ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ - БЛОЧНО-СЕКЦИОННЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ, ТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК 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 трубами 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 труб 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 труб 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 в части самого теплообменного аппарата 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.

В части теплообменного блока теплообменного аппарата ближайшим аналогом является теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, включающий четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб (RU №17600 U1, F23L 15/04, 10.04.2001 г.), образованный установленными горизонтальными рядами труб V-образной формы с одним гибом и двумя прямолинейными ветвями, причем каждый ряд содержит два пакета труб 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.

Задачей, решаемой всеми объектами заявленной группы изобретений, является обеспечение компактности устройства, повышение эффективности теплообмена при одновременном повышении прочности и жесткости конструкции и снижении металлоемкости.

Задача в части первого объекта группы изобретений решается за счет того, что теплообменный аппарат - блочно-секционный воздухоподогреватель согласно изобретению содержит, по крайней мере, две секции, внутри каждой из которых размещены, по меньшей мере, два теплообменных блока, каждый из которых включает диффузор для подвода и конфузор для отвода охлаждаемой среды, коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды, каждый из которых соединен посредством отдельных трубных досок, вмонтированных непосредственно в стенку соответствующего коллектора подвода или отвода нагреваемой среды, с многорядным пучком 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, причем 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], 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 могут быть использованы продукты сгорания после турбины газотурбинной установки.

Отношение суммарной длины ∑l" прямолинейных ветвей теплообменных труб, обтекаемых в поперечном направлении, к суммарной длине ∑L [м] всех теплообменных труб пучка могут составлять 0,78-0,92, при этом 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 могут быть выполнены длиной, равной при этом 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, а 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, 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 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 могут быть размещены в шахматном порядке со смещением на (0,4÷0,6)a, [м], где a - шаг между продольными осями смежных труб на прямолинейных ветвях одного ряда [м], при этом количество труб в блоке может составлять 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 a - 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 2a±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

a - 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 по второму объекту группы изобретений - первому варианту выполнения теплообменного блока 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 каждая теплообменная труба ряда 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 ряду имеют длину πR, а именно, у одной трубы - на внутреннем колене, у другой - на двух внешних коленах, для остальных труб 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 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 прямолинейных ветвей смежных труб одного ряда [м], при этом длины Н'_i и Н''_i прямолинейных вставок колен i-й трубы 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 a(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.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 ∑V_в.c. для нагреваемой среды в трубах ветви пучка к объему V_м.с. определено коэффициентом составляющим 0,78-1,25.

Параметры каждой трубы ряда могут быть определены зависимостями:

L_i+1=2l^' _i+1+2l^" _i+1-Δ+2H^' _i+1+H^" _i+1+3πR, где

L_i+1 - длина развертки (i+1)-й трубы ряда [м];

l^' _i+1 - длина внешней прямолинейной ветви (i+1)-й трубы ряда, равная

l^' _i+1=l^' _i-b [м];

l^" _i+1 - длина внутренней прямолинейной ветви (i+1)-й трубы ряда, равная l"_i+1=l^' _i-Δ [м];

H^' _i+1 - длина прямолинейных вставок внешних колен (i+1)-й трубы ряда, равная Н^' _i+1=Н^' _i-2a [м],

Н^" _i+1 - длина прямолинейной вставки внутреннего колена (i+1)-й трубы ряда, равная Н^" _i+1=H^" _i+2а [м];

a - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных в ряду труб [м];

b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду [м];

Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10^-3 [м];

l'_i, l"_i, Н'_i и Н''_i - соответствующие параметры для i трубы в ряду, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг а составляет (1,5-2,5)·d, шаг b может составлять (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы [м], длина развертки L_min теплообменной трубы минимальной длины может составлять не менее 0,75 длины развертки L_max теплообменной трубы максимальной длины, при этом размещение теплообменных труб в ряду может быть выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб на прямолинейных ветвях ряда, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом теплообменных труб, и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб ряда, с учетом зазоров между трубами, составляет 0,02-0,12 [м^-1].

Трубный ряд может содержать четное число труб, предпочтительно не менее двух и не более десяти, или он может содержать нечетное число труб, предпочтительно не менее трех и не более девяти, при этом трубы могут быть расположены в ряду с переменным расстоянием между осями внешних ветвей, причем наименьшая величина этого расстояния у трубы, концы которой могут быть заделаны в крайние ближайшие друг к другу отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, теплообменного блока регенеративного воздухоподогревателя, а каждая последующая четырехветвевая труба ряда может быть выполнена охватывающей предыдущую с внешней стороны внешних ветвей и наибольшая величина этого расстояния у трубы, концы которой могут быть заделаны в крайние наиболее удаленные друг от друга отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, а две внутренние ветви каждой последующей трубы в ряду с соединяющим их коленом размещены внешней стороной в изгибе, образованном соответствующими ветвями и соединяющим их коленом предыдущей трубы в трубном ряду, при этом шаг а между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных труб в ряду меньше или больше, чем шаг b между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду, предпочтительно а<b, или шаг а равен шагу b, и, кроме того, для каждой теплообменной трубы ряда расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей составляет (30-85)d; длина прямолинейных ветвей l' и l" может составлять соответственно (74-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы [м], при этом количество N теплообменных труб в блоке при нечетном количестве рядов k труб в пучке определено зависимостью N=0,5(k-1)(2m-1)+m и составляет 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 может составлять 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 по третьему объекту группы изобретений - второму варианту выполнения теплообменного блока 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, или 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, 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 для каждой теплообменной трубы пучка расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей составляет (30-85)d; длина прямолинейных ветвей l' и l" составляет соответственно (95-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы [м].

