ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ - БЛОЧНО-СЕКЦИОННЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ И ТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК F28D7/08 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 воздухоподогреватель (SU №992920, F12L 15/04, 1983 г.), содержащий расположенные один над другим и установленные на нижнем каркасе блоки теплообменных секций, образованных вертикальными трубками с горизонтальными трубными досками, жестко скрепленными между собой и верхним распределительным коробом, снабженным компенсатором температурных изменений, при этом воздухоподогреватель снабжен силовым поясом с пружинными опорами, охватывающими распределительный короб, жестко скрепленный с поясом в зоне ниже своего компенсатора, а участком выше последнего взаимодействующий с его пружинными опорами.

Известен также регенеративный воздухоподогреватель (SU №985595, F12L 15/04, 1982 г.), содержащий трубную доску с закрепленным в ней пучком теплообменных труб, установленных вертикальными рядами, плоскости которых перпендикулярны к опорным краям трубной доски, при этом для снижения термических напряжений трубы в местах закрепления пучка труб в трубных досках трубы в рядах на участках, расположенных со стороны опорных краев трубной доски, соединены между собой и с трубными досками дополнительными проставками.

К недостаткам описанных выше устройств относится их высокая металлоемкость, обусловленная наличием вертикальных теплообменных трубок и горизонтальных трубных досок. В первом аналоге нагрузка от верхнего распределительного короба воспринимается через блоки теплообменных секций нижним каркасом, в связи с чем потребовалось введение силового пояса с пружинными опорами. Во втором аналоге для снижения термических напряжений потребовалось введение проставок, объединяющих трубы между собой и с трубной доской.

Ближайшим аналогом является регенеративный воздухоподогреватель (RU №31838 U1, F23L 15/04, 27.08.2003 г.), содержащий теплообменные блоки, имеющие собранные в пакеты пучки теплообменных труб, торцы которых элементами крепления соединены с коллекторами подвода и отвода воздуха, пучок теплообменных труб имеет форму змеевика и выполнен однопакетным, при этом элементы крепления теплообменных труб к коллекторам выполнены в виде отдельных трубных досок, вваренных непосредственно в стенку соответствующего коллектора.

К недостаткам ближайшего аналога относится то, что он не обеспечивает высокой тепловой эффективности, а также компактности укладки теплообменных труб при обеспечении прочности и жесткости конструкции, вследствие чего ближайший аналог обладает повышенной металлоемкостью.

Известен теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, включающий четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб (RU №17600 U1, F23L 15/04, 10.04.2001 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.

Известны пучки теплообменных труб регенеративных воздухоподогревателей (RU 2087825, 20.08.1997), дистанцирующие элементы которых выполнены гофрированными, в поперечном сечении имеющими форму непрерывных волн. Дистанцирующие элементы могут быть также выполнены в виде периодических гофр, имеющих вид полной волны, при этом гофрированными могут быть выполнены и промежутки между гофрами в виде промежуточных гофров меньшей высоты, расположенных под углом к направлению основных дистанцирующих гофр, совпадающему, как правило, с направлением потока теплообменивающихся сред.

Недостатками этого аналога является то, что вследствие такого исполнения дистанцирующих элементов общая тепловая эффективность пучка теплообменных труб является недостаточной, что при прочих равных условиях ведет к увеличению габаритов и повышению металлоемкости.

Близким аналогом также является пучок теплообменных труб трубчатого воздухоподогревателя (SU №1453122, F23L 15/04, 1989 г.), включающий теплообменные трубы, закрепленные в трубных решетках, при этом промежуточные трубные решетки выполнены из волнистых полос и предназначены для прикрепления к ним теплообменных труб в случае подвода линии к зазорам между трубами и обечайками. Волнистые полосы обеспечивают пространственную фиксацию теплообменных труб, при этом волнистые полосы имеют расположенные с двух сторон полос опорные участки по одному на каждой "полуволне", полосы для опорного контакта с опорными участками смежных по высоте волнистых полос и соединяющие опорные участки два наклонных участка, образующих опорные элементы для опирания труб пучка.

Данное устройство обладает большой металлоемкостью и недостаточно высокой эффективностью теплообмена за счет того, что волнистые полосы установлены вертикально и для образования трубной решетки, выполняющей функцию дистанцирующего элемента, необходимо скреплять, например сваркой, опорные участки между собой и с теплообменными трубами.

Известен коллектор теплообменника, содержащий входной и выходной патрубки, пакет пластин, концевые из которых вместе с крышками образуют коллекторы (RU №2137076, 10.09.1999 г.).

Известны коллекторы подвода - отвода воздуха регенеративного воздухоподогревателя, в которые вварена общая трубная доска (RU №17600 U1, 2001 г., RU №2176051, 20.11.2001 г.).

Задачей, решаемой всеми объектами изобретения, является повышение эффективности теплообмена при одновременном обеспечении компактности, повышении прочности и жесткости конструкций и снижении металлоемкости.

Задача в части первого объекта группы изобретений решается за счет того, что теплообменный аппарат - блочно-секционный воздухоподогреватель согласно изобретению содержит одну или несколько секций, каждая из которых включает не менее двух теплообменных, объединенных диффузором для подвода и конфузором для отвода охлаждаемой среды, преимущественно отходящих от турбины горячих газов, блоков с коллекторами подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, каждый из которых соединен посредством трубных досок с, по крайней мере, одним многорядным пучком многоходовых теплообменных труб с числом гибов у разных труб пучка от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена, при этом, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен несовпадающим с шагом труб и/или части длины труб в том же направлении в поперечном сечении в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, может превышать шаг, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, может быть меньше шага, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.

