ТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК РЕГЕНЕРАТИВНОГО ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для утилизации тепла отходящих от агрегатов газов, в частности, для подогрева воздуха выхлопными продуктами сгорания, поступающими от компрессора газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Известен теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, включающий четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб (RU, №17600, F 23 L 15/04, 2000 г.), образованный установленными горизонтальными рядами трубками V-образной формы с одним гибом и двумя прямолинейными ветвями, причем каждый ряд содержит два пакета трубок V-образной формы, расположенных рядом друг с другом на одном уровне.

Недостатком этого устройства является то, что оно не обеспечивает высокой эффективности теплообмена и обладает повышенной металлоемкостью.

Ближайшим аналогом является теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, содержащий четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб регенеративного воздухоподогревателя (RU, №31838, F 23 L 15/04, 2002 г.), включающий теплообменные трубы, уложенные горизонтальными рядами, причем каждая теплообменная труба ряда выполнена с четырьмя, пятью или шестью гибами, образующими четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена.

К недостаткам ближайшего аналога относится то, что он не обладает высокой эффективностью теплообмена, не обеспечивает высокой прочности и жесткости пучка труб.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности теплообмена, обеспечение компактности устройства, повышение прочности и жесткости конструкции при снижении металлоемкости.

Поставленная задача решается за счет того, что теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, предпочтительно блочно-секционный, согласно изобретению включает многорядный пучок четырехходовых теплообменных труб, преимущественно с неодинаковым числом труб в смежных по высоте рядах, преимущественно горизонтальных, с отделением по вертикали и по горизонтали друг от друга посредством дистанцирующих элементов, каждая теплообменная труба ряда выполнена с числом гибов у разных труб пучка от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена, при этом количество и распределение труб в пучке приняты с соблюдением условия, при котором отношение объема V_т.т. [м³], занимаемого теплообменными трубами в блоке и равного суммарному объему прямолинейных ветвей и колен труб пучка, очерченному по внешнему контуру условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб, за вычетом объема межтрубной среды между ветвями и коленами труб пучка к общему внутреннему объему теплообменного блока V_вн.бл. [м³], определено в диапазоне значений , составляющем 0,56-0,85, а отношение суммарной длины ΣL [м] труб пучка к суммарной площади ΣS_н.т.т. внешней теплообменной поверхности труб определено коэффициентом составляет 0,08-0,32 [м^-1], при этом отношение суммарной длины Σl" прямолинейных ветвей теплообменных труб, обтекаемых в поперечном направлении, к суммарной длине EL [м] всех теплообменных труб пучка, составляет 0,78-0,92.

Внешняя и внутренняя трубы в каждом ряду пучка могут содержать каждая не менее одного гиба длиной, равной πR, а гибы остальных труб во всех рядах пучка выполнены длиной, равной

Внешняя труба каждого из рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ним рядах, может иметь один гиб длиной πR, образующий колено, соединяющее внутренние ветви этой трубы, а общее число гибов этой трубы равно пяти.

Внутренняя труба каждого из рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ним рядах, может иметь два гиба длиной πR, каждый из которых образует колено, соединяющее соответствующие внутреннюю и внешнюю ветви этой трубы, а общее число гибов у этой трубы равно четырем.

Шаг а между продольными осями смежных труб прямолинейных ветвей может составлять (1,5-2,5)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, шаг b между осями смежных труб на прямолинейных участках колен составляет (1,8-2,8)d.

В каждом ряду шаг а между продольными осями смежных труб прямолинейных ветвей может быть меньше или больше, чем шаг b между продольными осями колен смежных труб, предпочтительно а<b, или шаг а равен шагу b.

Количество теплообменных труб в смежных по высоте рядах пучка для нечетных и четных рядов может составлять соответственно m и n, где m - четное число, а n=(m-1), количество рядов труб в пучке k - предпочтительно нечетное, причем k>3, теплообменные трубы в смежных по высоте рядах размещены в шахматном порядке со смещением на (0,4-0,6)а, [м], где а - шаг между продольными осями смежных труб на прямолинейных ветвях одного ряда, [м].

