Теплообменник

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1749 1)5 Е 280 7/О ский приКарОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИ(71) Всесоюзный научно-исследоватеи проектный институт по транспортуродного газа(56) Авторское свидетельство СССРМ 1449818, кл. Р 28 О 7/02, 1986,Авторское свидетельство СССРМ 1124176, кл. Р 28 О 7/02, 1983.Авторское свидетельство СССРМ 1149101, кл, Р 22 В 1/18, 1983.жт(57) Использование: теплоэнергетика, теплообменная техника, утилизация тепла уходящих газов различных технологических процессов. Сущность изобретения; трубы пучка 1 размещены по спиралям, оси которых наклонены подострым углом к продольной оси корпуса 2, выполнены с ребрами диаметром, уменьшающимся по ходу газового теплоносителя (ГТ), и шагом между витками спирали, увеличивающимся по ходу ГТ. Спирали расположены в пучке 1 с частичным перекрытием в свету витков одной из них витками соседних спиралей. В зависи1749684 мости от требуемой величины теплосъема жидкостный теплоноситель распределяется между вертикальным трубным пучком 1 и теплообменной поверхностью 8. Снаружи трубы пучка 1 и теплообменная поверхность 8 омываются ГТ. Максимальный теплосъем достигается при размещении конического патрубка 11 в верхнем положении, при коИзобретение относится к теплообменной технике, а именно к газожидкостным теплообменникам, и может найти применение для утилизации тепла уходящих газов различных технологических процессов.Известна теплообменная поверхность из оребренных змеевиков труб, разделенных на участки в постоянным шагом витков, изменяющимся от (1,2 - 1,3)б до (1,6 - 1,8)б, где б - диаметр труб от участка к участку, а постоянный шаг ребра имеет только в пределах своего участка с изменением его от участка к участку пропорционально шагу витков труб,К недостаткам данного устройства относятся недостаточно эффективное использование повеохности нагрева из-за необусловленного какой-либо закономерностью изменения шага витков и соответствующего шага ребер, в то время как один из основных факторов, определяющих интенсивность теплообмена - температурный напор, по длине теплообменника изменяется по экспоненте; значительное аэродинамическое сопротивление теплообменника изза постоянного по его длине диаметра витков труб.Известно также теплообменное устройство, содержащее многостворчатые шиберы, укрепленные в рамах, две из которых установлены на входе в окно под углом к потоку, а другие на входе потока в теплообменные секции, при этом каждая створка шиберов установлена с возможностью поворота относительно оси, расположенной в плоскости рамы,К недостаткам данного устройства относятся значительное аэродинамическое сопротивление теплообменника из-за загромождения клапанами даже в открытом положении всего поперечного сечения канала газового теплоносителя; недостаточная эксплуатационная надежность устройства из-за возможности случайного аварийного полного перекрытия сечения перед теплообменником и наличия приводных шиберов в обогреваемой зоне. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 тором поворотные заслонки 16 перекрывают доступ ГТ в центральную трубу 9, открывая доступ к пучку 1. Минимальный теплосъем достигается при размещении конического патрубка 11 в нижнем положении, при котором открыт доступ ГТ в трубу 9. 2 3.и. ф-л ы, 2 ил. Наиболее близким к предлагаемому является теплообменник, преимущественно котел-утилизатор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с нижним и верхним патрубками соответственно подвода и отвода греющей среды и обечайку с открытыми верхним и нижним торцами, соосно установленную в корпусе с образованием кольцевого зазора, в котором размещена поверхность теплообмена, выполненная в виде шнека из плотно скрепленных между собой пластин, образующих винтовую полость для циркуляции нагреваемой среды, разделенную на паралелльные винтовые каналы, тангенциально подключенным к корпусу патрубком подвода греющей среды и с установленной в зоне нижнего торца регулирующей заслонкой,Недостатками известного устройства являются большая удельная металлоемкость на единицу тепловой мощности теплообменника из-за неэффективнного для теплообмена режима продольного обтекания гладких труб; малоэффективное использование всей поверхности нагрева из-за одинаковых по длине теплообменника геометрических характеристик и, следовательно, неравномерной теплонапряженности труб; недостаточная экономичность из-за узкого диапазона и большой крутизны кривой регулирования теплосъема вследствие использования только шиберного регулирования теплопроизводительности; пониженная эксплуатационная надежность из-за наличия приводного вала регулирующей заслонки в обогреваемой зоне; большое аэродинамическое сопротивление теплообменника из-за многократных поворотов газового теплоносителя и постоянного расположения заслонки в центре потока; недостаточная эксплуатационная надежность из-за неравномерности распределения теплоносителя по трубам, вызывающая наличие тепловой и гидравлической развертки по поверхности нагрева, различную степень тепловых деформаций труб и дополнительные температурные напряже.