ПУЧОК ОРЕБРЕННЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ АППАРАТА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА Российский патент 2005 года по МПК F28D1/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к конвективным поверхностям нагрева, а именно к пучкам оребренных теплообменных труб, и может быть использовано в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) газа.

Трубные пучки, т.е. пучки из параллельных труб, являются эффективными средствами, обеспечивающими взаимодействие большой поверхности теплообмена с теплоносителями, движущимися в перекрестном направлении. Проблема, существующая с трубными пучками, заключается в необходимости обеспечивать надлежащую опору для индивидуальных труб с тем, чтобы трубы сохраняли свою конструкционную целостность в условиях действующих сил со стороны набегающего на трубный пучок воздуха. В этих условиях трубный пучок испытывает большие вибрации, которые усиливаются также и дополнительной турбулизацией охлаждающего теплоносителя (воздуха) с целью повышения эффективности теплосъема. Кроме этого, для пучков теплообменных труб, имеющих большие габариты и массу, остро стоит вопрос, связанный с эффективностью теплообмена и оптимизацией параметров теплообменных элементов.

Известен пучок теплообменных труб, используемый в теплообменном аппарате, с расположенными внутри теплообменных трубок вставками, основное назначение которых состоит в турбулизации пристенного слоя путем создания там градиента давлений и скоростей и образования, желательно мелкодисперсных вихрей (см. например, Бажан П.И. и др., "Справочник по теплообменным аппаратам", Москва, Машиностроение, 1989, с.72).

Известен также пучок теплообменных труб с кольцевым оребрением, в котором ребра выполнены с [-образным профилем и в смежных рядах ориентированы своими изгибами навстречу друг другу для обеспечения турбулизации потока набегающего воздуха, а параметры теплообменных труб, связанные с коэффициентом оребрения, оптимизированы, с целью обеспечения компактности и уменьшения металлоемкости при эффективной теплоотдаче (SU 1476254). Такие трубы сложны в изготовлении, а для их дистанцирования в пучке необходимы элементы сложной конструкции.

Наиболее близким к изобретению по своей сущности и достигаемому результату является пучок оребренных теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения газа, состоящий из труб, которые в пучке размещены горизонтальными рядами, расположенными друг над другом со смещением труб в каждом ряду относительно труб в смежных по высоте пучка рядах. Ряды труб отделены друг от друга дистанцирующими элементами, с чередующимися по длине пластины выпуклыми и вогнутыми участками. Трубы выполнены с оребрением (см. например, под. ред. В.Б.Кунтыша, А.Н.Бессонного, "Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения", Санкт-Петербург, Издательство "Недра", 1996, с.36-40, рис.2.7).

Известный пучок включает 4, 6 и 8 рядов оребренных труб, которые расположены в пучке либо классически с шагом труб по равностороннему треугольнику, либо с увеличенным поперечным шагом, что позволяет в значительной мере уменьшить потери напора на стороне воздуха. Увеличение длины труб до 18 м при традиционном их выполнении, способствуя повышению аппаратной тепловой мощности в связи с увеличением площади теплообмена, приводит к уменьшению жесткости и устойчивости пучка, значительным прогибам в вертикальной плоскости, зацеплению ребер труб смежных рядов, нарушению равномерного проходного сечения для воздуха, при этом ухудшаются гидродинамические условия обтекания трубного пучка и снижаются теплоаэродинамические характеристики аппаратов против расчетных.

Задачей изобретения является повышение экономичности пучка теплообменных труб АВО газа в процессе его изготовления и эксплуатации, а также в повышении надежности и долговечности.