Каждое колено труб всех рядов пучка, образованное двумя гибами длиной каждый, равной , может содержать сопряженную с гибами прямолинейную вставку длиной, кратной 2а, где а - шаг между осями одноименных - прямолинейных ветвей смежных труб ряда.

Каждое колено труб всех рядов пучка, образованное двумя гибами длиной каждый, равной , может содержать сопряженную с гибами прямолинейную вставку длиной, изменяющейся у разных труб ряда от величины, равной 2а±10% [м], до величины, равной 2а(m-1)±10% [м] для рядов с большим числом труб, чем в смежных с ними по высоте рядах, а для остальных рядов до величины, равной а(2n-1)±10%[м], где

а - шаг между осями одноименных прямолинейных ветвей смежных труб ряда, [м],

m - количество труб в ряду с большим числом труб, преимущественно четное число труб в нечетных рядах,

n - количество труб в ряду с меньшим числом труб, преимущественно нечетное количество труб в четных рядах.

Количество труб в блоке может составлять предпочтительно 263-563 шт.

Выполнение пучка теплообменных труб блока регенеративного воздухоподогревателя в соответствии с изобретением позволяет повысить прочность и жесткость конструкции, обеспечить оптимальную плотность упаковки теплообменных труб в пучке и обеспечить высокую эффективность теплоотдачи.

Параметры пучка труб из поперечно обтекаемых труб, определяющие эффективность теплообмена между продуктами сгорания, поступающими от турбины газотурбинной установки, и нагреваемым воздухом, характеризуются геометрическими характеристиками теплообменных труб и шагом между ними, оптимальный подбор которых позволяет, кроме увеличения эффективности теплообмена, также уменьшить массу теплообменного блока.

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить оптимальный характер обтекания высокотемпературными продуктами сгорания многорядного пучка четырехходовых теплообменных труб, заполненных нагреваемым воздухом, за счет использования предлагаемых экспериментальных коэффициентов, учитывающих геометрические параметры поверхности при известных свойствах сред, между которыми осуществляется теплообмен. Высокая эффективность теплообмена пучка труб регенеративного воздухоподогревателя, выполненного в соответствии с изобретением, достигается также вследствие предлагаемого объемного размещения теплообменных труб (соблюдения определенной плотности упаковки), обеспечивающей хорошую омываемость их поверхности продуктами сгорания, а также указанным соотношением длин участков теплообменных труб, по-разному ориентированных к направлению движения продуктов сгорания.

Для достижения указанного технического результата размещение теплообменных труб в объеме, занимаемом ветвью пучка теплообменного блока, осуществляют с использованием коэффициентов ξ и ψ для определения оптимальных геометрических характеристик пучка теплообменных труб, обеспечивающих высокую эффективность теплоотдачи.

При этом высокая эффективность теплообмена при минимальной металлоемкости обеспечивается при одновременном использовании предлагаемых диапазонов значений коэффициентов ξ и ψ, соблюдении условия, что теплообменные трубы выполнены однопакетными четырехходовыми предлагаемой формы, а соотношение длин участков теплообменных труб, поперечно ориентированных к потоку продуктов сгорания, и длины развертки теплообменных труб определены в предлагаемых диапазонах.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 - вид сверху на теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя;

на фиг.2 - разрез А-А фиг.1;

на фиг.3 - место Б фиг.1;

на фиг.4 - теплообменная труба.

