Способ охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения и устройство для его реализации Российский патент 2021 года по МПК F28D1/00 

Изобретение относится к способам охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) и устройствам для их реализации, то есть к АВО, используемым для охлаждения газа на компрессорных станций газопроводов с целью снижения его вязкости, позволяя существенно повысить эффективность охлаждения газа в оребренных пучках труб теплообменников воздушного охлаждения (ТВО) вышеуказанных АВО.

Способ охлаждения реализуется путем закручивания охлаждающего воздуха в спиралевидных вихревых турбулизаторах, образованных спиралевидными элементами лепестков, в форме которых выполнено оребрение пучков труб ТВО в радиальном направлении по отношению к трубам, что приводит к существенному увеличению поверхности и времени контакта охлаждающего воздуха с пучком оребренных труб, а также снижению статического давления охлаждающего воздуха за счет его интенсивной закрутки, способствуя снижению его температуры и как результат - эффективному снижению энтальпии охлаждающего газа за счет повышения теплоотдачи от него к охлаждающему воздуху.

АВО компрессорных станций магистральных газопроводов включает в себя ТВО и вентилятор. ТВО состоит из пучка оребренных труб, теплоохлаждающие элементы которых размещены по окружности труб на равном расстоянии друг от друга и образованы каждый вложенными друг в друга желобами, а это оребрение выполнено в виде лепестков, которые закручены по спирали и представляют собой спиралевидный вихревой турбулизатор. Вентилятор располагается в нижней части АВО и производит подачу охлаждающего воздуха в межтрубное пространство, со спиралевидным вихревым движением по оси турбулизатора и зигзагообразным движением воздуха между ребер. При этом, чем интенсивней вихревое и зигзагообразное движение воздуха тем эффективней теплообмен и охлаждения газа.

Для существенного повышения эффективности теплоотдачи, за счет увеличения поверхности теплообмена, времени контакта воздуха с поверхностью теплообмена, роста турбулизации, то есть устойчивого вихреобразования предложен способ формирования устойчивой системы вихрей, - создаваемых спиралевидными каналами, образованными лепестками ребер, которые позволяют закручивать воздух и увеличивать время его контакта с ТВО. Охлаждающие ребра труб ТВО, выполненные в форме "спиралевидного вихревого турбулизатора" позволяют увеличить коэффициент теплообмена между охлаждающим воздухом и газом, протекающим в оребренных трубах ТВО.

Известен способ охлаждения газа в АВО, который заключается в использовании штырьковых теплообменных поверхностей полученных литьем, фрезерованием или использованных сборных конструкций, в которых штырьки закрепляются развальцовкой, сваркой или пайкой что существенно увеличивает поверхность теплообмена, однако, отличается повышенным термическим сопротивлением в месте сборки с несущим основанием. Ограничение отношения длины штырька к его поперечному сечению автоматически ограничивает возможность получения больших площадей теплообменной поверхности [1]. Термическое сопротивление в месте контакта штырьков с трубами ТВО и отсутствие вихревого движения охлаждающего воздуха, невысокая плотность штырьков не позволяют существенно повысить эффективность охлаждения газа.

Наиболее близкий по исполнению к предлагаемому способу охлаждения газа в АВО, является способ реализованных в лепестковых теплообменных поверхностях ТВО. Способ включает в себя подачу газа в трубы многорядного одноходового трубного пучка ТВО и подачу охлаждающего воздуха вентилятором в межтрубное пространство, с формированием зигзагообразного характера движения воздуха с интенсивной турбулентностью за счет наружного оребрение трубного пучка содержащего элементы оребрения, размещенные по окружности на равном расстоянии друг от друга, образованные каждый вложенными друг в друга желобами, продольно размещенными на трубном пучке, скрепленными с последним и между собой средними частями оснований, и выполненные на боковых образующих желобов с поперечно развернутыми в одном или противоположном по отношению к смежным лепесткам, расположенным продольными рядами, боковые образующие смежных желобов расположены в каждом элементе на расстоянии одна от другой, не превышающем ширину лепестков, выполненных по всей высоте боковых образующих и расположенных в смежных рядах с взаимным смещением. Поток охлажденного газа АВО движется не только прямолинейно, но и он обтекая лепестки, совершает зигзагообразное движения [2].

