Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к газотурбостроению, где создаются и используются компактные и высокоэффективные теплообменные аппараты, в том числе рекуператоры, в которых осуществляются процессы теплопередачи, и как следствие, охлаждение греющей газообразной сплошной среды и нагревание подогреваемой рабочей среды. В газотурбинных установках таким рекуператором является, в частности, воздушно-газовой регенератор.
Известен трубчатый рекуператор (Шнеэ Я.Н. Газовые турбины (теория и конструкция). М., МАШГИЗ, с.367), состоящий из труб, закрепленных в трубных досках, и из корпуса с патрубками подвода и отвода низкотемпературного теплоносителя высокого давления и высокотемпературного теплоносителя низкого давления. В корпусе установлены трубные доски, разделяющие потоки теплоносителей, причем низкотемпературный теплоноситель движется в трубах, а высокотемпературный теплоноситель в межтрубном пространстве.
Это техническое решение принято за прототип.
Основным недостатком такого рекуператора являются непомерно большие его габариты и масса, что сдерживает широкое использование рекуператоров в газотурбостроении.
Целью настоящего изобретения является получение высокого уровня компактности рекуператора, обеспечивающего значительное уменьшение его габаритов и массы. Это достигается без ощутимого ухудшения гидравлических характеристик, например, сопротивления трубной системы по газу и воздуху (см. расчеты).
Сформулированная выше цель достигается путем отказа от известного расположения теплообменных труб в виде параллельных пучков, имеющих шахматную или рядную компоновку в поперечных сечениях. Вместо такого обычного расположения труб предложена принципиально новая компоновка, когда трубы объединены, по меньшей мере, в единичный теплообменный пакет, составленный из ряда сеточных матриц. Предложен сеточный рекуператор, состоящий из системы теплообменных труб, неподвижно закрепленных в трубных досках, и из двойного корпуса с патрубками подвода и отвода теплоносителей, причем низкотемпературный теплоноситель высокого давления движется в теплообменных трубах, а высокотемпературный теплоноситель низкого давления движется в межтрубном пространстве. Теплообменные трубы объединены, по меньшей мере, в один одномодульный блок рекуператора, представляющий собой единичный теплообменный пакет, составленный из ряда «сеток» (сеточных матриц), то есть из наборов продольных и поперечных теплообменных труб, сплетенных между собой в виде ортогональной или диагональной сетки подобно тому, как сплетены из ниток, например хлопчатобумажные ткани. Сеточная матрица сплетена из труб, в том числе различного как по площади, так и по конфигурации поперечного сечения, пакеты сеточных матриц, состоящие из необходимого числа сеток, объединены в отдельные модули, общее количество которых определяет в рекуператоре число перекрестных ходов среды высокого давления относительно течения среды низкого давления, матрицы, собранные в модуль, объединяются трубопроводами высокого давления, установленными по углам трубных досок.
На фиг.1-4 представлена конструкция сеточного рекуператора.
Отдельные плоские сеточные матрицы 1, сформированные продольными 2 и поперечными 3 трубами (фиг.1), сплетенными в виде ортогональной 4 (фиг.2) или диагональной 5 (фиг.3) сетки, установленными в трубных досках 6, и названными одномодульным блоком 7 сеточного рекуператора (фиг.4), объединены в пакет 8 (фиг.5). Из ряда пакетов 8 скомплектован многомодульный, например, из четырех пакетов, блок 9 сеточного рекуператора (фиг.6). Таким образом, сеточный рекуператор состоит из теплообменных труб 2 и 3, трубных досок 6, корпуса рекуператора 10, входного 11 и выходного 12 патрубков для подвода и отвода низкотемпературного потока 13 соответственно, например, подогреваемого в регенераторе сжатого воздуха, и, наконец, патрубков подвода 14 и отвода 15 высокотемпературного потока 16, например, отработавших в газовой турбине горячих газов. Сеточные матрицы 1, собранные в пакет 8 или в блок 9, объединяются трубопроводами 17 высокого давления по углам 18 трубных досок 6 (фиг.7).
Сеточный рекуператор работает следующим образом.
Низкотемпературный поток 13, например, сжатого воздуха, подводится в рекуператор через патрубок 11 и параллельно протекает через все теплообменные трубы 2 и 3 сеточных матриц 1, укрепленных в трубных досках 6. Подогретый в трубах 2 и 3 поток выпускается из рекуператора через патрубок 12. Высокотемпературный поток 16, например, отработавшие в турбине газотурбинной установки горячие газы, подводятся в корпус 10 рекуператора перпендикулярно плоскостям сеточных матриц 1, фиг.1, 2 и 6. Горячие газы 16 охлаждаются в рекуператоре за счет передачи теплоты низкотемпературному потоку 13 и выводятся из корпуса 10 рекуператора (фиг.6).
