ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D7/02 

Изобретение относится к трубчатым теплообменникам, а более точно к витым многослойным змеевиковым конструкциям. Трубчатый многослойный змеевиковый теплообменник может быть использован в энергетике, химической, криогенной, нефтяной и любой другой отрасли техники, где требуется компактный, надежный, малометаллоемкий теплообменник с интенсивным теплообменом и относительно малым гидравлическим сопротивлением.

Наиболее целесообразно применение изобретения в качестве утилизационного котла мини-ТЭЦ. В утилизационном котле мини-ТЭЦ рекуперируется тепло с отработавших газов двигателя, температура которых достигает 600^оС. Для достаточно полной рекуперации этого тепла требуются большие площади теплопередающих поверхностей. В то же время располагаемый расход энергии на продвижение отходящих из двигателя газов по условиям работы двигателей мал. Допустимые потери давления на этом тракте не превышают 400 мм вод.ст. Это не позволяет использовать традиционные способы интенсификации теплообмена за счет увеличения скорости потока и соответствующего уменьшения требуемой площади теплообменной поверхности.

Исходя из рассмотренных условий, теплообменными мини-ТЭЦ должны отвечать следующим требованиям: иметь компактную теплообменную поверхность, чтобы разместить ее в приемлемых габаритах, обладать высокими тепловыми качествами при весьма малых допустимых потерях, иметь высокую эксплуатационную надежность в условиях высоких температур, быть технологичными и экономичными в изготовлении и эксплуатации. Наиболее полно эти требования могут быть выполнены в трубчатом многослойном змеевиковом теплообменнике.

Известны гладкотрубные змеевиковые многослойные теплообменники с дистанционными проставками в виде гладкой ленты [1] Характер расположения труб коридорный. В этой конструкции в активной части аппарата (пучке труб) отсутствуют паяные либо сварные соединения. Сварные соединения труб с трубными решетками имеют весьма малую протяженность и находятся в однородном температурном поле. Возникающие температурные деформации пучка гасятся свободными концами труб, выходящими из намотки. Это обеспечивает практически безотказную работу аппарата.

Положительным свойством конструкции является возможность изменения заходности, т.е. количества одновременно навиваемых труб по слоям. Это позволяет выравнивать длины труб и обеспечивать равномерное распределение потока по трубам.

Недостатком конструкции является уменьшение интенсивности теплообмена из-за неполного обтекания труб, характерного при коридорном их расположении. Другим недостатком конструкции является технологически сложное (практически невыполнимое) обеспечения заданной ширины кольцевых каналов по всем слоям труб. Оно соблюдается дискретно лишь в местах расположения проставок. Неодинаковая ширина кольцевых каналов приводит к неравномерному распределению потока в межтрубном пространстве и соответственно к снижению интенсивности теплообмена.

Известен генератор витой конструкции с шахматным расположением труб в каждом слое навивки, составленном из двух рядов труб [2] Это позволяет интенсифицировать процесс теплообмена по сравнению с конструкциями с коридорным расположением труб. Однако при таком способе формирования матрицы теплообменника не обеспечивается полное поперечное обтекание шахматного пучка труб.

Известен теплообменник витой конструкции, образованный оребренными трубами, в котором шаг оребрения изменяется от слоя к слою [3]
Такой расход расширяет возможности формирования матрицы, однако, будучи технологически сложным, сам по себе не решает задачи оптимизации теплообменного аппарата в целом.

Известен теплообменник, содержащий пучок змеевиковых труб, навитых коаксиальными слоями в шахматном порядке в смежных слоях, и дистанцирующие проставки в виде волнистых лент, размещенных между слоями [4] Трубы в пучке расположены с поперечным и продольным шагами, обеспечивающими полное поперечное обтекание труб и соответственно интенсивный теплообмен в межтрубном пространстве.

Недостатком этой конструкции является одинаковая по слоям заходность труб. В результате послойной намотки труб при одинаковой заходности длина трубы каждого последующего cлоя больше длины трубы предыдущего слоя на некоторую величину, зависящую от расстояния между соседними слоями, числа слоев и диаметра сердечника. Например, для трубки диаметром 10 мм при числе слоев 10 и диаметре сердечника 200 мм длина трубы последнего слоя в два раза больше длины трубы первого слоя. При числе слоев 20 эта разница составляет 200% Такое различие в длинах труб приводит к значительной расходной неравномерности. В рассматриваемом примере это 40 и 73% соответственно. Расходная неравномерность по трубам снижает тепловую эффективность теплообменников, особенно ее влияние усиливается в теплообменниках с высокими КПД (свыше 0,90). Компенсируется снижение эффективности теплообменника увеличением (относительно расчетной) площади теплообменной поверхности и соответственно габаритов и металлоемкости теплообменника.

Цель изобретения улучшение интегральных теплогидравлических характеристик и массогабаритных показателей змеевикового теплообменника.

Это достигается путем совмещения противоточной схемы движения теплоносителей с поперечным обтеканием шахматного пучка труб при лимитированной разнице в длинах труб, обеспечивающей минимальные отклонения расходов теплоносителей в элементах теплообменника. Конструктивно это обеспечивается тем, что в теплообменнике, содержащем пучок змеевиковых труб, навитых коаксиальными слоями в шахматном порядке, слои труб распределены по группам с одинаковой заходностью, разделенным сдвоенными дистанционными проставками, состоящими из гладкой ленты, обращенной к последнему слою предыдущей группы, и волнистой ленты, обращенной к первому слою труб последующей группы. Число групп, число слоев труб в каждой группе и их заходность определяются допустимой расходной неравномерностью конкретного теплообменника.