Данный способ повышения эффективного охлаждения газа в АВО реализует увеличение поверхности теплообменной оребренной трубы зигзагообразные завихренные движения охлаждающего газа, снижение технического сопротивления.

Однако вышеуказанный способ не в полной мере обеспечивает охлаждение газа в АВО, потому что отсутствует устойчивой интенсивное завихренное движение охлаждающего воздуха и нет возможности получать оребрение с малым шагом расположения лепестков, что приводит к невысокой плотности и низкому коэффициенту увеличения площади охлаждаемой поверхности.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении воздушного охлаждения газа, включающего подачу газа в трубы многорядного одноходового трубного пучка и подачу охлаждающего воздуха в межтрубное пространство, с формированием зигзагообразного характера движения воздуха с интенсивной турбулентностью за счет наружного оребрение трубного пучка содержащего элементы оребрения, размещенные по окружности на равном расстоянии друг от друга, образованные каждый вложенными друг в друга желобами, продольно размещенными на трубном пучке, скрепленными с последним и между собой средними частями оснований, и выполненные на боковых образующих желобов с поперечно развернутыми в одном или противоположном по отношению к смежным лепесткам, расположенным продольными рядами, боковые образующие смежных желобов расположены в каждом элементе на расстоянии одна от другой, не превышающем ширину лепестков, выполненных по всей высоте боковых образующих и расположенных в смежных рядах с взаимным смещением, отличающиеся тем, что дополнительно к зигзагообразному поступательному движению охлаждающий воздух направляют по каналам, образованным спиралевидными элементами лепестков, и закрутки в устойчивое вращательное движение относительно осей, радиальных по отношению к трубам. Скорость вращения воздуха увеличивается по мере приближения к трубе. Способ эффективного теплообмена воздушного охлаждения газа реализуется за счет использования устойчивого турбулентного вихревого движения охлаждающего воздуха в форме «Вихревой дорожки Кармана», создаваемого посредством лепестковых охлаждающих элементов, выполненных в форме спирали Архимеда типа "Спиралевидный турбулизатор" и закрепленных на теплообменных трубах.

Задачей изобретения является повышение теплоотдачи за счет увеличения поверхности теплообменных поверхностей, времени движения воздуха и закрутки его. Закручивание охлаждающего воздуха спиралевидными элементами лепестков приводит к существенному увеличению времени контакта охлаждающего воздуха с пучком оребренных труб, а также снижению статического давления охлаждающего воздуха за счет его интенсивной закрутки. "Спиралевидный вихревой турбулизатор" как основной элемент эффективного охлаждения газа в ТВО, выполнен в форме лепестков пространственной спирали Архимеда. Исследования механизма взаимодействия устойчивой «Вихревой дорожки Кармана» в спиралевидном вихревом турбулизаторе подтверждают существенное снижение статического давление за счет интенсивного вихревого движения, что приводит к существенному снижению температуры охлаждающего воздуха, в соответствии с теорией Менделеева-Клайперона:

где ΔР - снижение статического давления, Па,

ρ - плотность воздуха, кг/м³,

ΔT - снижение абсолютной температуры, К°.

Таким образом, высокие скорости вращения потока в зоне контакта с трубой теплообменной поверхности приводят к существенному снижению температуры охлаждающего воздуха и повышения эффективности ТВО, как результат существенному снижению температуры охлаждаемого газа.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:

- Увеличение времени контакта охлаждающего воздуха с пучком оребренных труб.

- Снижение статического давления охлаждающего воздуха за счет его интенсивной закрутки.

