ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1998 года по МПК F28D7/08 

Изобретение относится к теплообменнику, в частности для установок, эксплуатируемых с большими колебаниями нагрузки и/или температуры, например в качестве охладителя охлаждающего воздуха для газовых турбин, содержащему трубы для разделения теплоотдающей среды, в частности воздуха, и теплопоглощающей среды, в частности воды, причем теплообмен происходит противотоком, трубы, служащие проточными каналами для теплопоглощающей среды, расположены извилисто между впускной и выпускной коллекторными трубами, а теплоотдающая среда омывает эти извилистые трубы.

Охлаждение лопаток газовой турбины происходит обычно посредством воздушного потока, который зачастую отводят в качестве частичного воздушного потока от сжатого воздуха для горения, направляемого в камеру сгорания газовой турбины. Тепло, подводимое при сжатии также к этому частичному воздушному потоку, должно снова отбираться от основного воздушного потока перед подачей к лопаткам газовой турбины в охладителе охлаждающего воздуха. За счет частого запуска и остановки, а также вследствие больших отличий в давлении и температуре этот теплообменник подвержен предельным знакопеременным нагрузкам, которые могут привести к преждевременному отказу теплообменника. Охладитель охлаждающего воздуха описанного выше рода известен из европейской заявки N 0203445. У этого родового теплообменника впускной и выпускной коллекторные трубы жестко соединены соответственно с входным и выходным трубопроводом для очищенного газа, так что напряжения от изменений нагрузки компенсируются недостаточно.

Другой охладитель охлаждающего воздуха для газовых турбин известен из заявки ФРГ N 4142375.5. У этого известного теплообменника массивные трубные доски служат для отделения воздухонаполненных камер от объема, заполненного теплопоглощающей средой. Охлаждаемый воздух направляют по трубам, которые соединяют между собой обе массивные трубные доски, расположенные на верхнем и нижнем концах теплообменника, и жестко фиксированы в них. Для компенсации возникающих сжимающих и температурных напряжений у этого известного теплообменника одна из массивных трубных досок выполнена за счет одностороннего зажима так, что она может в определенной степени компенсировать сжимающие и температурные напряжения. Кроме того, кожух теплообменника снабжен сильфонными компенсаторами для демпфирования возникающих изменений длины. Этот известный теплообменник обеспечивает, правда, определенную компенсацию колебаний давления и температуры, возникающих при частых и быстрых изменениях нагрузки, однако жесткий зажим труб теплообменника между обеими массивными трубными досками препятствует эффективной компенсации этих нагрузок. Кроме того, использование массивных трубных досок имеет недостатки из-за их большого веса и отсутствия гибкости относительно температурных напряжений.

Исходя из этого, в основе изобретения лежит задача усовершенствования теплообменника названного выше рода так, чтобы он надежно компенсировал возникающие частые и быстрые изменения нагрузки, а также связанные с этим колебания давления и температуры и, кроме того, был экономичен в изготовлении.

В качестве технического решения этой задачи, согласно изобретению, предложено, что коллекторные трубы проходят с обеих сторон через кожух теплообменника, причем коллекторные трубы со стороны впуска и выпуска герметично соединены с кожухом, а на противоположном конце направлены в приемную камеру, герметично соединенную с кожухом.

За счет этой упругой опоры коллекторных труб обеспечивается дополнительная компенсация возникающих напряжений от изменений нагрузки, поскольку коллекторные трубы по меньшей мере одной стороной не зажаты прочно в кожухе теплообменника. Вместо этого коллекторные трубы могут расширяться в приемную камеру. Такое расширение в поперечном направлении теплообменника не вызывает вследствие упругого расположения его труб дополнительных напряжений в них. Кроме того, благодаря вводу коллекторных труб через кожух теплообменника можно в случае неплотностей в трубах простым образом заглушить или перекрыть отдельные трубы теплообменника. За счет выполнения проточных каналов для теплопоглощающей среды в виде труб теплообменника, извилисто расположенных между двумя коллекторными трубами, можно особенно простым образом достичь компенсации возникающих колебаний давления и температуры, поскольку извилисто изогнутый пучок труб действует в целом как большая пружина. Проходящие вперед и назад трубы теплообменника могут воспринимать таким образом возникающие изменения нагрузки без опасности недопустимо высоких напряженных состояний.