Для решения поставленной задачи предлагается в теплообменнике, содержащем наружный кожух, коаксиально размещенные в нем обечайку и сердечник, на который навиты в шахматном порядке трубы посредством дистанционных прокладок, слои труб распределить по группам с одинаковой заходностью внутри каждой группы, причем число слоев в первой группе определяется соотношением
M₁≅ + 1 где D диаметр сердечника;
d наружный диаметр трубы;
Т радиальный шаг навивки;
е коэффициент относительной неравномерности длин труб, равный
e где L_max и L_min максимальная и минимальная длины труб, а отношение между числами слоев различных групп
≅ где Z_i заходность в i-й группе;
Z_(i-1) заходность в предыдущей по отношению к i-й группе.

Кроме того, в теплообменнике в нижней части кожуха по его окружности выполнены окна, площадь которых больше 0,8 и меньше 1,2 площади кольцевого сечения канала между обечайкой и кожухом.

В частном случае при изменении заходности от группы к группе на постоянную величину число слоев во всех группах должно быть одинаковым.

Повышение надежности эксплуатации при высокотемпературном режиме работы теплообменника достигается размещением коаксиально с обечайкой кожуха с окнами, расположенными по окружности в нижней его части, через которые за счет естественной тяги, создающейся из-за разности температур на теплом и холодном концах теплообменника, поверхность обечайки омывается воздухом окружающей среды. Это препятствует перегреву обечайки и образованию зазора между обечайкой и пучком труб и предотвращает "проскок" горячего газа вдоль обечайки.

На фиг. 1 показан теплообменник утилизационный котел для мини-ТЭЦ; на фиг. 2 часть пучка труб с дистанционными проставками.

Теплообменник состоит из корпуса 1 с коллекторами входа 2 и выхода 3 воды из трубного пространства, фланцами на входе 4 и выходе 5 потока газа из межтрубного пространства, сердечника 6, на который коаксиальными слоями навиты по группам трубы 7 с дистанционными проставками 8 внутри групп и сдвоенными проставками 8 и 9 между группами (фиг. 2), и кожуха 10 с окнами 11.

Теплообменник функционирует следующим образом.

Горячий газ из двигателя поступает к межтрубное пространство теплообменника (стрелка А на фиг. 1), оматывает трубы, охлаждаясь за счет холодной воды, идущей по трубам, и выходит в атмосферу (стрелка В на фиг. 1). Холодная вода поступает в коллектор, распределяется по трубам, нагревается горячим газом, идущем в межтрубном пространстве, и через коллектор 3 выходит из теплообменника.

При прохождении в межтрубном пространстве горячего газа (600^оС) корпус нагревается и расширяется, что может привести к образованию зазора между ним и пучком труб. Это ведет к расходной неравномерности по межтрубному пространству и снижению эффективности теплообменника. Для предотвращения этого явления установлен кожух 10 (фиг. 1) с окнами 11 в его горячей части. Через окна 11 засасывается воздух из окружающей среды, который охлаждает поверхность корпуса и выравнивает его температуру в направлении газового потока.

В представленном теплообменнике при заданной допустимой расходной неравномерности потока 50% (Е 0,8) имеет место следующее распределение по группам: Число труб диаметром 10 х 1 150 Число слоев 33 Число групп 4
Заходность в каждой группе 3,4,5,6
Число слоев в каждой группе 8,8,8,9
Изобретение позволяет путем уменьшения расходной неравномерности в трубах и предотвращения "проскока" газа между корпусом и пучком труб повысить эффективность многослойного змеевикового теплообменника с шахматным расположением труб и соответственно снизить габариты и металлоемкость конструкции в 1,3 раза. Утилизационный котел изготовлен и испытан в составе экспериментальной мини-ТЭЦ. При массе в 250 кг его теплопроизводительность составила 0,5 Гкал/ч, а КПД 91%

Использование: в энергетике, химической, криогенной. Сущность изобретений: слои труб распределены по группам с одинаковой заходностью внутри каждой группы, и число слоев в первой группе и отношение между числами слоев различных групп определяются данными соотношениями. Для снижения и выравнивания температуры обечайки коаксиально с ней располагается кожух с окнами, расположенными по окружности в нижней его части, через которые за счет естественной конвекции поверхность обечайки омывается воздухом окружающей среды. Это препятствует также образованию зазора между обечайкой и пучком труб и предотвращают "проскок" газа вдоль обечайки. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий вертикальную обечайку, соосно расположенный в ней сердечник и пучок змеевиковых труб, навитых коаксиальными слоями и в шахматном порядке в смежных слоях, разделенных посредством дистанционирующих прокладок, отличающийся тем, что между отдельными группами слоев змеевиковых труб расположены дополнительные проставки, слои труб в каждой группе имеют одинаковую заходность, причем число слоев в первой по отношению к сердечнику группе определяется соотношением

где D диаметр сердечника;
d наружный диаметр трубы;
T радиальный шаг навивки;
e коэффициент относительной неравномерности, равный

L_max максимальная длина трубы;
L_min минимальная длина трубы,
а отношение между числами слоев в группах

где Z₁ заходность в i-й группе;
Z_(i-1) заходность в предыдущей по отношению к i-й группе. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что с внешней стороны обечайки коаксиально расположен наружный кожух с выполненными в его нижней части окнами, суммарная площадь которых определяется из соотношения

где S_ок суммарная площадь окон;
S_к площадь поперечного сечения кольцевого канала между обечайкой и кожухом.