Поставленная задача решается за счет того, что в пучке оребренных теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения газа, согласно изобретению, трубы в пучке размещены рядами, расположенными друг над другом со смещением труб в каждом ряду относительно труб в смежных по высоте пучка рядах, а ряды труб отделены друг от друга дистанцирующими элементами в виде пластин с чередующимися по длине пластины выпуклыми и вогнутыми участками, образующими опорные площадки под трубы смежных по высоте пучка рядов, при этом трубы выполнены преимущественно одноходовыми с оребрением и образуют в пределах каждого ряда в проекции на условную плоскость, нормальную к вектору потока подводимой к трубам внешней теплообменной среды, преимущественно охлаждающего потока воздуха, проходящей через центральные продольные оси труб каждого ряда, участки полной аэродинамической непрозрачности, соответствующие проекциям на указанную плоскость труб без учета оребрения, участки полной аэродинамической прозрачности, соответствующие проекциям на указанную плоскость зазоров между обращенными друг к другу кромками ребер смежных в ряду труб, и участки неполной аэродинамической прозрачности, соответствующие сечениям указанной плоскостью ребер труб, причем удельное соотношение на единицу площади упомянутой условной плоскости суммарных площадей проекций указанных участков с различной аэродинамической прозрачностью в каждом ряду составляет соответственно (0,85-1,15):(1,82-2,17):(1,80-2,19).

Трубы могут быть размещены рядами в количестве от двух до четырнадцати рядов по высоте пучка.

Количество труб в каждом ряду может составлять от 12 до 125.

Количество труб в каждом четном ряду, считая снизу, может быть принято четным, а в каждом нечетном ряду - нечетным.

Количество труб в каждом четном ряду, считая снизу, может быть принято нечетным, а в каждом нечетном ряду - четным.

Число рядов труб в пучке может быть принято четным.

Число рядов труб в пучке может быть принято нечетным.

По крайней мере, часть труб пучка могут быть выполнены не менее, чем двухслойными из материалов с различной теплопроводностью.

По крайней мере, внешний слой труб может быть выполнен из материала с большей теплопроводностью, чем внутренний слой.

По крайней мере, часть труб пучка могут быть выполнены биметаллическими.

Внешние слои, по крайней мере, части труб и их оребрение могут быть выполнены из высокотеплопроводного металла или сплавов, преимущественно из алюминиевого сплава с коэффициентом теплопроводности, не менее чем на 5% превышающим теплопроводность материала внутреннего слоя трубы, в качестве которого может быть использована предпочтительно сталь.

Внешний слой, по крайней мере, части труб и/или их оребрение могут быть выполнены из меди или медьсодержащих сплавов.

По крайней мере, внешний слой, по крайней мере, части труб и/или их оребрение могут быть выполнены из высокопрочного и стойкого к агрессивным факторам межтрубной среды материала, преимущественно из титана или титансодержащих сплавов.

По крайней мере, внешняя поверхность труб и их оребрение могут быть покрыты высокотеплопроводным и стойким к агрессивным средам материалом, например, слоем алюминия или меди, нанесенным анодированием, или напылением или плакированием.

Оребрение труб может быть выполнено в виде спирали из навитой на трубы и прикрепленной к корпусу трубы металлической ленты или в виде ребер, образованных накаткой внешнего слоя трубы.

Наружный диаметр труб до основания ребер может составлять от 15 мм до 45 мм.

Толщина стенки труб может составлять от 0,9 мм до 3,5 мм.

Полная высота ребер труб может составлять от 0,27d до 0,85d, где d - наружный диаметр трубы, мм.

Ребра труб могут быть выполнены толщиной по внешнему диаметру, составляющей от 0,3 мм до 2,5 мм, а в зоне сопряжения с внешней поверхностью трубы - от 0,5 мм до 3,5 мм, причем в этой зоне ребро сопряжено с трубой по кривой, радиус которой не меньше половины ребра в зоне сопряжения.