- Снижение температуры и как результат -эффективному снижению энтальпии охлаждающего газа за счет повышения теплоотдачи от него к охлаждающему воздуху.

- Снижение вязкости газа за счет существенного повышения эффективности его охлаждения газа в оребренных пучках труб теплообменников воздушного охлаждения позволяет снизить затраты на транспортирование газа.

Задача изобретения решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе охлаждения газа в АВО, включающим в себя подачу газа в трубы многорядного одноходового трубного пучка и подачу охлаждающего воздуха в межтрубное пространство, с формированием зигзагообразного характера движения воздуха с интенсивной турбулентностью за счет наружного оребрения трубного пучка содержащего элементы оребрения, размещенные по окружности на равном расстоянии друг от друга, образованные каждый вложенными друг в друга желобами, продольно размещенными на трубном пучке, скрепленными с последним и между собой средними частями оснований, и выполненные на боковых образующих желобов с поперечно развернутыми в одном или противоположном по отношению к смежным лепесткам, расположенным продольными рядами, боковые образующие смежных желобов расположены в каждом элементе на расстоянии одна от другой, не превышающем ширину лепестков, выполненных по всей высоте боковых образующих и расположенных в смежных рядах с взаимным смещением, при этом дополнительно к зигзагообразному поступательному движению охлаждающий воздух направляют по каналам, образованным спиралевидными элементами лепестков, и закручивают относительно осей, радиальных по отношению к трубам в устойчивое вращательное движение.

Способ охлаждения газа в АВО реализован в устройстве, представлен на чертежах.

На фиг. 1 изображен ТВО, реализующий предложенный способ охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения (оребренная труба, вид на ось трубного пучка).

На фиг. 2 представлен вид А на фиг. 1 - п. 4 изобретения.

На фиг. 3 представлена 3D модель трубы ТВО с одним рядом оребрения в виде стержней лепестков, выполненных в форме пространственной спирали Архимеда с уменьшением диаметра спирали по мере приближения к трубе.

Труба многорядного одноходового трубного пучка ТВО аппарата воздушного охлаждения содержит элементы оребрения, в виде пространственной спирали Архимеда - 1, размещенных по ее окружности на равном расстоянии друг от друга, образованные каждый вложениям друг друга желобами, продольно размещенными на трубе 2, скрепленными с последней с между собой средними частями основаниями -3.

В процессе работы аппарата воздушного охлаждения вентилятор расположенный в нижней части АВО подает охлаждающий воздух на многорядный одноходовой пучок ТВО. Охлаждающий воздух поступает на элементы оребрения, выполненные в виде пространственной спирали Архимеда - 1, закручивается в вихревое спиралевидное движение по оси спиралевидного вихревого турбулизатора - 1, скрепленного с трубой - 2 средними частями оснований - 3. Охлаждающий воздух, двигаясь по спирали, приобретает большую скорость, в результате чего снижается его давление, и как результат снижается его температура по закону Менделеева-Клайперона. Снижение температуры охлаждающего воздуха, увеличение поверхности контакта обусловленная спиралевидным движением способствует существенному снижению температуры газа, который движется по трубам ТВО. При этом за счет средних частей желобов спиралевидного вихревого турбулизатора обеспечивается плотный контакт элементов оребрения с трубой, что способствует эффективному охлаждению газа.

Таким образом, применение данного способа охлаждения газа АВО на базе предложенных технических решений, учитывающих специфику конструкции и условий их эксплуатации, позволяет поднять на качественно новый уровень термодинамическую эффективность АВО, дополнительно способствуя снижению температуры с помощью закрутки воздуха, снижение статистического давления и увеличения времени контакта с пучком оребренных труб.

Источники информации

1. Патент США US 20110079376. В23Р 15/26 Sy-Jenq Loong, Donald Lynn Smith. Cold plate with pins. Заявлен 03.10 2009 г., опубликован 07.04.2011 г.

