Пластинчатый теплообменник со спиралевидными турбулизаторами для газотурбинной установки Российский патент 2024 года по МПК F28D9/04 B33Y80/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в любых отраслях техники для подогрева жидких или газообразных сред, в том числе в качестве рекуператора для газотурбинных установок.

Известен пакет пластинчатого теплообменника, содержащий листы и расположенные между ними с образованием каналов для теплоносителя уплотняющие бруски, при этом в каналах установлены насадки в виде проволочных спиралей, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, спирали образованы витками разновеликого диаметра и отношение максимального к минимальному диаметру равно 2,5…25 (патент РФ 2031346, опубл. 20.03.1995).

Известен пластинчатый теплообменник рекуператора газотурбинной установки (Патент US 7065873 В2, опубл. 27.05.2006), содержащий цилиндрический наружный корпус, внутренние разделительные кольца, размещенные между ними и опирающиеся на центральное внутреннее разделительное кольцо, идентичные теплообменные элементы в виде конвертов, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам оребренных пластин. Патрубки подвода и отвода внутреннего теплоносителя с большим давлением здесь формируются набором конструктивных элементов, включающим планки, опирающиеся на разделительные кольца. Известен также способ изготовления данного пластинчатого теплообменника, включающий поэтапную вырезку и сборку элементов конструкции, с указанием мест сварки, включающий приварку планок.

К недостаткам данной конструкции и способа ее изготовления можно отнести большое количество конструктивных элементов и сварных швов, что негативно сказывается на герметичности, прочности и сложности изготовления теплообменника. Кроме того, использование в районе патрубков подвода и отвода теплоносителя планок с приваркой их аргонно-дуговой сваркой увеличивает металлоемкость и стоимость изделия, а также снижает его эффективность вследствие загромождения проходных сечений окон патрубков.

Известен пластинчатый теплообменник и способ его изготовления (патент РФ №2700213, опубл. 13.09.2019), содержащий цилиндрический наружный корпус, одно центральное и два периферийных разделительных кольца, размещенные между корпусом и разделительными кольцами и опирающиеся на центральное разделительное кольцо теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин и имеющие выступающие за периферийную кромку отбортовки, которые образуют впускные и выпускные коллекторные окна, причем коллекторные окна охвачены разделительными кольцами, отбортовки, центральное и периферийные кольца формируют коллекторы подвода и отвода внутреннего теплоносителя, торцевые части теплообменника выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность прохождения между теплообменными элементами внешнего теплоносителя, при этом теплообменник состоит из по меньшей мере двух секций, каждая из которых состоит из теплообменных элементов, соединенных со сторон подвода и отвода внутреннего теплоносителя с помощью соединительных элементов, причем в каждой секции коллекторные окна соединены без зазора с окнами соседних тепловых элементов одной секции, а соединительные элементы образуют периферийные кольца. При этом способ изготовления пластинчатого теплообменника заключается в том, что наружные и внутренние гофрированные пластины изготавливают методом штамповки, а затем попарно соединяют по периферийным кромкам, а образованные при этом теплообменные элементы соединяют друг с другом с помощью наружного цилиндрического корпуса, двух периферийных и одного центрального разделительных колец, в каждом теплообменном элементе выполняют отбортовки, образующие впускные и выпускные коллекторные окна, таким образом, что они выступают за периферийную кромку пластин по внутреннему диаметру теплообменника, при этом периферийные кольца изготавливают соединением по меньшей мере двух соединительных элементов таким образом, чтобы они образовывали замкнутую линию, при этом в каждый соединительный элемент устанавливают по меньшей мере два теплообменных элемента.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является пластинчатый теплообменник и способ его изготовления (патент РФ №2686134, опубл. 24.04.2019), содержащий первую секцию теплообменника, которая включает цилиндрический наружный корпус, одно центральное и два периферийных разделительных кольца, размещенные между корпусом и кольцами и опирающиеся на центральное разделительное кольцо теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин, отличающийся тем, что теплообменные элементы имеют выступающие за периферийную кромку отбортовки, образующие впускные и выпускные коллекторные окна, соединенные без зазора с окнами соседних теплообменных элементов и охватываемые разделительными кольцами, причем отбортовки, центральное и периферийные кольца формируют коллекторы подвода и отвода внутреннего теплоносителя, а торцевые части теплообменника выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность прохождения между теплообменными элементами внешнего теплоносителя, кроме того, теплообменник содержит дополнительную секцию теплообменника, выполненную аналогично первой секции, причем секции теплообменника расположены в теплообменнике таким образом, чтобы обеспечить параллельное поступление внутреннего теплоносителя в первую и дополнительную секции теплообменника, а также обеспечить к ним параллельную подачу внешнего теплоносителя.