ния в местах соединения труб между собойи с камерами,Цель изобретения - устранение указанных недостатков, а именно интенсификациятеплообмена и повышение надежности,Указанная цель достигается тем, что вустройстве теплообменника, содержащемвертикальный корпус с центральной газоотводящей трубой и навитой вокруг последней теплообменной поверхностью,подключенной к патрубкам подвода и отвода нагреваемой среды, а также патрубкамиподвода и отвода греющего газа и газораспределительным устройством, вертикальным трубным пучком с входным верхним ивыходным нижним коллекторами соответственно подвода и отвода нагреваемой среды,теплообменная поверхность размещена собразованием кольцевого зазора со стенкой корпуса, трубы пучка размещены по 20спиралям, оси которых наклонены под острым углом к продольной оси корпуса, выполнены с ребрами диаметром,уменьшающимся по ходу греющего теплоносителя и шагом между витками спирали, 25увеличивающимся по ходу греющего теплоносителя, при этом спирали расположены впучке с частичным перекрытием в свету витков одной из них витками соседних спиралей, патрубок подвода греющего газа 3 Овыполнен коническим и подключен к днищукорпуса большим основанием конуса, газораспределительное устройство выполненов виде соосно установленных на входе ивыходе конического патрубка соответственно цилиндрического упора и полой конической перегородки, между которымиразмещен с возможностью вертикальногоперемещения запорный элемент, причемперегородка установлена с образованием 40кольцевого канала со стенкой патрубка, азапорный элемент выполнен в виде пологоконуса с закрепленными на меньшем основании, обращенном в сторону упора, поворотными заслонками, причем ребра труб 45выполнены с высотой и расположены с шагом, соответственно уменьшающейся иувеличивающимся по ходу греющего газа, авходной коллектор выполнен в виде торообразной камеры со штуцером, внутри которой кон центрично размещенподключенный к последнему перфориро"ванный трубопровод, выполненный из двухсимметричных секций, разделенных на участки, диаметры перфораций каждого из которых и диаметры каждого участка секцийвыполнены увеличивающимися по ходу движения нагреваемой среды, а торцы крайнихсекций скошены. Использование теплообменных труб в пучке в виде с частичным перекрытием в свету витков одной из них витками соседних спиралей позволяет, даже при небольших поперечных по сравнению с продольными размерами теплообменника и общем параллельном движении теплоносителей, организовать эффективный для теплообмена режим поперечного обтекания оребренных и расположенных в шахматном порядке труб. При таком расположении труб обеспечивается компактность поверхности нагрева, сложнйй многократный перекрестный противоток теплоносителя и полная компенсация тепловых деформаций труб, Этим достигается значительное увеличение коэффициента теплопередачи при одновременном снижении габаритов и массы на единицу тепловой мощности теплообменника и тем самым обеспечивается интенсификация теплообмена, а также повышение его эксплуатационной надежности.При противоточной схеме движения теплоносителей температурный напор по поверхности нагрева увеличивается по ходу движения греющего теплоносителя вследствие уменьшения температурного перепада между греющей и тепловоспринимающей средой. Поэтому применение в теплбобменнике обратного температурному напору уменьшения по ходу газового теплоносителя диаметра витков спиралей и увеличения шага между спиралями, а также уменьшения высоты ребер и увеличения шага между ребрами на трубах в направлении движения греющего теплоносителя позволяет обеспечить равномерную теплонапряженность труб по длине теплообменника, эффективное использование всей поверхНости нагрева, снижение габаритов и массы теплообменника на единицу тепловой мощности.Расположение спиралей теплообменных труб под острым углом к продольной оси теплообменника с уменьшением загромождения центральной части поперечного сечения по ходу газового теплоносителя смещением витков спиралей от центра к периферии теплообменника обеспечивает интенсивную турбулизацию газового теплоносителя, аффективный теплообмен, уменьшает аэродинамическое сопротивление и снижает удельную металлоемкость на единицу тепловой мощности теплообменника за счет постепенного уменьшения скорости в ядре потока газов и по ходу их движения, причем теплосъеМ по длйне теплообменника сохраняется постоянным, поскольку уменьшение коэффициента теплопередачипо ходу газов комПенсируется ростом температурного напора,Использование для регулирования теплосъема в дополнение к газораспределительному устройству комбинированной