ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2021 года по МПК F28D7/00 F25B39/02 

Теплообменник для криогенных продуктов относится к энергетическому и транспортному машиностроению преимущественно к холодильной и криогенной технике и предназначен для испарения криогенных топлив для газотурбинных двигателей.

Известен теплообменник (авторское свидетельство СССР №1779124: МКИ⁵ F02K 3/08, F28F 21/00, заявл. 24.11.1989) для подогрева криогенного топлива, установленный в выходном тракте газотурбинного двигателя между турбиной и соплом, содержащий входной и выходной коллекторы для подвода и отвода криогенного топлива, внутренние полости которых соединены между собой кольцевыми трубами, расположенными в параллельных плоскостях и установленными с отношением продольного шага между ними к наружному диаметру трубки меньше или равно 1,5, перегородки, установленные в одной или нескольких перфорированных трубках, отделяющие полости коллекторов от полости трубки, при этом внутренняя полость перфорированной трубки соединена трубопроводом с источником воздуха повышенного давления и температуры, например компрессором.

Недостатки данного теплообменника в том, что, во-первых, при струйном теплообмене происходит обмерзание каналов теплообменника с наружной стороны со срастанием льда в единую пластину, что приводит к уменьшению площади теплопередачи и к снижению плотности теплового потока, а значит и эффективности теплообменника. Во-вторых, этот теплообменник имеет высокое внешнее гидравлическое сопротивление, а значит и высокий удельный расход топлива для газотурбинного двигателя.

Известен теплообменник (патент США №4191246, F28F 13/08, 1980) содержащий канал с внутренней вставкой, на входе и выходе которой с торцов выполнены отверстия для прохода жидкого криогенного продукта.

Недостаток данного теплообменника в том, что при высоких температурах греющего теплоносителя невозможно реализовать минимальную температуру стенки канала на наружной поверхности, а значит, плотность теплового потока будет значительно ниже, чем на обмерзающем теплообменнике. Вторым недостатком данного теплообменника, является то, что подогрев криогенного топлива будет значительно изменяться по режиму работы газотурбинного двигателя. Опыт доводки газотурбинного двигателя показал, что подогрев криогенного топлива в теплообменнике сильно изменяется в диапазоне работы газотурбинного двигателя от режима малого газа до взлетного. На режиме малый газ имеется значительно больший подогрев криогенного топлива, чем на взлетном и максимально продолжительном режимах. Увеличенный подогрев криогенного топлива в теплообменнике приводит к сильному падению плотности криогенного топлива за теплообменником и во всей магистрали за ним, увеличению гидравлического сопротивления этой магистрали, включая и форсунки камеры сгорания. Это вызывает неустойчивую работу всей топливной системы газотурбинного двигателя.

Задачи изобретения: повышение эффективности теплообменника для криогенных продуктов на всех режимах работы газотурбинного двигателя.

Поставленные задачи в теплообменнике для криогенных продуктов, содержащем содержащий канал, заключенный в кожух с образованием полости, при этом кожух перфорирован отверстиями, расположенными с двух противоположных сторон кожуха, решаются тем, что перед отверстиями со стороны набегающего влагосодержащего теплоносителя установлены под углом к поверхности кожуха с возможностью частичного перекрытия отверстий и закрепленные на нем гибкие пластины, а также тем, что гибкие пластины выполнены из материала, запоминающего форму в зависимости от температуры.

В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение относится к энергетическому и транспортному машиностроению преимущественно к холодильной и криогенной технике и применимо для испарения криогенных топлив для газотурбинных двигателей, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение поясняется следующими схемами.

На фиг. 1 схема теплообменника для криогенных продуктов.

На фиг. 2 схема продольного разреза теплообменника для криогенных продуктов.

На фиг. 1 теплообменник для криогенных продуктов содержит ряд каналов 1 заключенных в кожух 2, на поверхности которого с противоположных сторон выполнены входные отверстия 3 и выходные отверстия 4. Со стороны входных отверстий 3 на кожух 2 набегает влагосодержащий теплоноситель 5 со скоростью W, температурой Т и давлением Р.