Согласно предпочтительной форме выполнения изобретения, извилистые трубы окружены внутренним корпусом, который открыт на концах, соединен со стороны впуска с впускным патрубком для теплоотдающей среды и образует проточный канала для нее. За счет этого внутреннего корпуса поступающий охлаждаемый поток принудительным образом направляется вдоль извилистых труб теплообменника, так что он не может течь сбоку мимо них непосредственно к выпускному патрубку.

Для того, чтобы кожух теплообменника не входил в непосредственный контакт с горячей охлаждаемой средой, имеющей температуру до 500^oC, между кожухом теплообменника и внутренним, охватывающим трубы корпусом выполнено огибающее промежуточное пространство, а выпускной патрубок для теплоотдающей среды расположен вблизи выпускной коллекторной трубы. Выполнение промежуточного пространства между кожухом и корпусом препятствует непосредственному теплоотводу к кожуху теплообменника. Эта изоляция кожуха от высоких температур охлаждаемой среды на входе может быть усилена тем, что выпускной патрубок расположен вблизи выпускной коллекторной трубы и, тем самым, вблизи впускного патрубка для теплоотдающей среды, так что среда, охлажденная за счет потока вдоль труб теплообменника, перед выходом из него должна смывать все промежуточное пространство между корпусом и кожухом, что также способствует изоляции последнего.

Для того, чтобы обеспечить высокую термостойкость и, кроме того, исключить попадание загрязнений в охлаждаемую среду, поверхности, находящиеся в контакте с теплоотдающей средой, изготовлены из аустенитных сталей.

Существенный аспект изобретения состоит в том, что теплообменник может работать на воде в качестве теплопоглощающей среды как подогреватель, испаритель, перегреватель, подогреватель с испарителем, испаритель с перегревателем или подогреватель с испарителем и перегревателем. Благодаря этим многообразным возможностям эксплуатации теплообменника он находит многостороннее применение без переоборудования в зависимости от соответствующих условий давления и температуры.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, на которых представляют:
фиг. 1 - продольный разрез теплообменника;
фиг. 2 - продольный разрез теплообменника на фиг. 1, однако с поворотом на 90^o вокруг продольной оси;
фиг. 3 - вид сверху на теплообменник на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 и 2 схематично изображен теплообменник 1, состоящий из сварного кожуха 2 с впускным 3 и выпускным 4 патрубками для теплоотдающей среды, а также впускной 5 и выпускной 6 коллекторными трубами для теплопоглощающей среды, причем обе коллекторные трубы 5 и 6 соединены между собой извилистыми трубами 7.

Для того, чтобы втекающая через впускной патрубок 3 охлаждаемая среда текла вдоль труб 7 теплообменника, эти трубы 7 окружены в осевом направлении корпусом 8, который открыт на обоих концах и соединен со стороны впуска с впускным патрубком 3. Стрелки на фиг. 2 обозначают поток телоотдающей и теплопоглощающей сред в теплообменнике 1. Теплоотдающая среда втекает через впускной патрубок 3 в теплообменник 2 и направляется корпусом 8, образующим проточный канал для теплоотдающей среды, сверху вниз вдоль труб 7, которые, будучи заполнены теплопоглащающей средой, омываются снизу вверх. После выхода из корпуса 8 охлажденная теперь среда в изображенном примере отклоняется дном 9 теплообменника 1 и течет в промежуточное пространство 10, выполненное между кожухом 2 теплообменника 1 и корпусом 8, прежде чем снова покинет теплообменник 1 через выпускной патрубок 4. Последний расположен в изображенном примере вблизи выпускной коллекторной трубы 6, с тем чтобы охлажденная среда текла по возможности вдоль всей осевой протяженности кожуха 2 и, тем самым, изолировала его от жара неохлажденной втекающей теплоотдающей среды.

Теплопоглощающая среда, в частности вода, втекает в теплообменник 1 через впускную коллекторную трубу 5 и омывает снизу вверх извилистые трубы 7, прежде чем после попадания в выпускной коллектор 6 снова не выйдет из теплообменника 1. Благодаря описанной конструкции теплоотдающая и теплопоглощающая среды способствуют особенно эффективному перекрестноточному теплообмену.