Данный пластинчатый теплообменник и способ его изготовления принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

К недостаткам прототипа можно отнести низкую прочность теплообменника, а также относительную сложность изготовления теплообменника. Кроме того, теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин, имеют значительное гидравлическое сопротивление, которое оказывает негативный эффект на работу газотурбинной установки, т.к. для преодоления гидравлических потерь в холодном контуре теплообменника приводит к необходимости повышения степени повышения давления в компрессоре и уменьшения степени расширения в турбине для оставления необходимого запаса давления для преодоления потерь в горячем контуре теплообменника. Таким образом, уменьшается располагаемая работа турбины и увеличивается затрачиваемая работа компрессора. При значительных гидравлических потерях такие потери могут полностью компенсировать повышение эффективности за счет регенерации тепла цикла.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности работы газотурбинной установки, а также упрощение изготовления теплообменника.

Задачей предполагаемого изобретения является уменьшение гидравлических сопротивлений теплообменных элементов за счет применения в каналах спиралевидных турбулизаторов, а также относительное упрощение изготовления теплообменника за счет применения аддитивных технологий.

Поставленная задача достигается за счет того, что пластинчатый теплообменник, содержащий секцию 1 теплообменника, которая включает цилиндрический наружный корпус 4, разделительное кольцо 5 и опирающееся на него теплообменные элементы 6, расположенные по эвольвентной направляющей, согласно изобретению, теплообменник содержит две секции 2, 3 теплообменника, секция 2 содержит коллекторы подвода воздуха из компрессора 16 и отвода выхлопных газов 17, секция 3 содержит коллекторы отвода воздуха из компрессора 18 и подвода выхлопных газов 19, при этом секции 2, 3 расположены соосно секции 1, и выполнены за одно целое, а теплообменные элементы 6 секции 1 теплообменника выполнены в виде попарно соединенных изогнутых пластин 7, образующие каналы, в которых размещены спиралевидные турбулизаторы 8, 9, диаметр спиралевидных турбулизаторов 8 в канале для протекания воздуха из компрессора 11 в 2 раза меньше диаметра спиралевидных турбулизаторов 9 в канале для протекания выхлопных газов, а именно

Кроме того, согласно изобретению, что секции 3, 1, 2 теплообменника расположены последовательно и изготовлены методом селективного лазерного сплавления путем последовательного сплавления слоев металлического порошка нержавеющей стали марки 12х18н10т толщиной 50 мкм.

Сущность изобретения поясняется фигурами, где:

на фиг. 1 показан общий вид пластинчатого теплообменника с направлением движения воздуха из компрессора и выхлопных газов;

на фиг. 2 показан общий вид секции 2 теплообменника:

на фиг. 3 показан сектор секции 2 теплообменника с теплообменными элементами;

на фиг. 4 показан теплообменный элемент секции 2 теплообменника;

на фиг. 5 приведена зависимость гидравлических соединений от длины секции 1 теплообменника.

Теплообменник (фиг. 1) состоит из трех секций 1, 2, 3. Секция 2 содержит коллекторы подвода воздуха из компрессора 16 и отвода выхлопных газов 17, секция 3 содержит коллекторы отвода воздуха из компрессора 18 и подвода выхлопных газов 19.

Секция 1 (фиг. 2) состоит из цилиндрического наружного корпуса 4, разделительного кольца 5 и опирающихся на него теплообменных элементов 6, которые выполнены в виде изогнутых пластин 7. Изогнутые пластины 7 теплообменного элемента 6 формируют каналы для протекания воздуха из компрессора 11 и выхлопных газов 10, в которых размещены спиралевидные турбулизаторы 8 и 9 соответственно. При этом диаметр спиралевидных турбулизаторов 8 в канале для протекания воздуха из компрессора 11 в 2 раза меньше диаметра спиралевидных турбулизаторов 9 в канале для протекания выхлопных газов 10 (фиг. 4), а именно Учитывая, то, что воздух из компрессора 12 имеет большую плотность по сравнению с выхлопными газами 13, соотношение дает возможность расположить максимальное количество теплообменных элементов 6 при неизменном диаметре пластинчатого теплообменника, что увеличивает коэффициент компактности теплообменника.

Изогнутые пластины 7 теплообменника расположены по эвольвентной направляющей таким образом, чтобы увеличить длину каждого канала и уместить наибольшее количество спиралевидных турбулизаторов 8, 9.