На фиг. 2 схема продольного разреза теплообменника для криогенных продуктов 6 с подачей их во входной коллектор 7, соединенный с ним канал 1 и соосный с ним кожух 2. Наружная стенка канала 1 и внутренняя стенка кожуха 2 образуют полость. Выход из канала 1 соединен с выходным коллектором 8. Со стороны набегающего влагосодержащего теплоносителя 5 на кожухе 2 выполнены входные отверстия 3, а на противоположной стороне кожуха 2 выходные отверстия 4. Перед входными отверстиями 3 со стороны набегающего влагосодержащего теплоносителя 5 на наружной поверхности кожуха 2 установлены под углом к его поверхности гибкие пластины 9. Гибкие пластины 9 могут быть выполнены из материала, запоминающего форму в зависимости от температуры.

Теплообменник для криогенных продуктов по п. 1 работает следующим образом (фиг. 1 и фиг. 2). При работе газотурбинного двигателя криогенный продукт 6 (фиг. 2), например криогенное топливо, последнее в жидком состоянии подают во внутреннюю полость канала 1 (фиг. 1) через входной коллектор 7 (фиг. 2). Стенки канала 2 охлаждаются до температуры ниже 273,15 К. Набегающий влагосодержащий теплоноситель 5, со скоростью W, температурой Т и давлением Р, например, высокотемпературный греющий газ, поступает через входные отверстия 3 в межтрубное пространство между наружной стенкой канала 1 и внутренней стенкой кожуха 2, где охлаждается до низких температур и из него конденсируется влага, затем он выходит через выходные отверстия 4 на противоположной стороне из кожуха 2. Например, набегающим влагосодержащим теплоносителем 5 являются продукты сгорания водорода, которые содержат до 85 г Н₂О на 1 кг воздуха. Тепловой поток через стенку канала 1:q=α(Т_газ-Т_стенки), где α - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности канала 1, Т_газ - температура набегающего влагосодержащего теплоносителя 5, Т_стенки - температура стенки на наружной поверхности канала 1. При этом поверхность канала 1 покрывается слоем льда, на наружной поверхности которого устанавливается температура равная 273,15 К, что обеспечивает максимальную плотность теплового потока по наружной теплоотдаче, т.к. наружный коэффициент теплоотдачи на порядок ниже внутреннего коэффициента теплоотдачи от криогенного продукта 6, например жидкого криогенного топлива, к стенке канала 1, поэтому он определяет максимум плотности теплового потока. Газотурбинный двигатель многорежимный и поэтому от малого газа до режима взлет значительно изменяется скорость W, температура Т и давление Р набегающего влагосодержащего теплоносителя 5. При отсутствии кожуха 1 на режиме малого газа подогрев криогенного топлива высокий, а на режиме взлет значительно ниже, при этом наружные стенки каналов 1 теплообменника для криогенных продуктов на режиме взлет практически не обмерзают. Изменение подогрева криогенного топлива приводит к неустойчивой работе газотурбинного двигателя. Для одинаковой величины подогрева криогенного топлива на всех режимах работы и для получения одинакового наружного обмерзания каналов 1, т.е. получения максимальной плотности теплового потока через стенки каналов 1, перед входными отверстиями 3 кожуха 2 установлены гибкие пластины 9. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя скорость W набегающего влагосодержащего теплоносителя 5 возрастает, пластины 9 изгибаются под действием скоростного напора и прикрывают входные отверстия 3, при этом пропорционально квадрату скорости W возрастает гидравлическое сопротивление входных отверстий 3 в кожухе 2, что препятствует значительному увеличению расхода набегающего влагосодержащего теплоносителя 5 в межтрубное пространство между наружными стенками каналов 1 и внутренними стенками кожуха 2. Это снижает расход набегающего влагосодержащего теплоносителя 5 в межтрубное пространство между наружной стенкой канала 1 и внутренней стенкой кожуха 2. Снижается температура в межтрубном пространстве, что приводит к повышенному льдообразованию на наружной поверхности каналов 1, т.е. канал 1 обмерзает одинаково на всех режимах работы газотурбинного двигателя, что обеспечивает максимальную плотность теплового потока по наружной теплоотдаче канала 1.

