийся тем, что модуль дополнительно снабжен зеркально расположенным аналогичным корпусом с идентичным размещением и закреплением в нем пучков тепловых труб и общей зоной испарения, причем каждый ряд тепловых труб дополнительного корпуса расположен между соответствующим ему рядом тепловых труб основного корпуса с образованием общих зон конденсации, расположенных в общем корпусе модуля, при этом общие зоны испарения и общие зоны конденсации модуля расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях по диагоналям общего корпуса модуля с образованием отдельных каналов для прохода каждой из теплообменивающихся сред.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что однотипные модули установлены в корпусе теплообменника с образованием чередующихся общих зон испарения и общих зон конденсации.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что тепловые трубы могут быть выполнены в виде витых труб овального профиля.

РИСУНКИ