Применительно к описанному выше рекуператору необходимо указать на следующее:
I. Отличительными особенностями сеточного рекуператора являются:
1. Среда с высоким давлением двигается в матрице с разделением на два потока с взаимно скрещивающимся течением.
2. Трубная доска формируется в виде двух вложенных друг в друга прямоугольных или квадратных тонкостенных короба, с перфорированными в них профильными отверстиями под трубки, и вставленными в них концами трубок сетки, а в промежутке между коробами засыпается высокотемпературный припой.
3. Внутренний короб и наружный короб состоят из четырех тонких пластин с выполненными в них профильными отверстиями под трубки.
4. Сеточные матрицы, состоящие из необходимого числа сеток, формируются в модуль и определяют число перекрестных ходов среды высокого давления относительно прямоточного течения среды низкого давления.
5. Трубки в слоях сеток могут располагаться относительно друг друга в шахматном или коридорном порядке.
6. Формирование сетки (плетение) из тонкостенных трубок выполняется при предварительном опресовывании трубок до овальной формы с небольшим овалом при соотношении длин малой и большой оси овала не более b/а≥0,85.
7. После плетения сетки из трубок она опресовывается между двумя плоскостями до соотношения в локальных точках b/а≥0,75, т.е. толщина сетки при этом будет составлять δc=1,5d (фиг.8).
8. После опресовывания сетки каналы внутри трубки имеют змеевидную конфузорно-диффузорную форму.
9. Минимальный относительный шаг (шаг плетения) между трубками может составлять t/d≥1,5.
10. В связи с змеевидной конфузорно-диффузорной формой каналов внутри трубки может резко изменятся толщина пограничного слоя с возможным его разрушением и формированием нового пограничного слоя, при этом начальный участок теплообмена в трубке может быть равен шагу плетения, что приведет к высокой интенсификации теплообмена внутри трубки.
11. Со стороны низкого давления среда, обтекая овальные трубки, имеет сложное трехмерное течение из-за разноуровневого расположения поверхностей трубок относительно набегающего потока, что вызывает также интенсификацию теплообмена со стороны среды низкого давления.
12. При шахматном расположении трубок соседних сеток, набегающий поток низкого давления имеет так же змеевидную форму течения с увеличенной интенсификацией теплообмена.
13. Матрицы, собранные в модуль, объединяются тубопроводами высокого давления по углам трубных досок.
14. Модуль имеет тонкостенный наружный кожух, который, с одной стороны, охватывает матрицы вместе с трубопроводами высокого давления, а с другой - служит для герметизации высокотемпературной среды с низким давлением.
15. При разнице температурных расширений трубной доски матрицы и трубок сетки, которые имеют змеевидную форму внутри трубной доски, представляют эластичную конструкцию, позволяющую сеткам как бы вспухать по или против потока среды низкого давления.
16. Коэффициент компактности выделенного элемента из модуля определяется по формуле
,
где F - смоченная поверхность теплообмена;
V - объем модуля;
d - диаметр трубки;
- относительный шаг плетения;
- относительная толщина сетки.
17. Коэффициент компактности такого модуля может составлять:
Кк=F/V=1200-3600 м2/м3.
18. Доля поверхности теплообмена со стороны низкого давления, не участвующая в теплообмене из-за контакта трубок друг с другом, составляет не более 5%, при этом коэффициент теплопередачи снижается на 2,5%.
19. Между каждой плетеной сеткой допускается регламентированный зазор для увеличения смачиваемой поверхности теплообмена с внешней стороны трубки в результате уменьшения контактных поверхностей между сетками.
20. С целью увеличения компактности рекуператора в сочетании с незначительным увеличением сопротивления со стороны наружной поверхности трубчатого пучка, взаимно пересекающиеся плети данной фактуры плетения, могут состоять из одной или нескольких трубок.
21. Взаимно пересекающиеся плети могут располагаться под углом, отличным от взаимно перпендикулярного расположения.
22. По сравнению с U-образной формой трубного пучка сеточный пучок имеет длину тракта по внутренней поверхности трубки в два раза меньше и соответственно имеет меньшее гидравлическое сопротивление.
23. Минимальный технологический относительный шаг плетения составляет:
24. Минимальная технологическая относительная толщина сетки составляет:
II. В таблице приведен тепловой расчет рассмотренного выше рекуператора. Эти расчеты определили размерные характеристики и гидравлическое сопротивление рекуператора, не превышающее 5÷5,2%, что можно считать вполне приемлемым [1].