Шаг, по крайней мере, части труб пучка может быть выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка, например, в пределах ветви ряда труб пучка и/или между, по крайней мере, частью рядов труб по высоте пучка.

Внутренние ветви или их части, по крайней мере, части рядов труб пучка могут быть выполнены непараллельными внешним ветвям в пределах соответствующих рядов, а зазоры между ветвями, по крайней мере, части рядов труб пучка могут быть выполнены при этом переменной ширины по длине ветвей, например клиновидно сужающимися и/или клиновидно расширяющимися.

Соотношение неравных шагов смежных труб может быть принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

Количество и распределение труб в пучке могут быть 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], ограниченному днищем, верхней крышкой и торцевыми стенами корпуса блока, определено в диапазоне значений составляющем 0,56÷0,85, а отношение суммарной длины ∑L [м] труб пучка к суммарной площади ∑S_н.т.т. внешней теплообменной поверхности труб определено коэффициентом составляющим 0,08÷0,32 [м^-1].

В каждой секции теплообменного аппарата теплообменные блоки могут быть расположены один над другим, а предпочтительное количество блоков - четыре, причем коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды могут быть выполнены с возможностью соединения с трубопроводами подвода и отвода нагреваемой среды, в качестве которой использован предпочтительно воздух, в том числе с обогащенным содержанием кислорода, при этом в качестве охлаждаемой среды использованы продукты сгорания после турбины газотурбинной установки.

Отношение суммарной длины ∑l'' прямолинейных ветвей, по крайней мере, части теплообменных труб, обтекаемых в поперечном направлении, к их суммарной длине ∑L [м] в пучке может составлять 0,78-0,92, при этом внешняя и внутренняя трубы, по крайней мере, в части рядов пучка могут содержать каждая не менее одного гиба длиной, равной πR, а гибы остальных труб в этих рядах пучка могут быть выполнены длиной, равной , при этом внешняя труба этой части рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ними таких рядах, имеет один гиб длиной πR, образующий колено, соединяющее внутренние ветви этой трубы, общее число гибов этой трубы равно пяти, а внутренняя труба каждого из таких рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ними таких 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, 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, причем 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″, и 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], при этом количество труб в блоке составляет предпочтительно 263-563 шт.

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, или 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 2a(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.

Задача в части второго объекта группы изобретений решается за счет того, что теплообменный блок теплообменного аппарата - блочно-секционного воздухоподогревателя согласно изобретению содержит состоящий из четырех ветвей четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб, уложенных горизонтальными рядами и дистанцированных по горизонтали и вертикали друг от друга, коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды, каждый из которых соединен с теплообменными трубами посредством отдельных трубных досок, вмонтированных непосредственно в стенку соответствующего коллектора подвода или отвода нагреваемой среды, причем, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, может превышать шаг, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, может быть меньше шага, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.

Шаг, по крайней мере, части труб пучка может быть выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка, например, в пределах ветви ряда труб пучка и/или между, по крайней мере, частью рядов труб по высоте пучка.

Внутренние ветви, по крайней мере, части рядов труб пучка могут быть выполнены непараллельными внешним ветвям в пределах соответствующих рядов, а зазоры между ветвями, по крайней мере, части рядов труб пучка могут быть выполнены при этом переменной ширины по длине ветвей, например клиновидно сужающимися и/или клиновидно расширяющимися.

Соотношение неравных шагов смежных труб может быть принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

По крайней мере, часть теплообменных труб, по крайней мере, части рядов может быть выполнена с четырьмя или пятью, или шестью гибами радиусом R, образующими четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена, при этом участки гиба у двух труб в каждом нечетном из этих рядов могут иметь длину πR, а именно: у одной трубы - на внутреннем колене, у другой - на двух внешних коленах, для остальных труб таких нечетных и четных рядов участки гиба имеют длину πR/2 и сочленены попарно посредством прямолинейных вставок длиной Н'_i - для внешних колен и H''_i - для внутреннего колена, а количество теплообменных труб в смежных по высоте таких рядах пучка для нечетных и четных рядов составляет соответственно m и n, где m - четное число и n=(m-1), количество таких рядов труб в пучке k - предпочтительно нечетное, причем k>3, теплообменные трубы в смежных по высоте таких рядах могут быть размещены в шахматном порядке со смещением на (0,4÷0,6)а, [м], где а - шаг между продольными осями прямолинейных ветвей смежных труб одного ряда, [м], при этом длины H'_i и Н''_i прямолинейных вставок колен i-й трубы могут быть выполнены переменными: для нечетного ряда теплообменных труб изменяющимися от величины, равной 2а±10%, [м], до величины, равной 2а(m-1)±10%, [м], и для четного ряда - от величины, равной а±10%, [м], до величины, равной а(2n-1)±10%, [м].

Размещение труб в объеме, занимаемом по крайней мере одной ветвью пучка, может быть принято с соблюдением условий, согласно первому из которых отношение суммарной площади ∑F_н.т.п. наружной теплообменной поверхности труб этой ветви пучка к объему ∑V_м.с., занимаемому межтрубной средой в зоне активного теплообмена ветви пучка и равному объему ветви пучка по внешнему контуру, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб ветви пучка, за вычетом объема, занимаемого собственно теплообменными трубами в этой ветви пучка, находится в диапазоне значений, определяемом коэффициентом [м^-1], составляющим (84,5-460) [м^-1], согласно второму условию отношение суммарного объема ∑V_в.с. для нагреваемой среды в трубах ветви пучка к объему V_м.с. определено коэффициентом составляющим 0,78-1,25.