Секции 2, 3 расположены соосно секции 1 и выполнены за одно целое методом селективного лазерного сплавления путем последовательного сплавления слоев металлического порошка нержавеющей стали марки 12х18н10т толщиной 50 мкм.

Пластинчатый теплообменник со спиралевидными турбулизаторами газотурбинной установки, используемый для утилизации тепла выхлопных газов, работает следующим образом. Конструктивно теплообменник размещается после турбины газотурбинной установки. Ось газогенератора газотурбинной установки совмещают с осью теплообменника. Воздух из компрессора 12 подводится через коллектор подвода воздуха из компрессора 16 секции 2 к каналу для протекания воздуха из компрессора 11 теплообменного элемента 6 секции 1, где воздух нагревается теплом выхлопных газов 13, передаваемым через пластины 7, которые поступают из турбины через коллекторы подвода выхлопных газов 19 секции 3 к каналу для протекания выхлопных газов 10 теплообменного элемента 6 секции 1. Взаимное течение нагреваемого воздуха и отдающих тепло выхлопных газов - перекрестное без смешения потоков, как показано на фиг. 1. Выход нагретого воздуха 14 из теплообменного элемента 6 секции 1 осуществляется через коллекторы отвода воздуха из компрессора 18 секции 3. В дальнейшем, нагретый воздух из теплообменника подводится к камере сгорания газотурбинной установки. Выход выхлопных газов 15 осуществляется через коллекторы отвода выхлопных газов 17 секции 2.

Для прототипа уменьшение характерного размера (длины секции 1 теплообменника) приводит к значительному увеличению гидравлических сопротивлений в теплообменных элементах (фиг. 5). В связи с этим, оптимальным будет применение в предлагаемом изобретении теплообменных элементов со спиралевидными турбулизаторами в канале. Уменьшение гидравлических сопротивлений в каналах для протекания воздуха из компрессора и выхлопных газов приводит к снижению потребной степени повышения давления в компрессоре и степени понижения давления в турбине. И, как следствие, увеличивается располагаемая работа турбины и уменьшается затрачиваемая работа компрессора.

Таким образом, обеспечивается повышение эффективности работы газотурбинной установки путем уменьшения гидравлических сопротивлений теплообменных элементов за счет применения в канале спиралевидных турбулизаторов, а также упрощение изготовления теплообменника, а именно применение технологии селективного лазерного сплавления, позволяющей напечатать теплообменник из металлического порошка.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для подогрева жидких или газообразных сред, в том числе в качестве рекуператора для газотурбинных установок. Теплообменник состоит из трех секций (1), (2), (3). Секция (2) содержит коллекторы подвода воздуха из компрессора и отвода выхлопных газов, секция (3) содержит коллекторы отвода воздуха из компрессора и подвода выхлопных газов. Секция (1) состоит из цилиндрического наружного корпуса (4), разделительного кольца (5) и опирающихся на него теплообменных элементов (6), которые выполнены в виде изогнутых пластин (7), в которых размещены спиралевидные турбулизаторы (8) и (9) соответственно. При этом диаметр спиралевидных турбулизаторов (8) в канале для протекания воздуха из компрессора (11) в 2 раза меньше диаметра спиралевидных турбулизаторов (9) в канале для протекания выхлопных газов (10). Секции (2), (3) расположены соосно секции (1) и выполнены за одно целое методом селективного лазерного сплавления. Технический результат - снижение гидравлических сопротивлений в теплообменнике 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пластинчатый теплообменник, содержащий секцию (1) теплообменника, которая включает цилиндрический наружный корпус (4), разделительное кольцо (5) и опирающееся на него теплообменные элементы (6), расположенные по эвольвентной направляющей, отличающийся тем, что теплообменник содержит две секции (2), (3) теплообменника, секция (2) содержит коллекторы подвода воздуха из компрессора (16) и отвода выхлопных газов (17), секция (3) содержит коллекторы отвода воздуха из компрессора (18) и подвода выхлопных газов (19), при этом секции (2), (3) расположены соосно секции (1) и выполнены за одно целое, а теплообменные элементы (6) секции (1) теплообменника выполнены в виде попарно соединенных изогнутых пластин (7), образующих каналы, в которых размещены спиралевидные турбулизаторы (8), (9), диаметр спиралевидных турбулизаторов (8) в канале для протекания воздуха из компрессора (11) в 2 раза меньше диаметра спиралевидных турбулизаторов (9) в канале для протекания выхлопных газов, а именно

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что секции (3), (1), (2) теплообменника расположены последовательно и изготовлены методом селективного лазерного сплавления путем последовательного сплавления слоев металлического порошка нержавеющей стали марки 12х18н10т толщиной 50 мкм.