ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2001 года по МПК F28D7/16 

Изобретение относится к области теплообменных аппаратов и предназначено в основном для газификации криогенного топлива в авиационных газотурбинных двигателях (АГТД). В АГТД, работающих на криогенном топливе, необходима газификация топлива перед подачей его в камеру сгорания. Для газификации топлива применяют теплообменники.

Известен теплообменник - газификатор топлива АГТД, установленный на входе в компрессор (GB N 1022952, кл. F 4 S, опубл. 1966 г.). Недостатком этого теплообменника является его низкая надежность, обусловленная возможным замерзанием трубок теплообменника. Двигатель с таким теплообменником практически неработоспособен при низких скоростях полета, когда температура воздуха на входе близка к температуре окружающей среды. Теплообменник в этом случае работает неэффективно виду его замораживания.

Расположение теплообменника на входе в компрессор также снижает надежность двигателя из-за вероятности его разгерметизации в полете. В этом случае в тракте АГТД образуется взрывоопасная топливо-воздушная смесь, например "гремучий газ" для водородного топлива.

Этот недостаток устранен в теплообменнике в виде трубчатого змеевика, установленного в потоке выхлопных газов (US N 1799249, кл. 165-60, опубл. 1974 г. ). Недостатком этого теплообменника является обмерзание поверхности трубок со стороны теплоносителя, содержащего пары воды, обусловленное высокой теплоотдачей от криогенной среды и ее низкой температурой.

Из теории теплопередачи известно, что чем выше коэффициент теплоотдачи от криогенной среды, тем ниже температура стенок теплообменника. При отрицательных температурах стенок возможно образование твердой фазы (льда, инея) вследствие конденсации и замораживания паров воды, содержащихся в теплоносителе.

Большие скорости движения криогенной среды в последовательно соединенных витках змеевика способствуют росту коэффициента теплоотдачи и, как следствие, образованию льда.

Указанные недостатки этих теплообменников устранены в теплообменнике, содержащем расположенные параллельно одна за другой трубки, соединенные входным и выходным коллекторами и размещенные в обечайке, которая образует полость с входом и выходом для протока теплоносителя (SU 434251 A, F 28 D 7/16, 30.10.1974).

Недостатком этого теплообмена являются повышенные гидравлические потери в потоке теплоносителя, обтекающем теплообменник с внешней стороны. Вышеуказанное решение является ближайшим аналогом изобретения.

Известно, что потери во внешнем потоке, обтекающем последовательно расположенные трубки, возрастают при увеличении шага между трубками S до величины более 1,5 ее диаметра d_H, т.е. отношение S/d_H должно быть < 1,5 (см. И. Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975, стр.397, а также А.М. Крапивин и др. Гидравлическое сопротивление однородного трубного пучка, обтекаемого плоскопараллельным потоком газа. Теплоэнергетика, N 6, 1972, стр. 24...27). Поэтому для снижения сопротивления и, как следствие, повышения экономичности, если теплообменник расположен в тракте АГТД, необходимо выполнять теплообменники с компактным расположением трубок, с S/d_H ≤ 1,5.

Однако при большом количестве труб в пучке течение вдоль пучка становится аналогичным течению вдоль шероховатой пластины и на поверхности пучка образуется толстый захоложенный слой теплоносителя, который вследствие его термического сопротивления снижает эффективность теплообмена между теплоносителем и криогенной жидкостью. В работе "Расчетно-экспериментальное исследование гидравлики и теплообмена в трубных пучках, обтекаемых неограниченным потоком" (Тех. отчет ЦИАМ N 30208/3, 1989 г.) показано, что при уменьшении количества труб в пучке от 11 до 6 число Нуссельта (Nu), характеризующее теплоотдачу с внешней стороны пучка, возрастает примерно в 2 раза. При этом вероятность обмерзания шеститрубного пучка практически исключается ввиду его очень высокой эффективности.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании высокоэффективного теплообменника на всех режимах его работы, с малым внешним сопротивлением и отсутствием обмерзания трубок со стороны теплоносителя в случае использования криогенной жидкости в качестве топлива внутри трубок.