Количество N теплообменных труб в блоке при нечетном количестве рядов k труб в пучке может быть определено зависимостью N=0,5(k-1)(2m-1)+m и составлять предпочтительно 263-563 шт., или количество N теплообменных труб в блоке при четном количестве рядов k труб в пучке определено зависимостью N=0,5k(2m-1) и составляет предпочтительно 263-563 шт.

Между коллекторами подвода и отвода нагреваемой среды может быть закреплен вытеснитель межтрубной среды, выполненный в виде профилированной панели с плоским участком, расположенным между коллекторами подвода или отвода нагреваемой среды, при этом площадь проходного сечения коллектора подвода или коллектора отвода нагреваемой среды составляет 0,45-0,82 суммарной площади проходного сечения теплообменных труб пучка, причем теплообменный блок может быть снабжен устройствами для строповки и люками-лазами, выполненными в коллекторах подвода и отвода нагреваемой среды.

Задача в части третьего объекта в группе изобретений решается за счет того, что теплообменный блок теплообменного аппарата - блочно-секционного воздухоподогревателя согласно изобретению содержит состоящий из пространственного каркаса, днища, верхней крышки и торцевых стен корпус, диффузор для подвода и конфузор для отвода охлаждаемой среды, коллекторы подвода и отвода нагреваемой среды с трубными досками и многоходовой многорядный пучок теплообменных труб, образующих соответственно в каждом ряду четное число прямолинейных многотрубных ветвей, в том числе, по крайней мере, двух внутренних и двух внешних, объединенных участками с гибами преимущественно постоянного для всех труб пучка радиуса, при этом днище, крышка и одна из торцевых стен корпуса блока выполнены в виде панелей с обвязкой из элементов жесткости, образующих плоские стержневые системы, а пространственный каркас блока образован совокупностью плоских стержневых систем каркасов указанных панелей с объединяющими их промежуточными стойками и жестко связанными с ними корпусами коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, которые, в свою очередь, соединены с днищем блока и между собой двухкольцевыми диафрагмами и вытеснителем межтрубной среды, причем части корпусов коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды с вмонтированными в них трубными досками и вытеснителем межтрубной среды образуют в совокупности пространственно развитую жесткую торцевую стенку корпуса блока, а по продольным сторонам каркас выполнен с возможностью крепления соответственно элементов диффузора и конфузора для подвода и отвода охлаждаемой среды, при этом, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, может превышать шаг, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, может быть меньше шага, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.

Шаг, по крайней мере, части труб пучка может быть выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка, например, в пределах ветви ряда труб пучка и/или между, по крайней мере, частью рядов труб по высоте пучка.

Внутренние ветви, или по крайней мере их части, по крайней мере, части рядов труб пучка могут быть выполнены непараллельными внешним ветвям в пределах соответствующих рядов, а зазоры между ветвями, по крайней мере, части рядов труб пучка могут быть выполнены при этом переменной ширины по длине ветвей, например клиновидно сужающимися и/или клиновидно расширяющимися.

Соотношение неравных шагов смежных труб может быть принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

Вытеснитель межтрубной среды может быть выполнен в виде профилированной панели с плоским участком, внутренняя поверхность которого расположена между коллекторами подвода и отвода нагреваемой среды в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок или в виде плоской панели, приваренной к стенкам коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды так, что ее внутренняя поверхность расположена в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок, при этом теплообменный блок может быть снабжен закрепленными на днище и каркасе корпуса блока дистанцирующими элементами для теплообменных труб внешних ветвей пучка в виде дистанцирующих решеток, причем упомянутые теплообменные трубы могут быть пропущены через отверстия дистанцирующих решеток, а последующие ряды теплообменных труб в зоне внутренних ветвей могут быть отделены дистанцирующими планками складчатой формы, которые прикреплены к стойкам, установленным на днище, и, кроме того, на днище корпуса могут быть закреплены гребенки для, по крайней мере, внутренних ветвей нижнего ряда теплообменных труб.

Площадь поперечного сечения каждого из коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды может составлять 1,8-3,5 от суммарной площади проходного сечения теплообменных труб в блоке, при этом коллекторы подвода и отвода нагреваемой среды могут быть выполнены с люками-лазами, расположенными со стороны днища блока, при этом крышки люков-лазов шарнирно закреплены на корпусах коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, а на внутренних стенках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды установлены опоры, образующие лестницу для осмотра и технического обслуживания коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды и трубных досок.

Теплообменный блок теплообменного аппарата может быть оборудован средствами для прикрепления диффузора для подвода и конфузора для отвода охлаждаемой среды, установленными на противолежащих боковых элементах пространственного каркаса блока, а также скобами для прикрепления наружной теплоизоляции.

Задача в части четвертого объекта группы изобретений решается за счет того, что теплообменный блок теплообменного аппарата - блочно-секционного воздухоподогревателя согласно изобретению содержит многорядный пучок теплообменных труб, состоящий из, по крайней мере, двух пакетов двухходовых U-образных труб, образующих в пределах каждого пакета двухветвевые, например, горизонтальные ряды труб, дистанцированных в пределах ряда и между рядами друг от друга, коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды и расположенную между ними, по крайней мере, одну перепускную камеру, причем коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды, а также перепускная камера соединены с теплообменными трубами общей для них трубной доской или раздельными трубными досками, по крайней мере, часть которой или которых образует часть стенового ограждения коллектора подвода и коллектора отвода нагреваемой среды и перепускной камеры, причем, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды и/или перепускной камеры, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды и/или перепускной камере, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды и/или от перепускной камеры, может превышать шаг, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды и/или к перепускной камере.

Шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды и/или от перепускной камеры, может быть меньше шага, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды и/или к перепускной камере.

Шаг, по крайней мере, части труб пучка может быть выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка, например, в пределах ветви ряда труб пучка и/или между, по крайней мере, частью рядов труб по высоте пучка.

Соотношение неравных шагов смежных труб может быть принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

Технический результат, обеспечиваемый всеми объектами изобретения, состоит в повышении эффективности теплообмена за счет разработанного в изобретении оптимального расположения труб в пучке, обеспечивающего равномерную теплоотдачу, при одновременном снижении металлоемкости регенеративного воздухоподогревателя и входящих в него конструктивных элементов за счет уменьшения габаритов и металлоемкости элементов решетки для теплообменных труб.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где

на фиг.1 изображен регенеративный воздухоподогреватель, вид сбоку;

на фиг.2 - то же, вид сверху;

на фиг.3 - теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, вид сверху;

на фиг.4 - теплообменная труба, вид сверху;

на фиг.5 - узел А на фиг.3;

на фиг.6 - сечение Б-Б на фиг.3;

на фиг.7 - теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя с открытыми крышками люков-лазов, вид сверху;

на фиг.8 - блок регенеративного воздухоподогревателя в аксонометрии;

на фиг.9 - дистанцирующий элемент в виде складчатой пластины;

на фиг.10 - секция регенеративного воздухоподогревателя, главный вид;

на фиг.11 - секция регенеративного воздухоподогревателя, вид сбоку;

на фиг.12 - коллектор подвода или отвода нагреваемой среды, главный вид;

на фиг.13 - разрез по В-В на фиг.12;

на фиг.14 - узел Г на фиг.13;

на фиг.15 - вариант выполнения теплообменного блока с перепускной камерой, в плане.

Теплообменный аппарат - блочно-секционный воздухоподогреватель содержит одну или несколько секций 1, каждая из которых включает не менее двух теплообменных, объединенных диффузором 2 для подвода и конфузором 3 для отвода охлаждаемой среды, преимущественно отходящих от турбины горячих газов, блоков 4 с коллекторами подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, каждый из которых соединен посредством трубных досок 7 с, по крайней мере, одним многорядным пучком 8 многоходовых теплообменных труб 9 с числом гибов 10, 11 у разных труб 9 пучка 8 от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви 12, 13 и соединяющие их три колена 14, 15, 16. По крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка 8 шаг, по крайней мере, части труб 9 и/или в пределах части длины труб 9, по крайней мере, в ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен несовпадающим с шагом труб 9 и/или части длины труб 9 в том же направлении в поперечном сечении в ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей 13 пучка 8.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, превышает шаг, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, меньше шага, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды.

По крайней мере, шаг части труб 9 пучка 8 выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви 12 пучка 8, например, в пределах ветви 12 ряда труб 9 пучка 8 и/или между, по крайней мере, частью рядов труб 9 по высоте пучка 8.

Внутренние ветви 12 или их части, по крайней мере, части рядов труб 9 пучка 8 выполнены непараллельными внешним ветвям 13 в пределах соответствующих рядов, а зазоры между ветвями 12, 13, по крайней мере, части рядов труб 9 пучка 8 выполнены при этом переменной ширины по длине ветвей, например клиновидно сужающимися и/или клиновидно расширяющимися.

Соотношение неравных шагов смежных труб 9 принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

Количество и распределение труб 9 в пучке 8 приняты с соблюдением условия, при котором отношение объема V_т.т. [м³], занимаемого теплообменными трубами 9 в блоке и равного суммарному объему прямолинейных ветвей 12, 13 и колен 14, 15 труб 9 пучка 8, очерченному по внешнему контуру условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб 9, за вычетом объема межтрубной среды между ветвями 12, 13 и коленами 14, 15 труб 9 пучка 8, к общему внутреннему объему теплообменного блока 4 V_вн.бл. [м³], ограниченному днищем, верхней крышкой и торцевыми стенами корпуса блока, определено в диапазоне значений , составляющем 0,56÷0,85, а отношение суммарной длины ∑L [м] труб пучка к суммарной площади ∑S_н.т.т. внешней теплообменной поверхности труб 9 определено коэффициентом составляющим 0,08÷0,32 [м^-1].

В каждой его секции 1 теплообменные блоки 4 расположены один над другим, а предпочтительное количество блоков 4 - четыре. Коллектор подвода 5 и коллектор отвода 6 нагреваемой среды выполнены с возможностью соединения с трубопроводами подвода и отвода нагреваемой среды, в качестве которой использован предпочтительно воздух, в том числе с обогащенным содержанием кислорода, при этом в качестве охлаждаемой среды использованы продукты сгорания после турбины газотурбинной установки.