Вытеснитель межтрубной среды может быть выполнен в виде профилированной панели с плоским участком, внутренняя поверхность которого может быть 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 может быть 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 многоходового 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 могут быть 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 могут быть 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 могут быть установлены опоры, образующие лестницу для осмотра и технического обслуживания коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды и трубных досок, причем теплообменный блок 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.

Дистанцирующие решетки могут быть установлены с возможностью фиксации в корпусе регенеративного воздухоподогревателя, дистанцирующие планки складчатой формы могут иметь расположенные с двух сторон чередующиеся опорные участки по одному на верхнем и нижнем выступах складки для опорного контакта соответствующих нижних и верхних выступов смежных по высоте складчатых планок и соединяющие выступы два наклонных участка, образующих опорные элементы для опирания труб пучка, при этом теплообменные трубы дистанцированы по вертикали и по горизонтали друг от друга с обеспечением расстояния между продольными осями смежных теплообменных труб в ряду, составляющего 1,5-2,3 диаметра теплообменной трубы, а в соседних по высоте рядах с обеспечением расстояния между продольными осями теплообменных труб смежных рядов, составляющего 0,6-1,5 диаметра теплообменной трубы, при этом теплообменные трубы в смежных по высоте рядах могут быть размещены в шахматном порядке, дистанцирующие складчатые планки каждого вышележащего ряда могут быть оперты своими нижними выступами на обращенные к ним вершины верхних выступов складок смежной по высоте нижележащей дистанцирующей планки с образованием системы опорных контактов, смещенных в каждом последующем по высоте ряду на 0,4-0,6 шага труб в ряду, причем толщина складчатой планки может составлять не менее 0,03 диаметра теплообменных труб, а дистанцирующие элементы на внешних и внутренних ветвях могут быть расположены по длине теплообменных труб предпочтительно с одинаковым шагом, при этом опорные участки на верхнем и нижнем выступах складки могут быть выполнены с опорной поверхностью в виде фрагмента цилиндрической поверхности радиусом, составляющим не более 35% диаметра теплообменной трубы, обращенной выпуклостью наружу, или опорные участки на верхнем и нижнем выступах складки могут быть выполнены с плоской опорной поверхностью.

Коллектор подвода или коллектор отвода нагреваемой среды может быть выполнен в виде цилиндрической обечайки с проемом, в который может быть вварена трубная доска, причем проекция на торец трубной доски криволинейного участка обечайки, образующего торец проема, может быть расположена в пределах толщины трубной доски, которая может быть выполнена со сквозными отверстиями под концы теплообменных труб теплообменного блока, причем отверстия могут быть расположены рядами по высоте трубной доски с шагом в осях в ряду, составляющим (1,5-2,8)·d, шагом рядов по высоте трубной доски, составляющим (0,60-0,84)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, и со смещением отверстий в смежных рядах на (0,4÷0,6) величины шага в ряду, при этом суммарная площадь сквозных отверстий в трубной доске под концы теплообменных труб теплообменного блока может составлять 56-85% от габаритной площади трубного поля в плоскости трубной доски, ограниченной по контуру, образованному совокупностью условных прямых, касательных к внешним кромкам крайних отверстий в трубной доске, а площадь трубного поля может составлять 0,75÷0,94 от общей площади фронтальной проекции трубной доски, соединение обечайки с трубной доской в плоскости поперечного сечения обечайки может быть выполнено в угловом диапазоне γ=28-75°, а отношение площади проекции на указанную плоскость криволинейного участка обечайки, образующего торец проема, к площади проекции на эту плоскость соответствующего торца трубной доски может составлять 0,048÷0,172, а боковые кромки трубной доски могут быть выполнены трехгранными, при этом одна из граней может быть выполнена с образованием в поперечном сечении контактирующего с обечайкой опорного участка, а примыкающие к ней грани могут быть выполнены - одна, примыкающая к поверхности трубной доски, обращенной в коллектор подвода или отвода нагреваемой среды, со скосом, образующим с плоскостью опорного участка угол α=(22-29)°, а другая, обращенная к внешней поверхности трубной доски, грань может быть выполнена со скосом, образующим с плоскостью опорного участка угол β=(25-35)°.

Трехгранные кромки трубной доски могут быть выполнены с шириной опорного участка, составляющей не менее 4,5% от общей толщины образующей трубную доску пластины, грань со скосом α=(22-29)° может быть выполнена шириной, составляющей 5,9-12,5% от общей толщины пластины, а грань со скосом β=(25-35)° может быть выполнена шириной, составляющей 79-89,6% от общей толщины пластины.

