Теплообменник - SU1749684A1

Изобретение 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 сребренных змеевиков труб, разделенных на участки в постоянным шагом витков, изменяющимся от (1,2- 1,3)d до(1,6- 1,8)d, где d- 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 исполь- зование поверхности 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 из- за постоянного по его длине диаметра ритков 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 теплооб- менные 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.

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, со- осно 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 тепло- обменника 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 аэро- динамическоесопротивление

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 сте- пень тепловых деформаций труб и дополнительные температурные напряже

ния в местах соединения труб между собой и с камерами.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков, а именно интенсификация теплообмена и повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве теплообменника, содержащем вертикальный корпус с центральной газоотвод я щей трубой и навитой вокруг последней теплообменной поверхностью, подключенной к патрубкам подвода и отвода нагреваемой среды, а также патрубками подвода и отвода греющего газа и газораспределительным устройством, вертикальным ТрубнЫМ ПУЧКОМ С ВХОДНЫМ ВерХНИМ И

выходным нижним коллекторами 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, уменьшающимся по ходу греющего теплоносителя 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 конуса, газораспределительное устройство выполнено в виде соосно установленных на входе и выходе конического патрубка соответствен- но 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 основании , обращенном в сторону упора, поворотными заслонками, причем ребра труб выполнены с высотой и расположены с шагом , соответственно уменьшающейся и увеличивающимся по ходу греющего газа, а входной коллектор выполнен в видеторооб- разной камеры со штуцером, внутри кото- рой конце нтрично размещен подключенный к последнему перфорированный трубопровод, выполненный из двух симметричных секций, разделенных на участки , диаметры перфораций каждого из ко- торых и диаметры каждого участка секций выполнены увеличивающимися по ходу движения нагреваемой среды, а торцы крайних секций 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 сребренных и расположенных в шахматном порядке труб. При таком расположении труб обеспечивается компактность поверхности нагрева, сложный 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 перепадамеждугреющейи тепловоспринимающей средой. Поэтому применение в теплообменнике 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 , эффективный 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 тепло6бменни- ка сохраняется постоянным, поскольку уменьшение коэффициента теплопередачи

по ходу газов компенсируется ростом температурного напора.

Использование для регулирования теп- лосъема в дополнение к газораспределительному устройству комбинированной поверхности нагрева, состоящей из сребренной и гладкотрубной частей в сочетании с газораспределительным устройствам 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 сребренными 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, вы- равнять 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 металлоемких трубных досок и обеспечить компенсации напряжений тепловых деформаций поверхности нагрева при любых режимах работы за счет минимального количества точек присоединения труб к камерам, уменьшить загромождение канала газового теплоносителя и аэродинамическое сопротивление , снизить тепловую и гидравлическую разверку по теплообменным трубам, обеспечить равномерную теплонапряжен0 ность, эффективное использование всей поверхности нагрева, интенсификацию теплообмена и повышение эксплуатационной надежности теплообменника за счет равномерного распределения жидкостного

5 теплоносителя по теплообменным трубам.

На фиг.1 схематически изображен предлагаемый теплообменник; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит вертикальный

0 корпус 2 с центральной газоотводящей трубой 9 и навитой вокруг последней теплооб- менной поверхностью 8, подключенной к патрубкам подвода и отвода нагреваемой среды, вертикальный трубный пучок 1, газо5 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

0 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

5 виде полого конуса с закрепленными на меньшем основании, обращенном в сторону упора, поворотными заслонками 16. Входной коллектор 3 выполнен в видеторообраз- ной камеры со штуцером 6, внутри которого

0 концентрично размещен подключенный к последнему перфорированный трубопровод 4, выполненный из двух симметричных секций, разделенных на участки, диаметры перфораций каждого из которых и диаметры

5 каждого участка секций выполнены увеличивающимися по ходу движения нагреваемой среды, а торцы крайних секций скошены.

Теплообменник работает следующим

0 образом.

В зависимости от требуемой величины теплосъема жидкостный теплоноситель (ЖТ) через регулирующий трехходовой клапан 19, управляемый сигналом от преобра5 зователя 20 датчика 2 выходной температуры ЖТ, распределяется между сребренными и гладкими трубами пучка, протекая через которые ЖТ, в зависимости от назначения теплообменника, нагревается или охлаждается и поступает в выходную

камеру 5, откуда ЖТ выводится через патрубок 7.

В сребренные 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 теплосьема в теплообменнике осуществляется в два этапа - при уменьшении теплосъема от максимума до минимума, вначале увеличивается доля ЖТ, поступающего в гладкотрубную часть пучка, а затем при достижении полного перепуска ЖТ, в обвод сребренной части пучка, по гладким трубам управляющим сигналом преобразователя 20 включается газораспределительное устройство 10, которое обес- печивает дальнейшее уменьшение теплосъема до минимума.

При увеличении теплосьема от минимума до максимума регулирование осуществляется в обратном порядке - вначале работает газораспределительное устройство 10, а затем ЖТ постепенно начинает подаваться в сребренные трубы пучка до достижения полного прекращения подачи ЖТ в гладкие трубы.

Газораспределительное 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 осу- ществляется приводом по управляющему сигналу преобразователя 20.

Применение предлагаемого устройства позволяет увеличить теплосъем на единицу объема и массы теплообменника; обеспечить эффективное использование всей поверхности нагрева за счет получения равномерной 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 ЭГ-2500 и 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 газоотводя- щей трубой и навитой вокруг последней теплообменной поверхностью, подключенной к патрубкам подвода и отвода нагреваемой среды, а также патрубками подвода и отвода греющего газа и газоперепускаю- щим устройством, отличающийся 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 греющего теплоносителя, 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 основании , обращенными в сторону упора, поворотными заслонками.

2.Теплообменник по п.1, о т л и ч а ю- щ и и 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 ю- щ и и с я тем, что входной коллектор выпол0

нен Е виде торообразной камеры со штуцером , внутри которой концентрично подключенный к последнему перфорированный трубопровод, выполненный из двух симметричных секций, разделенных на участки, диаметры перфораций каждого из которых и диаметры каждого1 участка секций выполнены увеличивающимися по ходу движения нагреваемой среды, а торцы крайних секций скошены.