Использованная литература
1. Шнеэ Я.Н. Газовые турбины (теория и конструкция). М.: МАШГИЗ, с.367.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
МАТРИЧНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ (ВП) | 2011 |
|
RU2484386C2 |
ТЕПЛООБМЕННИК | 2006 |
|
RU2328682C1 |
ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО | 2022 |
|
RU2790537C1 |
ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕТЕЧЕК ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ МЕЖДУ ТРУБНЫМ ПУЧКОМ И КОЖУХОМ ТЕПЛООБМЕННИКА | 2005 |
|
RU2294505C1 |
ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 2008 |
|
RU2412365C2 |
ТРУБЧАТЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ ГТД | 1999 |
|
RU2154248C1 |
СПОСОБ УНИФИКАЦИИ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ТРУБЧАТОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА (КУ) | 2009 |
|
RU2453786C2 |
ПРОТИВОТОЧНЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ МАТРИЧНО-КОЛЬЦЕВОЙ КОМПАКТНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ РЕКУПЕРАТОР | 2010 |
|
RU2464514C2 |
ПРОТИВОТОЧНЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ МАТРИЧНО-КОЛЬЦЕВОЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ РЕКУПЕРАТОР | 2010 |
|
RU2450210C2 |
РЕКУПЕРАТОР | 1995 |
|
RU2125207C1 |
Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к газотурбостроению, где создаются и используются компактные и высокоэффективные теплообменные аппараты. В изобретении разработан компактный и эффективный сеточный рекуператор, сущность устройства которого состоит в том, что теплообменная поверхность рекуператора сконструирована в виде пакетов (модулей), составленных из определенного количества сеточных матриц (сеток), то есть составленных из трубных структур, «сплетенных» из тонкостенных труб. Тепловые расчеты показали, что предложенный рекуператор обладает высокой компактностью и удовлетворительным гидравлическим сопротивлением по обеим теплоносителям. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.
1. Сеточный рекуператор, состоящий, во-первых, из системы теплообменных труб, неподвижно закрепленных в трубных досках, и, во-вторых, из двойного корпуса с патрубками подвода и отвода теплоносителей, причем низкотемпературный теплоноситель высокого давления движется в теплообменных трубах, а высокотемпературный теплоноситель низкого давления движется в межтрубном пространстве, отличающийся тем, что теплообменные трубы объединены, по меньшей мере, в один одномодульный блок рекуператора, представляющий собой единичный теплообменный пакет, составленный из ряда «сеток» (сеточных матриц), то есть из наборов продольных и поперечных теплообменных труб, сплетенных между собой в виде ортогональной или диагональной сетки подобно тому, как сплетены из ниток, например, хлопчатобумажные ткани.
2. Сеточный рекуператор по п.1, отличающийся тем, что сеточная матрица сплетена из труб, в том числе различного как по площади, так и по конфигурации поперечного сечения.
3. Сеточный рекуператор по п.1, отличающийся тем, что пакеты сеточных матриц, состоящие из необходимого числа сеток, объединены в отдельные модули, общее количество которых определяет в рекуператоре число перекрестных ходов среды высокого давления относительно течения среды низкого давления.
4. Сеточный рекуператор по п.1, отличающийся тем, что матрицы, собранные в модуль, объединяются трубопроводами высокого давления, установленными по углам трубных досок.
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО БЛОКА АППАРАТА (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ И/ИЛИ ВЕРХНЕГО ТЕПЛООБМЕННОГО БЛОКА АППАРАТА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИЖНЕГО ТЕПЛООБМЕННОГО БЛОКА АППАРАТА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТОРА ПОДВОДА ИЛИ КОЛЛЕКТОРА ОТВОДА ВОЗДУХА ТЕПЛООБМЕННОГО БЛОКА АППАРАТА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ БЛОКОВ АППАРАТА, СТАПЕЛЬ ДЛЯ СБОРКИ ТЕПЛООБМЕННОГО БЛОКА АППАРАТА (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЧЕТЫРЕХВЕТВЕВЫХ ИЗОГНУТЫХ ТРУБ АППАРАТА (ВАРИАНТЫ) | 2004 |
|
RU2344916C2 |
ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ | 1999 |
|
RU2262054C2 |
Многоходовой противоточный воздухоподогреватель | 1989 |
|
SU1837138A1 |
Многоходовой теплообменник | 1990 |
|
SU1749682A1 |
ДЕЭМУЛЬГАТОР ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ОБЕССОЛИВАНИЯ НЕФТИ | 1995 |
|
RU2076134C1 |
Авторы
Даты
2011-05-20—Публикация
2009-04-13—Подача