поверхности нагрева, состоящей иэ оребренной и гладкотрубной частей в сочетании с газораспределительным устройствбм обеспечивает существенное улучшение регулировочных характеристик теплообменника, поскольку в зависимости оттребуемой величины теплосъема поток жидкостного теплоносителя регулирующим трехходовым клапаном по управляющему сигналу преобразователя датчика выходной температуры жидкости распределяется между оребренными и гладкими трубами, удельный тепло- съем которых различается на порядок, что позволяет значительно расширить диапазон и уменьшить крутизну кривой регулирования в отличие от обычного регулирования поворотными заслонками и тем самым повысить экономичность и надежность работы теплообменника.Применение газораспределительного устройства, выполненного в виде соосно установленных на входе и выходе конического патрубка соответственно цилиндрического упора и полой конической перегородки, между которыми размещен с возможностью вертикального перемещения запорный элемент, причем перегородка установлена с образованием кольцевого канала со стеной патрубка, а запорный элемент выполнен в виде полого конуса с закрепленными на меньшем основании, обращенном в сторону упора, поворотными заслонками позволяет отказаться от вращающихся приводных валов в обогреваемой зоне, выравнять скорости газов по сечению и уменьшить загромождение канала газового теплоносителя, исключить возможность случайного полного перекрытия канала перед теплообменником, тем самым уменьшить аэродинамическое сопротивление и повысить эксплуатационную надежность теплообменника.Использование в теплообменнике входного коллектора, выполненного в виде торо- образной камеры со штуцером, внутри которой концентрично размещен подключенный к последнему перфорированный трубопровод, выполненный из двух симметричных секций, разделенных на участки, диаметры перфораций каждого из которых и диаметры каждого участка секций выполнены увеличивающимися по ходу движения нагреваемой среды, а торцы крайних секций скошены, позволяет отказаться от металло- емких трубных досок и обеспечить компен 5 10 15 теплоносителя по теплообменным трубам 20 25 30 35 40 45 50 55 сациви напряжений тепловых деформаций поверхности нагрева при любых режимах работы за счетминимального количества точек присоединения труб к камерам, уменьшить загромождение канала газового теплоносителя и аэродйнамическое сопротивление, снизить тепловую и гидравлическую разверку по теплообменным трубам, обеспечить равномерную теплонапряженность, эффективное использование всей поверхности нагрева, интенсификацию теплообмена и повышение эксплуатационной надежности теплообменника за счет равномерного распределения жидкостного На фиг.1 схематически изображен предлагаемый теплообменник; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.Устройство содержит вертикальный корпус 2 с центральной газоотводящей трубой 9 и навитой вокруг последней теплообменной поверхностью 8, подключенной к патрубкам подвода и отвода нагреваемой среды, вертикальный трубный пучок 1, газо- распределительное устройство 10, выполненное в виде соосно установленных на входе и выходе конического патрубка 11 соответственно цилиндрического упора 14 и полой конической перегородки 12, между которыми размещен с возможностью вертикального перемещения запорный элемент 15, причем перегородка установлена с образованием кольцевого канала 13 со стеной патрубка, а запорный элемент выполнен в виде полого конуса с закрепленными на меньшем основании, обращенном в сторону упора, поворотными заслонками 16. Входной коллектор 3 выполнен в виде торообразной камеры со штуцером 6, внутри которого концентрично размещен подключенный к последнему перфорированный трубопровод 4, выполненный из двух симметричных секций, разделенных на участки, диаметры перфораций каждого из которых и диаметры каждого участка секций выполнены увеличивающимися по ходу движения нагреваемой среды, а торцы крайних секций скошены.Теплообменник работает следующим образом.В зависимости от требуемой величины теплосъема жидкостный теплоноситель (ЖТ) через регулирующий трехходовой клапан 19, управляемый сигналом от преобразователя 20 датчика 2 выходной температуры ЖТ, распределяется между оребренными и гладкими трубами пучка, протекая через которые ЖТ, в зависимости от назначения теплообменника, нагревается или охлаждается и поступает в выходную10 минимума, вначале увеличивается доля ЖТ, поступающего в гладкотрубную часть пучка, 15 а затем при достижении полного перепуска 35 40 45 50 камеру 5, откуда ЖТ выводится через патрубок 7.В оребренные трубы пучка ЖТ подается через патрубок 6; входную камеру 3, внутренний перфорированный трубопровод 4.