Задача по четвертому объекту группы изобретений - третьему варианту выполнения теплообменный блок теплообменного аппарата типа блочного или блочно-секционного регенеративного 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, при этом суммарная площадь сквозных отверстий в трубной доске или трубных досках под концы теплообменных труб теплообменного блока составляет 29-85% от габаритной площади трубного поля.

В каждом пакете через ряд одна внутренняя труба ряда может быть выполнена с гибом длиной, равной πR, а все остальные трубы всех рядов пакета могут быть выполнены с двумя гибами каждый длиной, равной πR/2, где R - радиус гиба, составляющий (2,5-6,0)d, где d - внешний диаметр теплообменной трубы, и могут быть сочленены попарно посредством прямолинейных участков различной длины.

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

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 может составлять (1,8-2,8)d.

В качестве нагреваемой среды может быть использован предпочтительно воздух, в том числе с обогащенным содержанием кислорода, при этом в качестве охлаждаемой среды могут быть использованы продукты сгорания после турбины газотурбинной установки.

Технический результат, обеспечиваемый всеми объектами группы изобретений, состоит в обеспечении высокой эффективности теплообмена при одновременном снижении металлоемкости регенеративного воздухоподогревателя за счет разработанных в изобретении конструкций теплообменного аппарата и его элементов, обеспечивающих оптимальное размещение различных теплообменных труб в пучке, оптимальное выполнение дистанцирующих элементов, повышение жесткости и прочности конструкций, работающих в условиях высоких температур при одновременном снижении металлоемкости за счет уменьшения габаритов и металлоемкости элементов решетки для теплообменных труб и упрощения сборки пучка теплообменных труб.

Соотношение 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. [м^-1] определено коэффициентом Если указанное соотношение меньше 0,56, то это приводит к неоправданному расходу материалов и увеличению габаритов и неэффективному использованию теплоты уходящих газов сгорания, если указанное соотношение больше 0,85 - имеет место резкое снижение эффективности теплообменных процессов вследствие возрастания аэродинамического сопротивления при прохождении через перенасыщенный трубами объем теплообменного аппарата.

Соотношение суммарной длины ∑L [м] труб пучка к суммарной площади ∑S_н.т.т. внешней теплообменной поверхности труб определено коэффициентом Если указанное соотношение меньше 0,08, то резко ухудшаются процессы теплообмена вследствие больших диаметров труб и недостаточной удельной площади на единицу объема подогреваемой площади, если указанное соотношение больше 0,32 - имеет место резкое возрастание аэродинамического сопротивления потока подогреваемого воздуха в трубах вследствие малого диаметра труб.

Соотношение 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

Если указанное соотношение меньше 84,5 - имеет место нерациональное использование объема и неоправданно завышенная материалоемкость и снижение эффективности теплообмена вследствие нерационально разреженного расположения труб в пучке и недоиспользования теплоты уходящих газов для подогрева воздуха в аппарате. Если указанное соотношение больше 460, то имеет место снижение эффективности теплообмена и повышение энергетических потерь вследствие резкого возрастания аэродинамического сопротивления из-за перенасыщенности объема пучка трубами.

Соотношение суммарного объема ∑V_в.c. для нагреваемой среды в трубах ветви пучка к объему V_м.с. определено коэффициентом . Если указанное соотношение меньше 0,78, то имеет место снижение эффективности аппарата вследствие малой производительности - подогрева недостаточного количества воздуха на единицу объема уходящих газов сгорания. Если указанное соотношение больше 1,25, то также имеет место снижение эффективности аппарата вследствие нерационального соотношения объемов подогреваемого воздуха и охлаждаемой среды - уходящих газов сгорания.

Если суммарная площадь сквозных отверстий в трубной доске или трубных досках под концы теплообменных труб теплообменного блока меньше 29%, то имеет место неоправданный перерасход материала на трубные доски и резкое снижение эффективности теплообменного блока вследствие недостаточной производительности блока, а если указанное соотношение больше 85% - снижается эффективность теплообмена вследствие перенасыщения объема блока трубами и нерационального соотношения объема подогреваемой среды и объема охлаждаемой среды - уходящих газов сгорания.

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 - узел Д на фиг.14;

на фиг.16 - вариант выполнения теплообменного блока с перепускной камерой, в плане.