Теплообменный блок 1 регенеративного воздухоподогревателя блочно-секционный включает многорядный пучок 2 четырехходовых теплообменных труб 3, преимущественно с неодинаковым числом труб 3 в смежных по высоте рядах 4, преимущественно горизонтальных, с отделением по вертикали и по горизонтали друг от друга посредством дистанцирующих элементов 5, каждая теплообменная труба 3 ряда 4 выполнена с числом гибов 6 у разных труб 3 пучка 2 от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви 7, 8 и соединяющие их три колена 9, 10, 11, при этом количество и распределение труб 3 в пучке 2 приняты с соблюдением условия, при котором отношение объема V_т.т. [м³], занимаемого теплообменными трубами 3 в блоке 1 и равного суммарному объему прямолинейных ветвей 7, 8 и колен 9, 10, 11 труб 3 пучка 2, очерченному по внешнему контуру условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб 12, 13, за вычетом объема межтрубной среды между ветвями 7, 8 и коленами 9, 10, 11 труб 3 пучка 2 к общему внутреннему объему V_вн.бл. [м³] теплообменного блока 1, определено в диапазоне значений , составляющем 0,56-0,85, а отношение суммарной длины ΣL [м] труб 3 пучка 2 к суммарной площади ΣS_н.m.m. внешней теплообменной поверхности труб 3 определено коэффициентом и составляет 0,08-0,32 [м^-1], при этом отношение суммарной длины Σl" прямолинейных ветвей 7, 8 теплообменных труб 3, обтекаемых в поперечном направлении, к суммарной длине ΣL [м] всех теплообменных труб 3 пучка 2 составляет 0,78-0,92.

Внешняя 12 и внутренняя 13 трубы в каждом ряду 4 пучка 2 содержат каждая не менее одного гиба 14 длиной, равной πR, а гибы 15 остальных труб 3 во всех рядах 4 пучка 2 выполнены длиной, равной .

Внешняя труба 12 каждого из рядов 4, имеющих большее число труб 3, чем в смежных с ним рядах 4, имеет один гиб 14 длиной πR, образующий колено 10, соединяющее внутренние ветви 8 этой трубы 3, а общее число гибов 6 этой трубы 3 равно пяти.

Внутренняя труба 13 каждого из рядов 4, имеющих большее число труб 3, чем в смежных с ним рядах 4, имеет два гиба 14 длиной πR, каждый из которых образует колено 9, 11, соединяющее соответствующие внутреннюю 8 и внешнюю 7 ветви этой трубы 3, а общее число гибов 6 у этой трубы 3 равно четырем.

Шаг а между продольными осями смежных труб 3 прямолинейных ветвей 7, 8 составляет (1,5-2,5)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 3, шаг b между продольными осями колен 9, 10, 11 смежных труб 3 составляет (1,8-2,5)d.

В каждом ряду 4 шаг а между продольными осями смежных труб 3 прямолинейных ветвей 7, 8 меньше или больше, чем шаг b между продольными осями колен 9, 10, 11 смежных труб 3, предпочтительно а<b, или шаг а равен шагу b.

Количество теплообменных труб 3 в смежных по высоте рядах 4 пучка 2 для нечетных и четных рядов 4 составляет соответственно m и n, где m - четное число, а n=(m-1), количество рядов 4 труб 3 в пучке 2 k - предпочтительно нечетное, причем k>3, теплообменные трубы 3 в смежных по высоте рядах 4 размещены в шахматном порядке со смещением на (0,4-0,6)а, [м], где a - шаг между продольными осями смежных труб 3 на прямолинейных ветвях 7, 8 одного ряда 4, [м].

Каждое колено 9, 10, 11 труб 3 всех рядов 4 пучка 2, образованное двумя гибами 15 длиной каждый, равной , содержит сопряженную с гибами 15 прямолинейную вставку 16 длиной, кратной 2а, где а - шаг между осями одноименных - прямолинейных ветвей 7 или 8 смежных труб ряда.