Отношение суммарной длины ∑l'' прямолинейных ветвей, по крайней мере, части теплообменных труб 9, обтекаемых в поперечном направлении, к их суммарной длине ∑L [м] в пучке 8 составляет 0,78-0,92. Внешняя 17 и внутренняя 18 трубы, по крайней мере, в части рядов пучка 8 содержат каждая не менее одного гиба 10, 11 длиной, равной πR, а гибы 10, 11 остальных труб 9 в этих рядах пучка 8 выполнены длиной, равной . Внешняя труба 17 этой части рядов, имеющих большее число труб 9, чем в смежных с ними таких рядах, имеет один гиб 10 длиной πR, образующий колено 16, соединяющее внутренние ветви этой трубы 17, общее число гибов 10 этой трубы 17 равно пяти, а внутренняя труба 18 каждого из таких рядов, имеющих большее число труб 9, чем в смежных с ними таких рядах, имеет два гиба 11 длиной πR, каждый из которых образует колено 14, 16, соединяющее соответствующие внутреннюю 12 и внешнюю 13 ветви этой трубы 18, а общее число гибов 11 у этой трубы 18 равно четырем, шаг ″а″ между продольными осями смежных труб 9 прямолинейных ветвей 12, 13 составляет (1,5-2,5)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 9, шаг ″b″ между осями смежных труб 9 на прямолинейных участках колен 14, 15, 16 составляет (1,8-2,8)d. В каждом ряду шаг ″а″ между продольными осями смежных труб 9 прямолинейных ветвей меньше или больше, чем шаг ″b″ между продольными осями колен 14, 15, 16 смежных труб 9, предпочтительно а<b, или шаг ″а″ равен шагу ″b″, и количество теплообменных труб 9 в смежных по высоте рядах пучка 8 для нечетных и четных рядов составляет соответственно m и n, где m - четное число, а n=(m-1), количество рядов труб 9 в пучке 8 k - предпочтительно нечетное, причем k>3, теплообменные трубы 9 в смежных по высоте рядах размещены в шахматном порядке со смещением на (0,4÷0,6)a, [м], при этом количество труб 9 в блоке составляет предпочтительно 263-563 шт.

Каждое колено 14, 15, 16 труб 9 всех рядов пучка 8, образованное двумя гибами 10, 11 длиной каждый, равной , содержит сопряженную с гибами 10, 11 прямолинейную вставку 19 длиной, кратной 2а, где а - шаг между осями одноименных прямолинейных ветвей 12, 13 смежных труб 9 ряда, или каждое колено 14, 15, 16 труб 9 всех рядов пучка 8, образованное двумя гибами 10, 11 длиной каждый, равной , содержит сопряженную с гибами 10, 11 прямолинейную вставку 19 длиной, изменяющейся у разных труб 9 ряда от величины, равной 2а±10% [м] до величины, равной 2а(m-1)±10% [м] для рядов с большим числом труб 9, 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 12, 13 смежных труб 9 ряда, [м],

m - количество труб 9 в ряду с большим числом труб 9, преимущественно четное число труб 9 в нечетных рядах,

n - количество труб 9 в ряду с меньшим числом труб 9, преимущественно нечетное количество труб 9 в четных рядах.

Теплообменный блок согласно второму варианту выполнения содержит состоящий из четырех ветвей четырехходовой многорядный пучок 8 теплообменных труб 9, уложенных горизонтальными рядами и дистанцированных по горизонтали и вертикали друг от друга, коллектор подвода 5 и коллектор отвода 6 нагреваемой среды, каждый из которых соединен с теплообменными трубами 9 посредством отдельных трубных досок 7, вмонтированных непосредственно в стенку соответствующего коллектора подвода 5 или отвода 6 нагреваемой среды, причем, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка 8 шаг, по крайней мере, части труб 9 и/или в пределах части длины труб 9, по крайней мере, в ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей 12, 13 выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб 9 и/или в пределах части длины труб 9, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка 8.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, превышает шаг, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, меньше шага, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды.

Шаг, по крайней мере, части труб 9 пучка 8 выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка 8, например, в пределах ветви ряда труб 9 пучка 8 и/или между, по крайней мере, частью рядов труб 9 по высоте пучка 8.

Внутренние ветви 12, по крайней мере, части рядов труб 9 пучка 8 выполнены непараллельными внешним ветвям 13 в пределах соответствующих рядов, а зазоры между ветвями 13, по крайней мере, части рядов труб 9 пучка 8 выполнены при этом переменной ширины по длине ветвей 13, например клиновидно сужающимися и/или клиновидно расширяющимися.

Соотношение неравных шагов смежных труб 9 принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

По крайней мере, часть теплообменных труб 9, по крайней мере, части рядов выполнены с четырьмя или пятью, или шестью гибами 10, 11 радиусом R, образующими четыре прямолинейные ветви 12, 13 и соединяющие их три колена 14, 15, 16. Участки гиба у двух труб 9 в каждом нечетном из этих рядов имеют длину πR, а именно: у одной трубы 9 - на внутреннем колене 15, у другой - на двух внешних коленах 14, 16, для остальных труб 9 таких нечетных и четных рядов участки гиба имеют длину πR/2 и сочленены попарно посредством прямолинейных вставок 19 длиной H'_i для внешних колен 14, 16 и Н''_i - для внутреннего колена 15, а количество теплообменных труб 9 в смежных по высоте таких рядах пучка 8 для нечетных и четных рядов составляет соответственно m и n, где m - четное число и n=(m-1), количество таких рядов труб 9 в пучке 8 k - предпочтительно нечетное, причем k>3, теплообменные трубы 9 в смежных по высоте таких рядах размещены в шахматном порядке со смещением на (0,4÷0,6)a, [м], где а - шаг между продольными осями прямолинейных ветвей 12, 13 смежных труб 9 одного ряда, [м], при этом длины Н'_i и Н''_i прямолинейных вставок 19 колен i-й трубы 9 выполнены переменными: для нечетного ряда теплообменных труб 8 изменяющимися от величины, равной 2а±10%, [м], до величины, равной 2а(m-1)±10%, [м], и для четного ряда - от величины, равной а±10%, [м], до величины, равной а(2n-1)±10%, [м].