Теплообменный аппарат - блочно-секционного воздухоподогревателя содержит, по крайней мере, две секции 1, внутри каждой из которых размещены, по меньшей мере, два теплообменных блока 2, каждый из которых включает диффузор 3 для подвода и конфузор 4 для отвода охлаждаемой среды, коллектор подвода 5 и коллектор отвода 6 нагреваемой среды, каждый из которых соединен посредством отдельных трубных досок 7, вмонтированных непосредственно в стенку соответствующего коллектора подвода 5 или отвода 6 нагреваемой среды, с многорядным пучком 8 четырехходовых теплообменных труб 9, преимущественно с неодинаковым числом труб 9 в смежных по высоте рядах 10, преимущественно горизонтальных, с отделением по вертикали и по горизонтали друг от друга посредством дистанцирующих элементов 11. Каждая теплообменная труба 9 ряда 10 выполнена с числом гибов 12, 13 у разных труб 9 пучка 8 от четырех до шести, образующих четыре прямолинейные ветви 14, 15 и соединяющие их три колена 16, 17, 18. 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 1 и равного суммарному объему прямолинейных ветвей 14, 15 и колен 16-18 труб 9 пучка 8, очерченному по внешнему контуру условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб 19, 20, за вычетом объема межтрубной среды между ветвями 14, 15 и коленами 16-18 труб 9 пучка 8, 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. Отношение суммарной длины ∑L [м] труб 9 пучка 8 к суммарной площади ∑S_н.т.т. внешней теплообменной поверхности труб 9 определено коэффициентом составляющим 0,08÷0,32 [м^-1].

В каждой секции 1 теплообменного аппарата теплообменные блоки 2 расположены один над другим, а предпочтительное количество блоков - 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. В качестве охлаждаемой среды использованы продукты сгорания после турбины газотурбинной установки.

Отношение суммарной длины ∑l" прямолинейных ветвей 14, 15 теплообменных труб 9, обтекаемых в поперечном направлении, к суммарной длине ∑L [м] всех теплообменных труб 9 пучка 8 составляет 0,78-0,92. Внешняя 19 и внутренняя 20 трубы в каждом ряду 10 пучка 8 содержат каждая не менее одного гиба 12 длиной, равной πR, а гибы 13 остальных труб 9 во всех рядах 10 пучка 8 выполнены длиной, равной . Внешняя труба 19 каждого из рядов 10, имеющих большее число труб 9, чем в смежных с ним рядах, имеет один гиб 12 длиной πR, образующий колено 17, соединяющее внутренние ветви 15 этой трубы 9, а общее число гибов 12, 13 этой трубы равно пяти. Внутренняя труба 20 каждого из рядов 10, имеющих большее число труб 9, чем в смежных с ним рядах, имеет два гиба 12 длиной πR, каждый из которых образует колено 16, 18, соединяющее соответствующие внутреннюю 15 и внешнюю 15 ветви этой трубы 9, а общее число гибов 12, 13 у этой трубы 9 равно четырем. Шаг а между продольными осями смежных труб 9 прямолинейных ветвей 14, 15 составляет (1,5-2,5)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 9. Шаг b между осями смежных труб 9 на прямолинейных участках - вставках 21 колен 16-18 составляет (1,8-2,8)d. В каждом ряду 10 шаг а между продольными осями смежных труб прямолинейных ветвей 14, 15 меньше или больше, чем шаг b между продольными осями колен 16-18 смежных труб 9, предпочтительно а<b, или шаг а равен шагу b, и количество теплообменных труб 9 в смежных по высоте рядах 10 пучка 8 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)a [м], где а - шаг между продольными осями смежных труб на прямолинейных ветвях 14, 15 одного ряда 10 [м], при этом количество труб 9 в блоке 1 составляет предпочтительно 263-563 шт.

Каждое колено 16-18 труб 8 всех рядов 10 пучка 8, образованное двумя гибами 13 длиной каждый, равной содержит сопряженную с гибами 13 прямолинейную вставку 21 длиной, кратной 2а, где а - шаг между осями одноименных прямолинейных ветвей 14, 15 смежных труб 9 ряда 10, или каждое колено 16-18 труб 9 всех рядов 10 пучка 8, образованное двумя гибами 13 длиной каждый, равной , содержит сопряженную с гибами 13 прямолинейную вставку 21 длиной, изменяющейся у разных труб 9 ряда 10 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 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.

Теплообменный блок 2 по первому варианту выполнения теплообменного аппарата - блочно-секционного воздухоподогревателя содержит состоящий из четырех ветвей 14, 15 четырехходовой многорядный пучок 8 теплообменных труб 9, уложенных горизонтальными рядами 10 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 нагреваемой среды. Каждая теплообменная труба 9 ряда 10 выполнена с четырьмя, или пятью, или шестью гибами 12, 13 радиусом R, образующими четыре прямолинейные ветви 14, 15 и соединяющие их три колена 16-18. Участки гиба 12 у двух труб 9 в каждом нечетном ряду имеют длину πR, а именно, у одной трубы - на внутреннем колене 17, у другой - на двух внешних коленах 16, 18, для остальных труб нечетных и четных рядов участки гиба 13 имеют длину πR/2 и сочленены попарно посредством прямолинейных вставок 14, 15 длиной Н^' _i для внешних колен 16, 18 и Н^" _i - для внутреннего колена 17. Количество теплообменных труб 9 в смежных по высоте рядах 10 пучка 8 для нечетных и четных рядов составляет соответственно m и n, где m - четное число, а n=(m-1). Количество рядов 10 труб 9 в пучке 8 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 прямолинейных ветвей смежных труб одного ряда [м]. Длины Н'_i и Н^" _i прямолинейных вставок 21 колен 16-18 i-й трубы выполнены переменными: для нечетного ряда теплообменных труб изменяющимися от величины, равной 2a±10% [м], до величины, равной 2a(m-1)±10% [м], и для четного ряда - от величины, равной a±10% [м], до величины, равной а(2n-1)±10% [м].