Каждая труба может быть выполнена биметаллической с внешним диаметром внутренней несущей трубы, составляющим 25 мм, толщиной стенки 1,5-2,0 мм, полной высотой ребер 15-20 мм, толщиной ребра по его внешнему диаметру 0,5 мм, а в зоне сопряжения с внешней поверхностью внешнего слоя трубы - 0,8 мм, причем толщина внешнего слоя трубы составляет 1-1,5 мм.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в повышении теплоаэродинамических характеристик, в улучшении условий обтекания трубного пучка рабочей средой, а также повышении срока службы пучка теплообменных труб за счет обеспечения жесткости и устойчивости пучка при одновременном исключении зацепления ребер труб смежных рядов и отсутствии нарушения равномерности проходного сечения для охлаждающего воздуха за счет оптимизации параметров пучка оребренных труб. При этом увеличивается коэффициент теплоотдачи поверхности оребренных труб со стороны охлаждающего воздуха за счет выполнения труб пучка двухслойными из материала для внешнего слоя с большей теплопроводностью, чем для внутреннего слоя, по которому проходит охлаждаемый газ. Кроме этого, увеличивается суммарная площадь теплообменной поверхности за счет увеличения плотности упаковки труб в пучке, а также повышается надежность и долговечность его работы и снижается металлоемкость конструкции.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображен пучок оребренных труб АВО газа с разделяющими его ряды дистанцирующими элементами;

на фиг.2 - узел А на фиг.1, отображающий расположение оребренных теплообменных труб в ряду пучка;

на фиг.3 - оребренная теплообменная труба пучка, фрагмент;

на фиг.4 - узел Б на фиг.3.

Пучок оребренных теплообменных труб АВО газа содержит теплообменные трубы 1. Теплообменные трубы 1 в пучке размещены преимущественно горизонтальными рядами 2 в количестве от двух до четырнадцати рядов 2 по высоте пучка. Ряды 2 расположены друг над другом со смещением труб 1 в каждом ряду 2 относительно труб 1 в смежных по высоте пучка рядах 2 и выполнены с оребрением 3.

Ряды 2 труб 1 отделены друг от друга дистанцирующими элементами 4 с чередующимися по длине пластины выпуклыми и вогнутыми участками, образующими опорные площадки 5 под трубы 1 смежных по высоте пучка рядов 2.

Количество труб 1 в каждом ряду 2 составляет от 12 до 125. Количество труб 1 в каждом четном ряду 2, считая снизу, может быть принято четным, а в каждом нечетном ряду 2 - нечетным. Число рядов 2 труб 1 в пучке может быть принято четным. По крайней мере, часть труб 1 пучка могут быть выполнены не менее чем двухслойными из материалов с различной теплопроводностью. По крайней мере, внешний слой 6 труб 1 может быть выполнен из материала с большей теплопроводностью, чем внутренний слой 7 или внутренние слои.

Внешние слои 6, по крайней мере, части труб 1 и их оребрение 3 могут быть выполнены из высокотеплопроводного металла или сплавов, преимущественно из алюминиевого сплава с коэффициентом теплопроводности, не менее чем на 5% превышающим теплопроводность материала внутреннего слоя 7 трубы 1, в качестве которого использована предпочтительно сталь. Внешний слой 6, по крайней мере, части труб 1 и/или их оребрение 3 могут быть выполнены из меди или медьсодержащих сплавов. Внешний слой 6, по крайней мере, части труб 1 и/или их оребрение 3 могут быть выполнены из высокопрочного и стойкого к агрессивным факторам межтрубной среды материала, преимущественно из титана или титансодержащих сплавов. По крайней мере, внешняя поверхность труб 1 и их оребрение 3 могут быть покрыты высокотеплопроводным и стойким к агрессивным средам материалом, например, слоем алюминия или меди, нанесенным анодированием, или напылением или плакированием.