Поскольку, в частности, при использовании такого теплообменника 1 в качестве охладителя охлаждающего воздуха для газовых турбин теплообменник 1 подвержен большому числу изменений нагрузки и/или температуры, необходимо, чтобы он и все расположенные в нем конструктивные элементы могли хорошо компенсировать эти частые и быстрые изменения нагрузки. Для этой цели впускная 5 и выпускная 6 коллекторные трубы и соединяющие их тонкостенные трубы 7 упруго подвешены, а трубы 5, 6 по сравнению с известными из уровня техники трубными досками выполнены тонкостенными.

Упругая подвеска впускной 5 и выпускной 6 коллекторных труб состоит в том, что они проходят обоими концами через кожух 2 теплообменника 1, причем коллекторные трубы 5, 6 со стороны впуска и выпуска герметично соединены с кожухом 2, а на противоположном конце направлены в герметично соединенную с кожухом 2 приемную камеру 11. За счет этой упругой связи коллекторных труб 5, 6 с кожухом 2 теплообменника они могут компенсировать напряжения, возникающие при изменениях нагрузки. Для того, чтобы на трубах 7, соединяющих коллекторные трубы 5, 6, вследствие изменений нагрузки и упругой опоры последних не могли возникнуть недопустимые напряжения, трубы 7 расположены между впускной 5 и выпускной 6 коллекторными трубами извилисто, так что весь пучок труб 7 выполнен в целом упруго-эластично и может, тем самым, эффективно компенсировать возникающие напряжения.

Теплообменник используется в частности в установках, эксплуатируемых с большими колебаниями нагрузки и/или температуры, например в охладителях охлаждающего воздуха для газовых турбин. Теплообмен в предложенном устройстве происходит противотоком. Трубы (7), служащие проточными каналами для теплопоглощающей среды, расположены извилисто между впускной (5) и выпускной (6) коллекторными трубами, а теплоотдающая среда омывает эти извилистые трубы (7). Теплообменник (1) надежно компенсирует возникающие частые и быстрые изменения нагрузки и связанные с ними колебания давления и температуры. Кроме того, экономичен в изготовлении. Для этого коллекторные трубы (5 и 6) проходят с обеих сторон через кожух (2) теплообменника (1). Коллекторные трубы (5 и 6) со стороны впуска и выпуска герметично соединены с кожухом (2), а на противоположном конце направлены в приемную камеру (11), герметично соединенную с кожухом (2). Позволяет надежно компенсировать возникающие частые и быстрые колебания нагрузки, а также связанные с этим колебания давления и температуры. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник в частности для установок, эксплуатируемых с большими колебаниями нагрузки и/или температуры, например в качестве охладителя охлаждающего воздуха для газовых турбин, содержащий трубы (7) для разделения теплоотдающей среды, в частности воздуха, и теплопоглощающей среды, в частности воды, причем теплообмен происходит противотоком, трубы (7), служащие проточными каналами для теплопоглощающей среды, расположены извилисто между впускной (5) и выпускной (6) коллекторными трубами, а теплоотдающая среда омывает извилистые трубы (7), отличающийся тем, что коллекторные трубы (5, 6) проходят с обеих сторон через кожух (2) теплообменника (1) и со стороны впуска и выпуска герметично соединены с кожухом (2), а на противоположном конце направлены в приемную камеру (11), герметично соединенную с кожухом (2). 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что извилистые трубы (7) окружены внутренним корпусом (8), который открыт на концах, соединен со стороны впуска с впускным патрубком (3) для теплоотдающей среды и образует проточный канал для нее. 3. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что между кожухом (2) теплообменника (1) и внутренним охватывающим трубы (7) корпусом (8) выполнено огибающее промежуточное пространство (10), а выпускной патрубок (4) для теплоотдающей среды расположен вблизи выпускной коллекторной трубы. 4. Теплообменник по пп.1 - 3, отличающийся тем, что находящиеся в контакте с теплоотдающей средой поверхности изготовлены из аустенитных сталей. 5. Теплообменник по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве теплопоглощающей среды предусмотрена вода и он выполнен в виде подогревателя, испарителя, перегревателя, подогревателя с испарителем, испарителя с перегревателем или подогревателя с испарителем и перегревателем.