Размещение труб 9 в объеме, занимаемом, по крайней мере, одной ветвью 14 или 15 пучка 8, принято с соблюдением условий, согласно первому из которых отношение суммарной площади ∑F_н.т.п. наружной теплообменной поверхности труб 9 этой ветви 14 или 15 пучка 8 к объему ∑V_м.с., занимаемому межтрубной средой в зоне активного теплообмена ветви 14 или 15 пучка 8 и равному объему ветви 14 или 15 пучка 8 по внешнему контуру, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб 19, 20 ветви 14 или 15 пучка 8, за вычетом объема, занимаемого собственно теплообменными трубами 9 в этой ветви 14 или 15 пучка 8, находится в диапазоне значений, определяемом коэффициентом 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.

Параметры каждой трубы 9 ряда 10 определены зависимостями:

L_i+1=2l^' _i+1+2l^'' _i+1-Δ+2H^' _i+1+H^'' _i+1+3πR, где

L_i+1 - длина развертки (i+1)-й трубы ряда [м];

l^' _i+1 - длина внешней прямолинейной ветви 14 (i+1)-й трубы ряда, равная l'_i+1=l'_i-b [м];

l^'' _i+1 - длина внутренней прямолинейной ветви 15 (i+1)-й трубы ряда, равная l^'' _i+1=l^' _i-Δ [м];

H^' _i+1 - длина прямолинейных вставок 21 внешних колен 16, 18 (i+1)-й трубы ряда, равная Н^' _i+1=H^' _i-2а [м];

H''_i+1 - длина прямолинейной вставки внутреннего колена (i+1)-й трубы ряда, равная Н^" _i+1=H_i ^"+2а [м];

а - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных в ряду труб [м];

b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду [м];

Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10^-3 [м];

l^' _i, l^" _i, Н^' _i и H^" _i - соответствующие параметры для i трубы в ряду, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг а составляет (1,5-2,5)·d, шаг b составляет (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы [м], длина развертки L_min теплообменной трубы минимальной длины составляет не менее 0,75 длины развертки L_max теплообменной трубы максимальной длины, при этом размещение теплообменных труб 9 в ряду 10 выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб 9 на прямолинейных ветвях 14, 15 ряда, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом теплообменных труб, и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб 9 ряда 10, с учетом зазоров между трубами, составляет 0,02-0,12 [м^-1].

Трубный ряд 10 содержит четное число труб 9, предпочтительно не менее двух и не более десяти, или он содержит нечетное число труб 9, предпочтительно не менее трех и не более девяти, при этом трубы расположены в ряду с переменным расстоянием между осями внешних ветвей 14, 15. Наименьшая величина этого расстояния у трубы, концы которой заделаны в крайние ближайшие друг к другу отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках 7 коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, теплообменного блока 2 регенеративного воздухоподогревателя. Каждая последующая четырехветвевая труба 9 ряда 10 выполнена охватывающей предыдущую с внешней стороны внешних ветвей 14 и наибольшая величина этого расстояния у трубы 9, концы которой заделаны в крайние наиболее удаленные друг от друга отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках 7 коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды. Две внутренние ветви 14 каждой последующей трубы в ряду с соединяющим их коленом 17 размещены внешней стороной в изгибе, образованном соответствующими ветвями 15 и соединяющим их коленом 17 предыдущей трубы в трубном ряду. Шаг а между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей 14, 15 смежных труб в ряду меньше или больше, чем шаг b между продольными осями прямолинейных вставок 21 колен 16-18 смежных труб в ряду, предпочтительно a<b, или шаг а равен шагу b, и, кроме того, для каждой теплообменной трубы ряда расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей составляет (30-85)d; длина прямолинейных ветвей l' и l" составляет соответственно (74-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы [м]. Количество N теплообменных труб 9 в блоке 2 при нечетном количестве рядов k труб в пучке определено зависимостью N=0,5(k-1)(2m-1)+m, или количество N теплообменных труб в блоке при четном количестве рядов k труб в пучке определено зависимостью N=0,5k(2m-1).

Между коллекторами подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды закреплен вытеснитель 22 межтрубной среды, выполненный в виде профилированной панели с плоским участком 23, расположенным между коллекторами подвода 5 и 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. Теплообменный блок 2 снабжен устройствами 24 для строповки и люками-лазами (на чертежах не показано), выполненными в коллекторах подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды.