Снаружи теплообменные трубы омываются газовым теплоносителем (ГТ), который, проходя через межтрубное пространство, отдает или получает тепло от ЖТ, проходящего по трубам,Регулирование теплосъема в теплообменнике осуществляется в два этапа - при уменьшении теплосъема от максимума до ЖТ, в обвод оребренной части пучка, по гладким трубам управляющим сигналом преобразователя 20 включается газораспределительное устройство 10, которое обеспечивает дальнейшее уменьшение теплосъема до минимума.При увеличении теплосъема от минимума до максимума регулирование осуществляется в обратном порядке - вначале работает газораспределительное устройство 10, а затем ЖТ постепенно начинает подаваться в.оребренные трубы пучка до достижения полного прекращения подачи ЖТ в гладкие трубы.Газорасп ределительное устройство работает следующим образом.Максимальный теплосъем в теплообменнике достигается при размещении запорного элемента в верхнем положении, в котором лепестки 17 поворотных заслонок 16 под действием сил тяжести перекрывают сечение полой конической перегородки 12 газораспределительного устройства 10, через который осуществляется доступ ГТ в центральную газоотводящую трубу 9, а лепестки 18 находятся в поднятом положении, открывая доступ ГТ через кольцевой канал 13 газораспределительного устройства к теплообменным трубам. Минимальный теплосъем в теплообменнике достигается при размещении запорного элемента в верхнем положении, в котором лепестки 17 поворотных заслонок поджимаются цилиндрическим упором 14 к стенкам запорного элемента 15, а лепестки 18 при этом перекрывают доступ ГТ по кольцевому зазору 13 к теплообменным трубам. Перемещение запорного элемента осуществляется приводом по управляющему сигналу преобразователя 20.Применение предлагаемого устройства позволяет увеличить теплосъем на единицу объема и массы теплообменника; обеспе 20 25 30 чить эффективное использование всей поверхности нагрева за счет получения равно- меркой теплонапряженности труб по длине теплообменника; повысить экономичность путем улучшения регулировочных характеристик; уменьшить аэродинамическое сопротивление; повысить эксплуатационную надежность за счет обеспечения тепловых деформаций и исключить тепловой и гидравлической развертки по поверхности нагрева.Внедрение указанного устройства планируется на блочно-комплектных газотурбинных электростанциях ЭГи находится на стадии разработки рабочей конструкторской документации.Экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства ориентировочно составляет 26,0 тыс,руб. в год на один теплообменник тепловой мощностью 1 МВт.Формула изобретения 1. Теплообменник, содержащий вертикальный корпус с центральной газоотводящей трубой и навитой вокруг последней теплообменной поверхностью, подключенной к патрубкам подвода и отвода нагреваемой среды, а также патрубками подвода и отвода греющего газа и газоперепускающим устройством, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью интенсификации теплообмена и повышения надежности, он снабжен вертикальным трубным пучком с входным верхним и выходным нижним коллектором соответственно подвода и отвода нагреваемой среды, теплообменная поверхность размещена с образованием кольцевого зазора со стенкой корпуса, трубы пучка размещены по спиралям, оси которых наклонены под острым углом к продольной оси корпуса, выполнены с ребрами диаметром, монотонно уменьшающимся по ходу греющеготеплоносителя, и шагом между витками спирали, увеличивающимся по ходу греющего теплоносителя, при этом спирали расположены в пучке с частичным перекрытием в свету витков одной из них витками соседних спиралей, патрубок подвода греющего газа выполнен коническим и подключен к днищу корпуса большим основанием корпуса, газораспределительное устройство выполнено в виде соосно установленных на входе и выходе конического патрубка соответственно цилиндрического упора и полой конической перегородки, между которыми размещен с возможностью вертикального перемещения запорный элемент, причем перегородка установлена с образованием кольцевого канала со стенкой патрубка, а запорный элемент выполнен в виде полого конуса с закрепленными на меньшем осно1749684 12 оставитель Н, Середаехред М.Моргентал орректор О. Кундр Редактор Е. Папп з 2586 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгоро агарина, 10 вании, обращенными в сторону упора, поворотными заслонками,2. Теплообменник по п.1, отл и ч а ющ и й с я тем, что ребра труб выполнены с высотой и расположены с шагом, соответственно уменьшающейся и увеличивающимся по ходу греющего газа,3. Теплообменник по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что входной коллектор выполнен ь виде торообразной камеры со штуцером, внутри которой концентрично подключенный к последнему перфорированный трубопровод, выполненный из двух симмет ричных секций, разделенных на участки, диаметры перфораций каждого из которых и диаметры каждого участка секций выполнены увеличивающимися по ходу движения нагреваемой среды, а торцы крайних секций 10 скошены.