Поставленная задача решается тем, что теплообменник содержит расположенные параллельно одна за другой трубки, соединенные входными и выходными коллекторами и размещенные в обечайке, которая образует полость с входом и выходом для протока теплоносителя, причем согласно изобретению теплообменник используется преимущественно для газификации криогенной жидкости, протекающей внутри трубок, причем трубки расположены одна за другой с шагом S и имеют наружный диаметр d_H, кроме того, трубки установлены группами с шагом между группами S₁, определяемым из соотношения 1,5 ≤ S₁/d_H ≤ 2,5.

Кроме того, трубки в группах установлены с шагом S, определяемым из соотношения 1,5 > S/d_H ≥ 1,1.

Расчеты, подтвержденные экспериментальными данными, показали, что теплоотдача (критерий Nu) 20-ти трубного пучка, состоящего из четырех групп по пять труб в каждой группе с относительным шагом между группами S₁/d_H= 2,33 и относительным шагом между трубами в группах S/d_H = 1,17, в 2 раза больше теплоотдачи 20-ти трубного пучка, выполненного по обычной схеме с шагом между трубками S/d_H = 1,17.

Настоящее изобретение представлено чертежами, где
на фиг. 1 приведен общий вид теплообменника;
на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - зависимость критерия Nu с наружной стороны от числа трубок и шага между ними.

Теплообменник состоит из обечайки 1 с внутренней полостью 2 для протока теплоносителя с входом 3 и выходом 4. В полости 2 расположен входной коллектор 5 с полостью 6 для входа криогенной жидкости и выходной коллектор 7 с полостью 8 для выхода криогенной жидкости. Входной 5 и выходной 7 коллекторы соединены параллельно расположенными рядами трубок 9 с наружным диаметром d_H, расположенными одна за другой с шагом S. Трубки 9 расположены отдельными группами с шагом S₁ между группами.

Входной коллектор 5 снабжен патрубком 10 для подвода криогенной жидкости 11, а выходной коллектор 7 снабжен патрубком 12 для выхода подогретой криогенной жидкости 13. Вход 3 полости 2 предназначен для подачи горячего теплоносителя 14 (например, продуктов сгорания после турбины ГТД), а выход 4 - для охлажденного теплоносителя 15.

На фиг. 3 видно, что теплоотдача (критерий Nu) увеличивается с уменьшением количества труб n_тр в пучке, достигая максимального значения при n_тр = 3. Например, при , при n_тр = 10 Nu = 300, а при n_тр = 5 Nu = 500, т.е. теплоотдача увеличивается в 1,7 раза.

Теплообменник работает следующим образом.

Криогенное топливо 11 в жидком состоянии по патрубку 10 поступает в полость 6 входного коллектора 5, затем в трубки 9, в которых в результате теплообмена с теплоносителем 14 газифицируется и в газообразном состоянии поступает в полость 8 выходного коллектора 7 и через патрубок 12 по стрелке 13 направляется к потребителю, например камере сгорания. На последней трубке каждой группы срывается образовавшийся пограничный слой теплоносителя, в результате чего эффективность теплообменника повышается, исключается его обмерзание с наружной стороны и уменьшается гидравлическое сопротивление.

Изобретение предназначено для применения для газификации криогенного топлива в авиационных газотурбинных двигателях. Теплообменник содержит расположенные параллельно одна за другой трубки, соединенные входным и выходным коллекторами и размещенные в обечайке, которая образует полость с входом и выходом для протока теплоносителя, причем согласно изобретению теплообменник используется преимущественно для газификации криогенной жидкости, протекающей внутри трубок, причем трубки расположены одна за другой с шагом S и имеют наружный диаметр d_н, кроме того, трубки установлены группами с шагом между группами S₁, определяемым из соотношения 1,5≤S₁/d_н≤2,5, с шагом S, определяемым из соотношения 1,5>S/d_н≥1,1. Изобретение позволяет повысить эффективность теплообменника, снижает его внешнее сопротивление и исключает его обмерзание со стороны теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник, содержащий расположенные параллельно одна за другой трубки, соединенные входным и выходным коллекторами и размещенные в обечайке, которая образует полость с входом и выходом для протока теплоносителя, отличающийся тем, что теплообменник используется преимущественно для газификации криогенной жидкости, протекающей внутри трубок, причем трубки расположены одна за другой с шагом S и имеют наружный диаметр d_н, кроме того, трубки установлены группами с шагом между группами S₁, определяемым из соотношения 1,5≤S₁/d_н≤2,5. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что трубки в группах установлены с шагом S, определяемым из соотношения 1,5>S/d_н≥1,1.