Теплообменный блок 2 согласно второму варианту выполнения содержит состоящий из пространственного каркаса 25, днища 26, верхней крышки 27 и торцевых стен 28 корпус 29, диффузор 3 для подвода и конфузор 4 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 10 четное число прямолинейных многотрубных ветвей 14, 15, в том числе, по крайней мере, двух внутренних 15 и двух внешних 14, объединенных участками с гибами 12, 13 преимущественно постоянного для всех труб 9 пучка 8 радиуса. Днище 26, крышка 27 и одна из торцевых стен 28 корпуса 29 блока 2 выполнены в виде панелей с обвязкой из элементов жесткости, образующих плоские стержневые системы 30. Пространственный каркас 25 блока 2 образован совокупностью плоских стержневых систем 30 каркасов указанных панелей с объединяющими их промежуточными стойками 31 и жестко связанными с ними корпусами коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды. Коллекторы подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды, в свою очередь, соединены с днищем 26 блока 2 и между собой двухкольцевыми диафрагмами и вытеснителем 22 межтрубной среды. Части корпусов коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды с вмонтированными в них трубными досками 7 и вытеснителем 22 межтрубной среды образуют в совокупности пространственно развитую жесткую торцевую стенку 32 корпуса 29 блока 2. По продольным сторонам каркас 25 выполнен с возможностью крепления соответственно элементов диффузора 3 для подвода и конфузора 4 для отвода охлаждаемой среды. Для каждой теплообменной трубы 9 пучка 8 расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей 14, 15 составляет (30-85)d; длина прямолинейных ветвей l' и l" составляет соответственно (95-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы [м].

Вытеснитель 22 межтрубной среды выполнен в виде профилированной панели с плоским участком 23, 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 2 снабжен закрепленными на днище 26 и каркасе 25 корпуса 29 блока 2 дистанцирующими элементами 11 для теплообменных труб 9 внешних ветвей 14 пучка в виде дистанцирующих решеток. Упомянутые теплообменные трубы пропущены через отверстия дистанцирующих решеток. Последующие ряды теплообменных труб 9 в зоне внутренних ветвей 15 отделены дистанцирующими планками 33 складчатой формы, которые прикреплены к стойкам, установленным на днище 26. На днище 26 корпуса 29 закреплены гребенки 34 для, по крайней мере, внутренних ветвей 15 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 2. Коллекторы подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды выполнены с люками-лазами, расположенными со стороны днища 26 блока 2. Крышки 35 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. На внутренних стенках коллекторов подвода 5 и отвода 6 охлаждаемой среды установлены опоры, образующие лестницу для осмотра и технического обслуживания коллекторов подвода 5 и отвода 6 нагреваемой среды и трубных досок 7.

Теплообменный блок 2 оборудован средствами для прикрепления диффузора 3 для подвода и конфузора 4 для отвода охлаждаемой среды, установленными на противолежащих боковых элементах пространственного каркаса 25 блока 2, а также скобами для прикрепления наружной теплоизоляции.

Для внешних ветвей 14 пучка 8 дистанцирующие элементы 11, обеспечивающие разнесение теплообменных труб 9 по горизонтали и по вертикали и их пространственную фиксацию, образованы разделителем 36 с отверстиями для прохода труб 9, выполненным с возможностью фиксации в корпусе регенеративного воздухоподогревателя 1. Для внутренних ветвей 15 пучка 8 труб 9 дистанцирующие элементы 11 выполнены в виде дистанцирующих планок 33 складчатой формы, имеющих расположенные с двух сторон пластин чередующиеся опорные участки 37 по одному на верхнем и нижнем выступах складки для опорного контакта соответствующих нижних и верхних выступов смежных по высоте складчатых планок 33 и соединяющие выступы два наклонных участка 38, образующих опорные элементы для опирания труб пучка. Теплообменные трубы 9 дистанцированы по вертикали и по горизонтали друг от друга с обеспечением расстояния между продольными осями смежных теплообменных труб в ряду, составляющего 1,5-2,3 диаметра теплообменной трубы 9. В соседних по высоте рядах 10 - с обеспечением расстояния между продольными осями теплообменных труб 9 смежных рядов, составляющего 0,6-1,5 диаметра теплообменной трубы 9.

Теплообменные трубы 9 в смежных по высоте рядах размещены в шахматном порядке, дистанцирующие складчатые элементы 11 каждого вышележащего ряда оперты своими нижними выступами на обращенные к ним вершины верхних выступов складок смежного по высоте нижележащего дистанцирующего элемента 11 с образованием системы опорных контактов, смещенных в каждом последующем по высоте ряду на 0,4-0,6 шага труб 9 в ряду 10. Толщина складчатой планки 33 составляет не менее 0,03 диаметра теплообменных труб 9, а дистанцирующие элементы 11 на внешних 14 и внутренних 15 ветвях расположены по длине теплообменных труб 9 предпочтительно с одинаковым шагом. Совокупность складчатых дистанцирующих элементов 11 образует сборную, по крайней мере, в поперечном сечении ветви 14, 15 пространственную несущую решетку, по крайней мере, для соответствующей ветви 14, 15 пучка 8 с продольным и поперечным шагами образующих ее элементов, соответствующими продольным и поперечным шагам теплообменных труб 9 пучка 8.