Теплообменник для криогенных продуктов по п. 2 работает следующим образом (фиг. 2). С увеличением режима работы газотурбинного двигателя возрастает температура Т набегающего влагосодержащего теплоносителя 5 и пластины 9 изменяют свою форму, прикрывая сечения входных отверстий 3 в кожухе 2 со стороны набегающего влагосодержащего теплоносителя 5, т.к. они выполнены из материала, запоминающего форму в зависимости от температуры. Изменение проходных сечений входных отверстий 3 в зависимости от температуры набегающего влагосодержащего теплоносителя 5 уменьшает его расход и соответственно тепловой поток к криогенному продукту 6 при увеличении режима работы газотурбинного двигателя, что приводит к равномерному обмерзанию льдом наружных поверхностей каналов 1, и повышает эффективность работы теплообменника для криогенных продуктов на всех режимах работы газотурбинного двигателя.

Из-за перфорации отверстиями кожуха со стороны набегающего влагосодержащего теплоносителя и с противоположной стороны обеспечено равномерное обмерзание каналов, что повышает эффективность теплообменника для криогенных продуктов из-за получения максимальной плотности теплового потока, т.к. в этом случае реализуется минимальная температура с наружной стороны стенки канала.

Из-за установки гибких пластин, частично перекрывающих входные отверстия в кожухе от набегающего влагосодержащего теплоносителя, получено равномерное наружное обмерзание каналов теплообменника для криогенных продуктов, а значит и повышена эффективность его работы на всех режимах работы газотурбинного двигателя.

Из-за выполнения гибких пластин из материала, запоминающего форму при изменении температуры набегающего влагосодержащего теплоносителя, получено равномерное наружное обмерзание каналов теплообменника для криогенных продуктов, и также повышена его эффективность на всех режимах работы газотурбинного двигателя.

Таким образом, изобретением усовершенствован теплообменника для криогенных продуктов, в частности криогенного топлива в газотурбинный двигатель, при этом на наружной поверхности его каналов образуется лед с одинаковой толщиной при различных режимах работы газотурбинного двигателя, что повышает эффективность его работы на всех режимах работы.

Теплообменник для криогенных продуктов относится к энергетическому и транспортному машиностроению, преимущественно к холодильной и криогенной технике, и предназначен для испарения криогенных топлив для газотурбинных двигателей. Теплообменник для криогенных продуктов содержит канал, заключенный в кожух с образованием полости, при этом кожух перфорирован отверстиями, расположенными с двух противоположных сторон кожуха. Перед отверстиями со стороны набегающего влагосодержащего теплоносителя установлены под углом к поверхности кожуха с возможностью частичного перекрытия отверстий и закрепленные на нем гибкие пластины. Гибкие пластины выполнены из материала, запоминающего форму в зависимости от температуры. Техническим результатом является повышение равномерности образования слоя льда на наружной поверхности каналов при различных режимах работы газотурбинного двигателя, что повышает эффективность его работы на всех режимах работы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплообменник для криогенных продуктов, содержащий канал, заключенный в кожух с образованием полости, при этом кожух перфорирован отверстиями, расположенными с двух противоположных сторон кожуха, отличающийся тем, что перед отверстиями со стороны набегающего влагосодержащего теплоносителя установлены под углом к поверхности кожуха с возможностью частичного перекрытия отверстий и закрепленные на нем гибкие пластины.

2. Теплообменник для криогенных продуктов по п. 1, отличающийся тем, что гибкие пластины выполнены из материала, запоминающего форму в зависимости от температуры.