Оребрение 3 труб 1 может быть выполнено в виде спирали из навитой на трубы 1 и прикрепленной к корпусу трубы 1 металлической ленты (на чертеже не показано). Оребрение 3 также может быть выполнено в виде ребер 8, образованных накаткой внешнего слоя трубы 1. Наружный диаметр d труб 1 до основания ребер может составлять от 15 мм до 45 мм. Толщина стенки δ труб 1 может составлять от 0,9 мм до 3,5 мм. Полная высота h ребер 8 труб 1 может составлять от 0,27d до 0,85d, где d - наружный диаметр трубы 1, мм. Ребра 8 труб 1 могут быть выполнены толщиной m₁ по внешнему диаметру, составляющей от 0,3 мм до 2,5 мм, а в зоне сопряжения с внешней поверхностью 6 трубы 1 толщиной m₂ - от 0,5 мм до 3,5 мм. В этой зоне ребро 8 может быть сопряжено с трубой 1 по кривой, радиус R которой не меньше половины ребра 8 в зоне сопряжения.

Трубы 1 выполнены преимущественно одноходовыми с оребрением 3 и образуют в пределах каждого ряда 2 в проекции на условную плоскость, нормальную к вектору потока подводимой к трубам 1 внешней теплообменной среды, преимущественно охлаждающего потока воздуха, и проходящую через центральные продольные оси труб 1 каждого ряда, участки полной аэродинамической непрозрачности 9, соответствующие проекциям на указанную плоскость труб 1 без учета оребрения 3, участки полной аэродинамической прозрачности 10, соответствующие проекциям на указанную плоскость зазоров между обращенными друг к другу кромками ребер 8 смежных в ряду труб 1, и участки неполной аэродинамической прозрачности 11, ограниченные каждый с одной стороны условной прямой, проходящей по вершинам 12 ребер 8, а с другой стороны - контуром тела трубы 1 по основаниям 13 ребер 8, причем удельное соотношение на единицу площади упомянутой условной плоскости суммарных площадей проекций указанных участков 9, 10, 11 с различной аэродинамической прозрачностью в каждом ряду составляет соответственно (0,85-1,15):(1,82-2,17):(1,80-2,19).

Ребра 8 оребрения 3 могут быть расположены преимущественно под углом к центральной продольной оси трубы 1, в том числе по спирали, или поперечно относительно этой оси.

Каждая труба 1 может быть выполнена биметаллической с внешним диаметром внутренней 7 несущей трубы, составляющим 25 мм, толщиной стенки 1,5-2,0 мм, полной высотой ребер 15-20 мм, толщиной ребра 8 по его внешнему диаметру 0,5 мм, а в зоне сопряжения с внешней поверхностью внешнего слоя трубы - 0,8 мм, причем толщина внешнего слоя трубы 1 составляет 1-1,5 мм.

Аппарат воздушного охлаждения газа двухсекционный горизонтального типа с нижним расположением 6 вентиляторов работает следующим образом. При подаче охлаждающего теплоносителя (воздуха) температурой 27°С на пучок оребренных теплообменных труб каждой секции, по которым транспортируют охлаждаемый природный газ на входе в АВО с давлением 8,35 МПа и входной после компримирования температурой 60°С, происходит обтекание пучка труб воздухом и контактный теплообмен с охлаждением газа на выходе до 40°С при потерях давления по газу менее 0,03 МПа. При этом за счет оптимизации параметров оребренных труб пучка, повышающих их теплоаэродинамические характеристики и улучшающих аэродинамические условия обтекания пучка охлаждающим теплоносителем, увеличивается суммарная площадь теплообменной поверхности за счет увеличения плотности упаковки труб в пучке. При этом при заявленных оптимальных параметрах пучка теплообменных труб повышается жесткость и устойчивость пучка и исключаются прогибы труб в вертикальной плоскости, а также зацепление ребер труб в смежных рядах и нарушение равномерности проходного сечения для воздуха.

