теплообменник на тепловых трубах

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.

Описание изобретения к патенту

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 И ₀. Теплообменник снабжен объединенными патрубками для прохода теплообменивающихся сред. Над зонами испарения И и И ₀ 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.

Таблица
Наименование параметра	ГТУ мощностью 6 МВт, регенератор			ГТУ мощностью 100 МВт, охладитель
	W-образный пучок, шахматное расположение труб	Решетчатый пучок		W-образный пучок, шахматное расположение труб	Решетчатый пучок
		1 модуль	4 модуля		4 модуля	16 модулей
1	2	3	4	5	6	7
1. Параметры теплообменника
1.1 Температура охлаждаемой среды, °С:
- на входе;	647,0	647,0	647,0	180,0	180,0	180,0
- на выходе	359,3	359,3	359,3	64,6	71,6	71,6
1.2 Температура нагреваемой среды, С°:
- на входе;	234,0	234,0	234,0	15,0	15,0	15,0
- на выходе	566,9	567,1	567,1	131,2	124,8	124,8
1.3 Расход охлаждадаемой среды, кг/с	26,3	26,3	26,3	5×42	4×52,5	16×13,125
1.4 Расход нагреваемой среды, кг/с	24,1	24,1	24,1	5×42	4×52,5	16×13,125
1.5 Давление охлаждаемой среды (абс.), кПа	106,0	106,0	106,0	426,0	426,0	426,0
1.6 Давление нагреваемой среды (абс.), кПа	586,0	586,0	586,0	100,0	100,0	100,0
1.7 Количество модулей, шт.	1	1	4	5	4	16
1.8 Тепловая мощность, МВт	8,3	8,56	8,56	24,6	23,2	23,2
1.9 Поверхность теплообмена, м2	1817	1200	4×300	5×2104	4×995,6	16×497,8
1.10 Коэффициент теплоотдачи охлаждаемой среды, Вт/м 2 °С	93,2	174,5	174,5	201,7	263,7	263,7
1.11 Коэффициент теплоотдачи нагреваемой среды, Вт/м2 °С	137,3	158,1	158,1	78,9	240,2	240,2
1.12 Относительные потери напора охлаждаемой среды, %	1,74	2,90	2,90	2,77	0,614	0,614
1.13 Относительные потери напора нагреваемой среды, %	0,595	0,068	0,068	0,57	935	935
1.14 Степень регенерации	0,801	0,801	0,801	-	-	-

2 Параметры трубного пучка
2.1 Наружный диаметр труб, м	0,025	0,025	0,025	0,025	0,025	0,025
2.2 Относительный поперечный шаг труб, м	1,18	1,572	1,572	1,18	1,572	1,572
2.3 Относительный продольный шаг труб, м	0,952	1,0	1,0	0,952	1,0	1,0
2.4 Количество слоев труб по ходу потока, шт	4х9	62	62	4×7	70	70
2.5 Количество рядов труб по фронту потока, шт	90	56	28	117	48	24
2.6 Пористость решетчатого пучка	-	0,5	0,5	-	0,5	0,5
2.7 Тепловая мощность одной тепловой трубы, Вт	-	0,616	0,616	-	0,864	0,432
2.8 Плотность теплового потока в паровом канале, Вт/см2	-	543	271	-	380	190
2.9 Плотность теплового потока через боковую поверхность, Вт/см 2	-	0,714	0,714	-	0,583	0,583
2.10 Теплоноситель тепловой трубы	-	Калий	Калий		вода	вода
2.11. Габаритные размеры, м	3,47×3,10×4,40	4,40×4,40×1,55	4,40×4,40×1,55	3,60×4,10×4,00	3,76×3,76×1,75	1,87×1,87×1,75

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.