Размещение труб 9 в объеме, занимаемом, по крайней мере, одной ветвью пучка 8, принято с соблюдением условий, согласно первому из которых отношение суммарной площади ∑F_н.т.п. наружной теплообменной поверхности труб 9 этой ветви пучка 8 к объему ∑V_м.c., занимаемому межтрубной средой в зоне активного теплообмена ветви пучка 8 и равному объему ветви пучка 8 по внешнему контуру, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб 9 ветви пучка 8, за вычетом объема, занимаемого собственно теплообменными трубами 9 в этой ветви пучка 8, находится в диапазоне значений, определяемом коэффициентом составляющим (84,5-460) [м^-1], согласно второму условию отношение суммарного объема ∑V_в.c. для нагреваемой среды в трубах 9 ветви пучка 8 к объему V_м.с. определено коэффициентом составляющим 0,78-1,25.

Количество N теплообменных труб 9 в блоке при нечетном количестве рядов k труб 9 в пучке 8 определено зависимостью N=0,5(k-1)(2m-1)+m и составляет предпочтительно 263-563 шт., или количество N теплообменных труб 9 в блоке при четном количестве рядов k труб 9 в пучке 8 определено зависимостью N=0,5k(2m-1) и составляет предпочтительно 263-563 шт.

Между коллекторами подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды закреплен вытеснитель 20 межтрубной среды, выполненный в виде профилированной панели с плоским участком 21, расположенным между коллекторами подвода 5 или отвода 6 нагреваемой среды. Площадь проходного сечения коллектора подвода 5 или коллектора отвода 6 нагреваемой среды составляет 0,45-0,82 суммарной площади проходного сечения теплообменных труб 9 пучка 8, причем теплообменный блок снабжен устройствами 22 для строповки и люками-лазами, выполненными в коллекторах подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды.

Теплообменный блок по третьему варианту выполнения содержит состоящий из пространственного каркаса 23, днища 24, верхней крышки 25 и торцевых стен 26 корпус 27, диффузор 2 для подвода и конфузор 3 для отвода охлаждаемой среды, коллекторы подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды с трубными досками 7 и многоходовой многорядный пучок 8 теплообменных труб 9, образующих соответственно в каждом ряду четное число прямолинейных многотрубных ветвей 12, 13, в том числе, по крайней мере, двух внутренних 12 и двух внешних 13, объединенных участками с гибами 10, 11 преимущественно постоянного для всех труб 9 пучка 8 радиуса, при этом днище 24, крышка 25 и одна из торцевых стен 26 корпуса 27 блока выполнены в виде панелей с обвязкой из элементов жесткости, образующих плоские стержневые системы 28, а пространственный каркас 23 блока образован совокупностью плоских стержневых систем 28 каркасов указанных панелей с объединяющими их промежуточными стойками 29 и жестко связанными с ними корпусами коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды, которые, в свою очередь, соединены с днищем 24 блока и между собой двухкольцевыми диафрагмами и вытеснителем 20 межтрубной среды, причем части корпусов коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды с вмонтированными в них трубными досками 7 и вытеснителем 20 межтрубной среды образуют в совокупности пространственно развитую жесткую торцевую стенку 26 корпуса 27 блока, а по продольным сторонам каркас 23 выполнен с возможностью крепления соответственно элементов диффузора 2 и конфузора 3 для подвода и отвода охлаждаемой среды, при этом, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка 8 шаг, по крайней мере, части труб 9 и/или в пределах части длины труб 9, по крайней мере, в ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб 9 и/или в пределах части длины труб 9, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка 8.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, превышает шаг, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды, меньше шага, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды.

Шаг, по крайней мере, части труб 9 пучка 8 выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка 8, например, в пределах ветви ряда труб 9 пучка и/или между, по крайней мере, частью рядов труб 9 по высоте пучка 8.

Внутренние ветви 12, или по крайней мере их части, по крайней мере, части рядов труб 9 пучка 8 выполнены непараллельными внешним ветвям 13 в пределах соответствующих рядов, а зазоры между ветвями 12, 13, по крайней мере, части рядов труб 9 пучка 8 выполнены при этом переменной ширины по длине ветвей 12, 13, например клиновидно сужающимися и/или клиновидно расширяющимися.

Соотношение неравных шагов смежных труб 9 принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

Вытеснитель 20 межтрубной среды выполнен в виде профилированной панели с плоским участком 21, внутренняя поверхность которого расположена между коллекторами подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок 7 или в виде плоской панели, приваренной к стенкам коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды так, что ее внутренняя поверхность расположена в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок 7. Теплообменный блок снабжен закрепленными на днище 24 и каркасе 23 корпуса 27 блока дистанцирующими элементами 30 для теплообменных труб 9 внешних ветвей 13 пучка 8 в виде дистанцирующих решеток, причем упомянутые теплообменные трубы 9 пропущены через отверстия дистанцирующих решеток, а последующие ряды теплообменных труб 9 в зоне внутренних ветвей 12 отделены дистанцирующими планками 31 складчатой формы, которые прикреплены к стойкам 19, установленным на днище 24, и, кроме того, на днище 24 корпуса 27 закреплены гребенки 32 для, по крайней мере, внутренних ветвей 12 нижнего ряда теплообменных труб 9.