Аппарат воздушного охлаждения газа с нижним расположением вентиляторов работает следующим образом. При подаче охлаждающего теплоносителя (воздуха) на пучок оребренных теплообменных труб, по которым транспортируют природный газ, происходит обтекание пучка труб воздухом и контактный теплообмен. При этом за счет оптимизации параметров оребренных труб пучка, повышающих их теплоаэродинамические характеристики и улучшающих аэродинамические условия обтекания пучка охлаждающим теплоносителем, увеличивается суммарная площадь теплообменной поверхности за счет увеличения плотности упаковки труб в пучке. При этом при заявленных оптимальных параметрах пучка теплообменных труб повышаются жесткость и устойчивость пучка и исключаются прогибы труб в вертикальной плоскости, а также зацепление ребер труб в смежных рядах и нарушение равномерности проходного сечения для воздуха.

При заданных габаритах пучка теплообменных труб и расходе газа, который определяет внутренний диаметр труб, по которым проходит охлаждаемый газ, по заявляемым соотношениям определяются необходимые параметры теплообменных элементов.

Предлагаемое изобретение за счет оптимизации параметров теплообменных элементов позволит повысить теплоаэродинамические характеристики и улучшить условия обтекания трубного пучка рабочей средой. Это обеспечит повышение тепловой эффективности при минимальной металлоемкости конструкции. Заявляемый пучок теплообменных труб АВО газа обеспечит также более высокую тепловую эффективность и надежность работы за счет обеспечения жесткости и устойчивости пучка, исключающей нарушение равномерности проходного сечения для рабочей среды.