В каждом ряду шаг а между продольными осями смежных труб прямолинейных ветвей 14, 15 меньше или больше, чем шаг b между продольными осями смежных труб на прямолинейном участке 21 колена 16-18, предпочтительно a<b, или шаг а равен шагу b. Участки гиба 12 у двух труб в каждом нечетном ряду имеют длину πR, а именно, у одной трубы - на внутреннем колене 17, у другой - на двух внешних коленах 16, 18, для остальных труб нечетных и четных рядов участки гиба 13 имеют длину πR/2 и сочленены попарно посредством прямолинейных участков 21 различной длины.

Опорные участки 37 на верхнем и нижнем выступах складки выполнены с опорной поверхностью в виде фрагмента цилиндрической поверхности радиусом, составляющим не более 35% диаметра теплообменной трубы 9, обращенной выпуклостью наружу, или опорные участки 37 на верхнем и нижнем выступах складки выполнены с плоской опорной поверхностью.

Коллектор подвода 5 или коллектор отвода 6 нагреваемой среды теплообменного аппарата типа блочного или блочно-секционного регенеративного воздухоподогревателя выполнен в виде цилиндрической обечайки 39 с проемом, в который вварена трубная доска 7. Проекция на торец трубной доски 7 криволинейного участка обечайки 39, образующего торец проема, расположена в пределах толщины трубной доски 7. Трубная доска 7 выполнена со сквозными отверстиями 40 под концы теплообменных труб 9 теплообменного блока 2. Отверстия 40 расположены рядами по высоте трубной доски 7 с шагом в осях в ряду, составляющим (1,5-2,8)·d, шагом рядов по высоте трубной доски 7, составляющим (0,60-0,84)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 9, и со смещением отверстий 41 в смежных рядах на (0,4÷0,6) величины шага в ряду.

Суммарная площадь сквозных отверстий 40 в трубной доске 7 под концы теплообменных труб 9 теплообменного блока 2 составляет 56-85% от габаритной площади трубного поля в плоскости трубной доски 7, ограниченной по контуру, образованному совокупностью условных прямых, касательных к внешним кромкам крайних отверстий 40 в трубной доске 7, а площадь трубного поля составляет 0,75÷0,94 от общей площади фронтальной проекции трубной доски.

Соединение обечайки 39 с трубной доской 7 в плоскости поперечного сечения обечайки выполнено в угловом диапазоне γ=28-75°, а отношение площади проекции на указанную плоскость криволинейного участка обечайки 39, образующего торец проема, к площади проекции на эту плоскость соответствующего торца трубной доски составляет 0,048÷0,172.

Боковые кромки трубной доски 7 выполнены трехгранными, при этом одна из граней 41 выполнена с образованием в поперечном сечении контактирующего с обечайкой 39 опорного участка, а примыкающие к ней грани выполнены - одна 42, примыкающая к поверхности трубной доски 7, обращенной в коллектор подвода 5 или отвода 6 нагреваемой среды, со скосом, образующим с плоскостью опорного участка угол α=(22-29)°, а другая 43, обращенная к внешней поверхности трубной доски 7, грань выполнена со скосом, образующим с плоскостью опорного участка угол β=(25-35)°.

Трехгранные кромки трубной доски 7 выполнены с шириной опорного участка, составляющей не менее 4,5% от общей толщины образующей трубную доску 7 пластины, грань 42 со скосом α=(22-29)° выполнена шириной, составляющей 5,9-12,5% от общей толщины пластины, а грань 43 со скосом β=(25-35)° выполнена шириной, составляющей 79-89,6% от общей толщины пластины.

Теплообменный блок 2 может содержать многорядный пучок теплообменных труб, состоящий из, по крайней мере, двух пакетов двухходовых U-образных труб 45, 46, образующих в пределах каждого пакета 44 двухветвевые, например, горизонтальные ряды труб 45, 46, 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 47, причем коллектор подвода 5 и коллектор отвода 6 нагреваемой среды, а также перепускная камера 47 соединены с теплообменными трубами 45 общей для них трубной доской 48 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 47.

Теплообменный блок по третьему варианту выполнения содержит многорядный пучок теплообменных труб, состоящий из, по крайней мере, двух пакетов 44 двухходовых U-образных труб 45, 46, образующих в пределах каждого пакета двухветвевые, например, горизонтальные ряды труб 45, 46, 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 47, причем коллектор подвода 5 и коллектор отвода 6 нагреваемой среды, а также перепускная камера 47 соединены с теплообменными трубами 45 общей для них трубной доской 48 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 46. Суммарная площадь сквозных отверстий в трубной доске 48 или трубных досках 7 под концы теплообменных труб 45, 46 теплообменного блока 2 составляет 29-85% от габаритной площади трубного поля.

В каждом пакете 44 через ряд одна внутренняя труба 45 ряда выполнена с гибом длиной, равной πR, а все остальные трубы 46 всех рядов пакета 44 выполнены с двумя гибами каждый длиной, равной πR/2, где R - радиус гиба, составляющий (2,5-6,0)d, где d - внешний диаметр теплообменной трубы 45, 46, и сочленены попарно посредством прямолинейных участков различной длины.