Каждое колено 9, 10, 11 труб 3 всех рядов 4 пучка 2, образованное двумя гибами 15 длиной каждый, равной , содержит сопряженную с гибами 15 прямолинейную вставку 16 длиной, изменяющейся у разных труб 3 ряда 4 от величины, равной 2a±10% [м], до величины, равной 2а(m-1)±10% [м] для рядов 4 с большим числом труб 3, чем в смежных с ними по высоте рядах 4, а для остальных рядов 4 до величины, равной а(2n-1)±10% [м], где

а - шаг между осями одноименных прямолинейных ветвей 7 или 8 смежных труб 3 ряда 4, [м],

m - количество труб 3 в ряду 4 с большим числом труб 3, преимущественно четное число труб 3 в нечетных рядах 4,

n - количество труб 3 в ряду 4 с меньшим числом труб 3, преимущественно нечетное количество труб 3 в четных рядах 4.

Количество труб 3 в блоке 1 составляет предпочтительно 263-563 шт.

Работа регенеративного воздухоподогревателя осуществляется следующим образом.

Воздух, предназначенный для топки газотурбинной установки, поступает в компрессор, в котором подвергается сжатию, а затем по трубопроводу подвода через коллектор подвода нагреваемой среды и трубную доску подается в теплообменные трубы теплообменных блоков каждой секции. Температура воздуха после компрессора составляет около 200°С.

Продукты сгорания приведенного выше состава от турбины ГТУ через диффузор, примыкающий к корпусам теплообменных блоков, поступают внутрь блока секции и омывают теплообменные трубы с нагреваемым воздухом. Подвод продуктов сгорания к теплообменным блокам производится в противотоке с направлением движения нагреваемого воздуха, то есть продукты сгорания поступают в теплообменный блок со стороны расположения коллектора отвода нагреваемой среды. На входе в теплообменный блок продукты сгорания имеют температуру 520-550°С.

Проходя по теплообменным трубам блоков, воздух нагревается продуктами сгорания до температуры 440-450°С и через трубную доску поступает в коллектор отвода нагреваемой среды, из которого по трубопроводу подается на вход топки ГТУ.