Изобретение предназначено для применения в теплоэнергетике, в частности в конвективных поверхностях нагрева, а именно в пучках оребренных теплообменных труб, и может быть использовано в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) газа. Пучок оребренных теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения газа, в котором трубы размещены рядами, расположенными друг над другом со смещением труб в каждом ряду относительно труб в смежных по высоте пучка рядах, а ряды труб отделены друг от друга дистанцирующими элементами в виде пластин с чередующимися по длине пластины выпуклыми и вогнутыми участками, образующими опорные площадки под трубы смежных по высоте пучка рядов, при этом трубы выполнены преимущественно одноходовыми с оребрением и образуют в пределах каждого ряда в проекции на условную плоскость, нормальную к вектору потока подводимой к трубам внешней теплообменной среды, преимущественно охлаждающего потока воздуха, и проходящую через центральные продольные оси труб каждого ряда, участки полной аэродинамической непрозрачности, соответствующие проекциям на указанную плоскость труб без учета оребрения, участки полной аэродинамической прозрачности, соответствующие проекциям на указанную плоскость зазоров между обращенными друг к другу кромками ребер смежных в ряду труб, и участки неполной аэродинамической прозрачности, ограниченные каждый с одной стороны условной прямой, проходящей по вершинам ребер, а с другой стороны - контуром тела трубы по основаниям ребер, причем удельное соотношение на единицу площади упомянутой условной плоскости суммарных площадей проекций указанных участков с различной аэродинамической прозрачностью в каждом ряду составляет соответственно (0,85-1,15):(1,82-2,17):(1,80-2,19). Изобретение позволяет повысить тепловую эффективность за счет оптимизации параметров теплообменных элементов. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пучок оребренных теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения газа, характеризующийся тем, что трубы в пучке размещены рядами, расположенными друг над другом со смещением труб в каждом ряду относительно труб в смежных по высоте пучка рядах, а ряды труб отделены друг от друга дистанцирующими элементами в виде пластин с чередующимися по длине пластины выпуклыми и вогнутыми участками, образующими опорные площадки под трубы смежных по высоте пучка рядов, при этом трубы выполнены преимущественно одноходовыми с оребрением и образуют в пределах каждого ряда в проекции на условную плоскость, нормальную к вектору потока подводимой к трубам внешней теплообменной среды, преимущественно охлаждающего потока воздуха, и проходящую через центральные продольные оси труб каждого ряда, участки полной аэродинамической непрозрачности, соответствующие проекциям на указанную плоскость труб без учета оребрения, участки полной аэродинамической прозрачности, соответствующие проекциям на указанную плоскость зазоров между обращенными друг к другу кромками ребер смежных в ряду труб, и участки неполной аэродинамической прозрачности, ограниченные каждый с одной стороны условной прямой, проходящей по вершинам ребер, а с другой стороны - контуром тела трубы по основаниям ребер, причем удельное соотношение на единицу площади упомянутой условной плоскости суммарных площадей проекций указанных участков с различной аэродинамической прозрачностью в каждом ряду составляет соответственно (0,85-1,15):(1,82-2,17):(1,80-2,19).2. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что трубы размещены рядами в количестве от двух до четырнадцати рядов по высоте пучка.3. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что количество труб в каждом ряду составляет от 12 до 125.4. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что количество труб в каждом четном ряду, считая снизу, принято четным, а в каждом нечетном ряду - нечетным.5. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что количество труб в каждом четном ряду, считая снизу, принято нечетным, а в каждом нечетном ряду - четным.6. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что число рядов труб в пучке принято четным.7. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что число рядов труб в пучке принято нечетным.8. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть труб пучка выполнены не менее чем двухслойными из материалов с различной теплопроводностью.9. Пучок оребренных труб по п.8, отличающийся тем, что, по крайней мере, внешний слой труб выполнен из материала с большей теплопроводностью, чем внутренний слой.10. Пучок оребренных труб по п.8, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть труб пучка выполнена биметаллической.11. Пучок оребренных труб по п.10, отличающийся тем, что внешние слои, по крайней мере, части труб и их оребрение выполнены из высокотеплопроводного металла или сплавов, преимущественно из алюминиевого сплава с коэффициентом теплопроводности, не менее чем на 5% превышающим теплопроводность материала внутреннего слоя трубы, в качестве которого использована предпочтительно сталь.12. Пучок оребренных труб по п.8, отличающийся тем, что внешний слой, по крайней мере, части труб и/или их оребрение выполнены из меди или медьсодержащих сплавов.13. Пучок оребренных труб по п.8, отличающийся тем, что, по крайней мере, внешний слой, по крайней мере, части труб и/или их оребрение выполнены из высокопрочного и стойкого к агрессивным факторам межтрубной среды материала, преимущественно из титана или титансодержащих сплавов.14. Пучок оребренных труб по п.8, отличающийся тем, что, по крайней мере, внешняя поверхность труб и их оребрение покрыты высокотеплопроводным и стойким к агрессивным средам материалом, например слоем алюминия или меди, нанесенным анодированием, или напылением, или плакированием.15. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что оребрение труб выполнено в виде спирали из навитой на трубы и прикрепленной к корпусу трубы металлической ленты или в виде ребер, образованных накаткой внешнего слоя трубы.16. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр труб до основания ребер составляет от 15 до 45 мм.17. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что толщина стенки труб составляет от 0,9 до 3,5 мм.18. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что полная высота ребер труб составляет от 0,27d до 0,85d, где d - наружный диаметр трубы, мм.19. Пучок оребренных труб по п.1, отличающийся тем, что ребра труб выполнены толщиной по их внешнему диаметру, составляющей от 0,3 до 2,5 мм, а в зоне сопряжения с внешней поверхностью трубы - от 0,5 до 3,5 мм, причем в этой зоне ребро сопряжено с трубой по кривой, радиус которой не меньше половины ребра в зоне сопряжения.20. Пучок оребренных труб по п.10, отличающийся тем, что каждая труба выполнена биметаллической с внешним диаметром внутренней несущей трубы, составляющим 25 мм, толщиной стенки 1,5-2,0 мм, полной высотой ребер 15-20 мм, толщиной ребра по его внешнему диаметру 0,5 мм, а в зоне сопряжения с внешней поверхностью внешнего слоя трубы - 0,8 мм, причем толщина внешнего слоя трубы составляет 1-1,5 мм.