2. Патент №1462078 «Наружное оребрение теплообменной трубы» Кривешко, Трепутнев, Кесельман. Опубликовано: 28.02.1989.

Изобретение относится к способам охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения и устройствам для их реализации. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения газа в оребренных пучках труб теплообменников воздушного охлаждения вышеуказанных аппаратах воздушного охлаждения. Путем закручивания охлаждающего воздуха в каналах, образованных спиралевидными элементами лепестков, в форме которых выполнено оребрение пучков труб теплообменников воздушного охлаждения в радиальном направлении по отношению к трубам, что приводит к существенному увеличению времени контакта охлаждающего воздуха с пучком оребренных труб, а также снижению статического давления охлаждающего воздуха за счет его интенсивной закрутки, что способствует снижению его температуры и как результат - эффективному снижению энтальпии охлаждающего газа за счет повышения теплоотдачи от него к охлаждающему воздуху. Способ воздушного охлаждения газа, включающий подачу газа в трубы многорядного одноходового трубного пучка и подачу охлаждающего воздуха в межтрубное пространство, с формированием зигзагообразного характера движения воздуха с интенсивной турбулентностью за счет наружного оребрения трубного пучка, содержащего элементы оребрения, размещенные по окружности на равном расстоянии друг от друга, образованные каждый вложенными друг в друга желобами, продольно размещенными на трубном пучке, скрепленными с последним и между собой средними частями оснований, и выполненные на боковых образующих желобов с поперечно развернутыми в одном или противоположном по отношению к смежным лепесткам, расположенным продольными рядами, боковые образующие смежных желобов расположены в каждом элементе на расстоянии одна от другой, не превышающем ширину лепестков, выполненных по всей высоте боковых образующих и расположенных в смежных рядах с взаимным смещением, при этом дополнительно к зигзагообразному поступательному движению охлаждающий воздух направляют по каналам, образованным спиралевидными элементами лепестков, и закрутки в устойчивое вращательное движение относительно осей, радиальных по отношению к трубам. Наружное оребрение теплообменной трубы, содержащее элементы оребрения в форме пространственной спирали Архимеда, с уменьшением диаметра спирали по мере приближения к трубе размещенные по окружности на равном расстоянии друг от друга. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ воздушного охлаждения газа, включающий подачу газа в трубы многорядного одноходового трубного пучка и подачу охлаждающего воздуха в межтрубное пространство, с формированием зигзагообразного характера движения воздуха с интенсивной турбулентностью за счет наружного оребрения трубного пучка, содержащего элементы оребрения, размещенные по окружности на равном расстоянии друг от друга, образованные каждый вложенными друг в друга желобами, продольно размещенными на трубном пучке, скрепленными с последним и между собой средними частями оснований, и выполненные на боковых образующих желобов с поперечно развернутыми в одном или противоположном по отношению к смежным лепесткам, расположенным продольными рядами, боковые образующие смежных желобов расположены в каждом элементе на расстоянии одна от другой, не превышающем ширину лепестков, выполненных по всей высоте боковых образующих и расположенных в смежных рядах с взаимным смещением, отличающийся тем, что дополнительно к зигзагообразному поступательному движению охлаждающий воздух направляют по каналам, образованным спиралевидными элементами лепестков, и закручивают в устойчивое вращательное движение относительно осей, радиальных по отношению к трубам.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вращательное движение охлаждающего воздуха относительно смежных спиралевидных лепестков противоположно направлено.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость вращения воздуха увеличивается по мере приближения к трубе.

4. Труба многорядного одноходового трубного пучка для реализации способа по п. 1, отличающаяся тем, что в лепестках боковых образующих желобов выполнены разрезы до основания желобов с образованием равномерно расположенных стержней, выполненных в виде пространственной спирали Архимеда с уменьшением диаметра спирали по мере приближения к трубе.