Площадь поперечного сечения каждого из коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды составляет 1,8-3,5 от суммарной площади проходного сечения теплообменных труб 9 в блоке. Коллекторы подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды выполнены с люками-лазами, расположенными со стороны днища 24 блока, при этом крышки 33 люков-лазов шарнирно закреплены на корпусах коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды, а на внутренних стенках коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды установлены опоры, образующие лестницу для осмотра и технического обслуживания коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды и трубных досок 7.

Теплообменный блок оборудован средствами для прикрепления диффузора 2 для подвода и конфузора 3 для отвода охлаждаемой среды, установленными на противолежащих боковых элементах пространственного каркаса 23 блока, а также скобами для прикрепления наружной теплоизоляции.

Теплообменный блок по четвертому варианту выполнения содержит многорядный пучок 8 теплообменных труб 9, состоящий из, по крайней мере, двух пакетов двухходовых U-образных труб 34, 35, образующих в пределах каждого пакета 36 двухветвевые, например, горизонтальные ряды труб 34, 35, дистанцированных в пределах ряда и между рядами друг от друга, коллектор подвода 5 и коллектор отвода 6 нагреваемой среды и расположенную между ними, по крайней мере, одну перепускную камеру 37, причем коллектор подвода 5 и коллектор отвода 6 нагреваемой среды, а также перепускная камера 37 соединены с теплообменными трубами 9 общей для них трубной доской 7 или раздельными трубными досками 7, по крайней мере, часть которой или которых образует часть стенового ограждения коллектора подвода 5 и коллектора отвода 6 нагреваемой среды и перепускной камеры 37, причем, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка 8 шаг, по крайней мере, части труб 9 и/или в пределах части длины труб 9, по крайней мере, в ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды и/или перепускной камеры 37, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб 9 и/или в пределах части длины труб 9, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 5 нагреваемой среды и/или перепускной камере 37, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка 8.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды и/или от перепускной камеры 37, превышает шаг, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды и/или к перепускной камере 37.

Шаг труб 9 в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка 8, непосредственно отходящей от коллектора подвода 5 нагреваемой среды и/или от перепускной камеры 37, меньше шага, по крайней мере, части труб 9 в ряду ветви пучка 8, непосредственно подходящей к коллектору отвода 6 нагреваемой среды и/или к перепускной камере 37.

Шаг, по крайней мере, части труб 9 пучка 8 выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка 8, например, в пределах ветви ряда труб 9 пучка 8 и/или между, по крайней мере, частью рядов труб 9 по высоте пучка 8.

Соотношение неравных шагов смежных труб 9 принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.