Количество и распределение труб 45, 46 в пучке приняты с соблюдением условия, при котором отношение объема V_т.т.[м³], занимаемого теплообменными трубами 45, 46 в блоке 2 и равного суммарному объему прямолинейных ветвей 50 и колен 51 труб 45, 46 пучка, очерченному по внешнему контуру условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей крайних теплообменных труб 46, за вычетом объема межтрубной среды между ветвями 50 и коленами 51 труб 45, 46 пучка, к общему внутреннему объему теплообменного блока 2 V_вн.бл. [м³], 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 45, 46 определено коэффициентом составляющим 0,08-0,32 [м^-1].

В каждом ряду шаг а между продольными осями 52 смежных труб 45, 46 прямолинейных ветвей 50 меньше или больше, чем шаг b между продольными осями колен 51 смежных труб 45, 46 предпочтительно a<b, или шаг а равен шагу b.

Шаг а между продольными осями смежных труб 45, 46 прямолинейных ветвей 50 может составлять (1,5-2,5) d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 45, 46, а шаг b между осями смежных труб 45, 46 на прямолинейных участках 49 колен 51 составляет (1,8-2,8)d.

В качестве нагреваемой среды может быть использован предпочтительно воздух, в том числе с обогащенным содержанием кислорода, при этом в качестве охлаждаемой среды использованы продукты сгорания после турбины газотурбинной установки.

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 содержит, по крайней мере, две секции, внутри каждой из которых размещены, по меньшей мере, два теплообменных блока. Теплообменный блок в вариантном исполнении включает диффузор для подвода и конфузор для отвода охлаждаемой среды, коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды, каждый из которых соединен посредством отдельных трубных досок, вмонтированных непосредственно в стенку соответствующего коллектора подвода и отвода нагреваемой среды, с многорядным пучком четырехходовых теплообменных труб различных типоразмеров, определяемых по разработанным в изобретении зависимостям, посредством дистанцирующих элементов. Многорядный пучок может состоять, по крайней мере, из двух пакетов двухходовых U-образных труб, объединенных коллекторами подвода и отвода нагреваемой среды и, по крайней мере, одной перепускной камерой. Технический результат, обеспечиваемый всеми объектами группы изобретений, состоит в обеспечении высокой эффективности теплообмена при одновременном снижении металлоемкости регенеративного воздухоподогревателя за счет разработанных в изобретении конструкций теплообменного аппарата и его элементов, обеспечивающих оптимальное размещение различных теплообменных труб в пучке, оптимальное выполнение дистанцирующих элементов, повышение жесткости и прочности конструкций, работающих в условиях высоких температур при одновременном снижении металлоемкости за счет уменьшения габаритов и металлоемкости элементов решетки для теплообменных труб и упрощения сборки пучка теплообменных труб. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Теплообменный аппарат - блочно-секционный воздухоподогреватель, характеризующийся тем, что он содержит, по крайней мере, две секции, внутри каждой из которых размещены, по меньшей мере, два теплообменных блока, каждый из которых включает диффузор для подвода и конфузор для отвода охлаждаемой среды, коллектор подвода и коллектор отвода нагреваемой среды, каждый из которых соединен посредством отдельных трубных досок, вмонтированных непосредственно в стенку соответствующего коллектора подвода или отвода нагреваемой среды, с многорядным пучком 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, причем 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], 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].2. 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.3. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что 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, при этом 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, равной при этом 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, а 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, 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, a 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)a [м], где а - шаг между продольными осями смежных труб на прямолинейных ветвях одного ряда [м], при этом количество труб в блоке составляет предпочтительно 263-563 шт.4. Теплообменный аппарат 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 2a, где a - 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 2a±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

a - 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.

6. Теплообменный блок по п.5, 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.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 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.

L_i+1=2l'_i+1+2l''_i+1-Δ+2H'_i+1+H''_i+1+3πR, где

L_i+1 - длина развертки (i+1)-й трубы ряда [м];

l'_i+1 - длина внешней прямолинейной ветви (i+1)-й трубы ряда, равная l'_i+1=l'_i-b[м];

l''_i+1 - длина внутренней прямолинейной ветви (i+1)-й трубы ряда, равная l''_i+1=l'_i-Δ[м];

H'_i+1 - длина прямолинейных вставок внешних колен (i+1)-й трубы ряда, равная Н'_i+1=Н'_i-2а [м],

H''_i+1 - длина прямолинейной вставки внутреннего колена (i+1)-й трубы ряда, равная Н''_i+1=Н''_i+2а [м];

а - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных в ряду труб [м];

b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду [м];

Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10^-3 [м];

l'_i, l"_i, H'_i и H"_i - соответствующие параметры для ″i″ трубы в ряду, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг ″а″ составляет (1,5-2,5)·d, шаг ″b″ составляет (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы [м], длина развертки L_min теплообменной трубы минимальной длины составляет не менее 0,75 длины развертки L_max теплообменной трубы максимальной длины, при этом размещение теплообменных труб в ряду выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб на прямолинейных ветвях ряда, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом теплообменных труб, и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб ряда, с учетом зазоров между трубами, составляет 0,02-0,12 [м^-1].

18. Теплообменный блок по п.16, 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], 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].