Продукты сгорания выводятся в атмосферу через конфузор, примыкающий к корпусам теплообменных блоков.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для утилизации тепла отходящих от агрегатов газов, в частности, для подогрева воздуха выхлопными продуктами сгорания, поступающими от компрессора газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата на компрессорных станциях магистральных газопроводов. В теплообменном блоке регенеративного воздухоподогревателя, предпочтительно блочно-секционного, пучок теплообменных труб выполнен четырехходовым многорядным и содержит теплообменные трубы, уложенные преимущественно горизонтальными рядами с разнесением по вертикали и по горизонтали друг от друга посредством дистанцирующих элементов, при этом геометрические характеристики теплообменных труб пучка принимают в зависимости от коэффициентов, первый из которых в учитывает отношение объема, занимаемого теплообменными трубами в блоке, к общему внутреннему объему теплообменного блока, а второй - отношение длины развертки теплообменной трубы к площади теплообмена поверхности, при этом отношение суммарной длины теплообменных труб, обтекаемых в поперечном направлении, к суммарной длине разверток всех теплообменных труб пучка составляет 0,78-0,92, отношение суммы длин участков теплообменных труб, обтекаемых в продольном направлении, к суммарной длине разверток всех труб пучка составляет 0,05-0,18, а отношение суммы длин участков гиба к суммарной длине разверток всех труб пучка составляет 0,01-0,03. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в достижении оптимального характера обтекания высокотемпературными продуктами сгорания четырехходового многорядного пучка теплообменных труб, заполненных нагреваемым воздухом. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, предпочтительно блочно-секционного, характеризующийся тем, что он включает многорядный пучок четырехходовых теплообменных труб преимущественно с неодинаковым числом труб в смежных по высоте рядах, преимущественно горизонтальных, с отделением по вертикали и по горизонтали друг от друга посредством дистанцирующих элементов, каждая теплообменная труба ряда выполнена с числом гибов у разных труб пучка от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена, при этом количество и распределение труб в пучке приняты с соблюдением условия, при котором отношение объема V_т.т. [м³], занимаемого теплообменными трубами в блоке и равного суммарному объему прямолинейных ветвей и колен труб пучка, очерченному по внешнему контуру условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб, за вычетом объема межтрубной среды между ветвями и коленами труб пучка к общему внутреннему объему теплообменного блока V_вн.бл. [м³], определено в диапазоне значений составляющем 0,56-0,85, а отношение суммарной длины ΣL [м] труб пучка к суммарной площади ΣS_н.т.т. внешней теплообменной поверхности труб определено коэффициентом и составляет 0,08-0,32 [м^-1], при этом отношение суммарной длины Σl" прямолинейных ветвей теплообменных труб, обтекаемых в поперечном направлении, к суммарной длине ΣL [м] всех теплообменных труб пучка составляет 0,78-0,92.2. Теплообменный блок по п.1, отличающийся тем, что внешняя и внутренняя трубы в каждом ряду пучка содержат каждая не менее одного гиба длиной, равной πR, а гибы остальных труб во всех рядах пучка выполнены длиной 3. Теплообменный блок по п.2, отличающийся тем, что внешняя труба каждого из рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ним рядах, имеет один гиб длиной πR, образующий колено, соединяющее внутренние ветви этой трубы, а общее число гибов этой трубы равно пяти.4. Теплообменный блок по п.2, отличающийся тем, что внутренняя труба каждого из рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ним рядах, имеет два гиба длиной πR, каждый из которых образует колено, соединяющее соответствующие внутреннюю и внешнюю ветви этой трубы, а общее число гибов у этой трубы равно четырем.5. Теплообменный блок по п.1, отличающийся тем, что шаг а между продольными осями смежных труб прямолинейных ветвей составляет (1,5-2,5)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, шаг b между осями смежных труб на прямолинейных участках колен составляет (1,8-2,8)d.6. Теплообменный блок по п.5, отличающийся тем, что в каждом ряду шаг а между продольными осями смежных труб прямолинейных ветвей меньше или больше, чем шаг b между продольными осями колен смежных труб, предпочтительно а<b, или шаг а равен шагу b.7. Теплообменный блок по п.1, отличающийся тем, что количество теплообменных труб в смежных по высоте рядах пучка для нечетных и четных рядов составляет соответственно m и n, где m - четное число, а n=(m-1), количество рядов труб в пучке k предпочтительно нечетное, причем k>3, теплообменные трубы в смежных по высоте рядах размещены в шахматном порядке со смещением на (0,4-0,6)а, [м], где а - шаг между продольными осями смежных труб на прямолинейных ветвях одного ряда, [м].8. Теплообменный блок по п.1, отличающийся тем, что каждое колено труб всех рядов пучка, образованное двумя гибами длиной каждый, равной содержит сопряженную с гибами прямолинейную вставку длиной, кратной 2а, где а - шаг между осями одноименных прямолинейных ветвей смежных труб ряда.9. Теплообменный блок по п.1, отличающийся тем, что каждое колено труб всех рядов пучка, образованное двумя гибами длиной каждый, равной содержит сопряженную с гибами прямолинейную вставку длиной, изменяющейся у разных труб ряда от величины, равной 2а±10% [м], до величины, равной 2а(m-1)±10% [м], для рядов с большим числом труб, чем в смежных с ними по высоте рядах, а для остальных рядов до величины, равной а(2n-1)±10% [м], где а - шаг между осями одноименных прямолинейных ветвей смежных труб ряда, [м], m - количество труб в ряду с большим числом труб, преимущественно четное число труб в нечетных рядах, n - количество труб в ряду с меньшим числом труб, преимущественно нечетное количество труб в четных рядах.10. Теплообменный блок по п.1, отличающийся тем, что количество труб в блоке составляет предпочтительно 263-563 шт.