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. Теплообменный аппарат - блочно-секционный воздухоподогреватель согласно изобретению содержит одну или несколько секций, каждая из которых включает не менее двух теплообменных, объединенных диффузором для подвода и конфузором для отвода охлаждаемой среды, преимущественно отходящих от турбины горячих газов, блоков с коллекторами подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, каждый из которых соединен посредством трубных досок с, по крайней мере, одним многорядным пучком многоходовых теплообменных труб с числом гибов у разных труб пучка от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена, при этом, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен несовпадающим с шагом труб и/или части длины труб в том же направлении в поперечном сечении в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка. Теплообменный блок теплообменного аппарата - блочно-секционного воздухоподогревателя согласно изобретению содержит состоящий из четырех ветвей четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб, уложенных горизонтальными рядами и дистанцированных по горизонтали и вертикали друг от друга, коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды, каждый из которых соединен с теплообменными трубами посредством отдельных трубных досок, вмонтированных непосредственно в стенку соответствующего коллектора подвода или отвода нагреваемой среды, причем, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка. Теплообменный блок теплообменного аппарата - блочно-секционного воздухоподогревателя согласно изобретению содержит состоящий из пространственного каркаса, днища, верхней крышки и торцевых стен корпус, диффузор для подвода и конфузор для отвода охлаждаемой среды, коллекторы подвода и отвода нагреваемой среды с трубными досками и многоходовой многорядный пучок теплообменных труб, образующих соответственно в каждом ряду четное число прямолинейных многотрубных ветвей, в том числе, по крайней мере, двух внутренних и двух внешних, объединенных участками с гибами преимущественно постоянного для всех труб пучка радиуса, при этом днище, крышка и одна из торцевых стен корпуса блока выполнены в виде панелей с обвязкой из элементов жесткости, образующих плоские стержневые системы, а пространственный каркас блока образован совокупностью плоских стержневых систем каркасов указанных панелей с объединяющими их промежуточными стойками и жестко связанными с ними корпусами коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, которые, в свою очередь, соединены с днищем блока и между собой двухкольцевыми диафрагмами и вытеснителем межтрубной среды, причем части корпусов коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды с вмонтированными в них трубными досками и вытеснителем межтрубной среды образуют в совокупности пространственно развитую жесткую торцевую стенку корпуса блока, а по продольным сторонам каркас выполнен с возможностью крепления соответственно элементов диффузора и конфузора для подвода и отвода охлаждаемой среды, при этом, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка. Теплообменный блок теплообменного аппарата - блочно-секционного воздухоподогревателя согласно изобретению содержит многорядный пучок теплообменных труб, состоящий из, по крайней мере, двух пакетов двухходовых U-образных труб, образующих в пределах каждого пакета двухветвевые, например, горизонтальные ряды труб, дистанцированных в пределах ряда и между рядами друг от друга, коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды и расположенную между ними, по крайней мере, одну перепускную камеру, причем коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды, а также перепускная камера соединены с теплообменными трубами общей для них трубной доской или раздельными трубными досками, по крайней мере, часть которой или которых образует часть стенового ограждения коллектора подвода и коллектора отвода нагреваемой среды и перепускной камеры, причем, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды и/или перепускной камеры, и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей выполнен, по крайней мере, частично не совпадающим с шагом, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в том же направлении в поперечном сечении, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды и/или перепускной камере, и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка. Технический результат, обеспечиваемый всеми объектами изобретения, состоит в повышении эффективности теплообмена за счет разработанного в изобретении оптимального расположения труб в пучке, обеспечивающего равномерную теплоотдачу, при одновременном снижении металлоемкости регенеративного воздухоподогревателя и входящих в него конструктивных элементов за счет уменьшения габаритов и металлоемкости элементов решетки для теплообменных труб. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Теплообменный аппарат - блочно-секционный воздухоподогреватель, характеризующийся тем, что он содержит одну или несколько секций, каждая из которых включает не менее двух теплообменных, объединенных диффузором для подвода и конфузором для отвода охлаждаемой среды, преимущественно отходящих от турбины горячих газов, блоков с коллекторами подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, каждый из которых соединен посредством трубных досок с, по крайней мере, одним многорядным пучком многоходовых теплообменных труб с числом гибов у разных труб пучка от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена, при этом, по крайней мере, в одном направлении в поперечном сечении пучка шаг, по крайней мере, части труб и/или в пределах части длины труб, по крайней мере, в ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды и/или, по крайней мере, в одной из последующих по ходу нагреваемой среды ветвей, выполнен не совпадающим с шагом труб и/или части длины труб в том же направлении в поперечном сечении в ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды и/или, по крайней мере, в одной из предыдущих ветвей пучка.2. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, превышает шаг, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.3. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что шаг труб в ряду, по крайней мере, на части ширины ветви пучка, непосредственно отходящей от коллектора подвода нагреваемой среды, меньше шага, по крайней мере, части труб в ряду ветви пучка, непосредственно подходящей к коллектору отвода нагреваемой среды.4. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что шаг, по крайней мере, части труб пучка выполнен переменным, по крайней мере, в одном направлении поперечного сечения ветви пучка, например, в пределах ветви ряда труб пучка и/или между, по крайней мере, частью рядов труб по высоте пучка.5. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что внутренние ветви или их части, по крайней мере, части рядов труб пучка выполнены непараллельными внешним ветвям в пределах соответствующих рядов, а зазоры между ветвями, по крайней мере, части рядов труб пучка выполнены при этом переменной ширины по длине ветвей, например, клиновидно сужающимися и/или клиновидно расширяющимися.6. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что соотношение неравных шагов смежных труб принято отличающимся не менее чем на 5% от величины меньшего из них.7. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что 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], ограниченному днищем, верхней крышкой и торцевыми стенами корпуса блока, 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 составляющим 0,08-0,32 [м^-1].8. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что в каждой его секции теплообменные блоки расположены один над другим, а предпочтительное количество блоков - четыре, причем коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды выполнены с возможностью соединения с трубопроводами подвода и отвода нагреваемой среды, в качестве которой использован предпочтительно воздух, в том числе с обогащенным содержанием кислорода, при этом в качестве охлаждаемой среды использованы продукты сгорания после турбины газотурбинной установки.9. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что отношение суммарной длины Σl" прямолинейных ветвей, по крайней мере, части теплообменных труб, обтекаемых в поперечном направлении, к их суммарной длине ΣL [м] в пучке составляет 0,78-0,92, при этом внешняя и внутренняя трубы, по крайней мере, в части рядов пучка содержат каждая не менее одного гиба длиной, равной πR, а гибы остальных труб в этих рядах пучка выполнены длиной, равной при этом внешняя труба этой части рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ним таких рядах, имеет один гиб длиной πR, образующий колено, соединяющее внутренние ветви этой трубы, общее число гибов этой трубы равно пяти, а внутренняя труба каждого из таких рядов, имеющих большее число труб, чем в смежных с ним таких 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, 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,S)d, причем 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″, и 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], при этом количество труб в блоке составляет предпочтительно 263-563 шт.10. Теплообменный аппарат по п.9, 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, или 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 1а±10% [м], до величины, равной 1a(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(2m-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.

18. Теплообменный блок по п.17, отличающийся тем, что размещение труб в объеме, занимаемом, по крайней мере, одной ветвью пучка, принято с соблюдением условий, согласно первому из которых отношение суммарной площади ΣF_н.т.п. наружной теплообменной поверхности труб этой ветви пучка к объему ΣV_м.c., занимаемому межтрубной средой в зоне активного теплообмена ветви пучка и равному объему ветви пучка по внешнему контуру, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб ветви пучка, за вычетом объема, занимаемого собственно теплообменными трубами в этой ветви пучка, находится в диапазоне значений, определяемом коэффициентом составляющим 84,5-460 [м^-1], согласно второму условию отношение суммарного объема ΣV_в.с. для нагреваемой среды в трубах ветви пучка к объему V_м.с. определено коэффициентом составляющим 0,78-1,25.