RU2328682C1 - Heat exchanger - Google Patents
Heat exchanger Download PDFInfo
- Publication number
- RU2328682C1 RU2328682C1 RU2006142656/06A RU2006142656A RU2328682C1 RU 2328682 C1 RU2328682 C1 RU 2328682C1 RU 2006142656/06 A RU2006142656/06 A RU 2006142656/06A RU 2006142656 A RU2006142656 A RU 2006142656A RU 2328682 C1 RU2328682 C1 RU 2328682C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipes
- panels
- heat exchanger
- straight sections
- matrix
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для утилизации тепла отходящих от агрегатов газов, в частности для подогрева воздуха продуктами сгорания, поступающими от компрессора газотурбинной установки стационарного и транспортного назначения.The invention relates to a power system, and in particular to devices for recovering heat from gases emitted from aggregates, in particular for heating air with combustion products coming from a compressor of a gas turbine installation for stationary and transport purposes.
Наличие в составе газотурбинных установок трубчатых теплообменников в виде воздухоподогревателей значительно повышает их экономическую эффективность (к.п.д.), однако это приводит к существенному росту массогабаритных характеристик данных установок. Например, при использовании пластинчатого рекуперативного воздухоподогревателя удельная масса установки увеличивается в 2,5-3 раза, а трубчатого - в 5-8 раз (Арсеньев Л.В. и др. «Стационарные ГТУ». Справочник, Л.: Машиностроение, 1989, стр.31, 32). Дальнейшее повышение к.п.д. установки возможно при промежуточном охлаждении воздуха в воздухо-воздушных теплообменниках между ступенями в многоступенчатых компрессорах и регенерацией теплоты уходящих газов (продуктов сгорания) («Энциклопедия», ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др., М.: Машиностроение. Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен». Т.1-2, 2001, стр.198.). Поэтому уменьшение массы и габаритов воздушных теплообменников газотурбинных установок является весьма актуальной задачей. Эта задача решается, как известно, за счет интенсификации теплообмена в трактах теплообменников (Дрейцер Г.А. «Проблемы создания компактных трубчатых теплообменных аппаратов», Теплоэнергетика, 1995, №3, стр.11-18). Применение различных интенсификаторов теплообмена приводит не только к усложнению технологии и стоимости изготовления теплообменников, но и к увеличению гидравлического сопротивления в их трактах. Последнее повышает затраты энергии на собственные нужды газотурбинной установки, снижает ее к.п.д.The presence of tubular heat exchangers in the form of air heaters as part of gas turbine plants significantly increases their economic efficiency (efficiency), however, this leads to a significant increase in the weight and size characteristics of these plants. For example, when using a plate-type recuperative air heater, the unit mass increases by 2.5-3 times, and tubular - by 5-8 times (Arsenyev L.V. et al. "Stationary gas turbines". Directory, L .: Engineering, 1989, pg. 31, 32). Further increase in efficiency installation is possible with intermediate cooling of air in air-air heat exchangers between the stages in multi-stage compressors and the regeneration of the heat of the exhaust gases (combustion products) (Encyclopedia ", ed. advice: K.V. Frolov (previous), etc., M .: Mechanical engineering. Theoretical mechanics. Thermodynamics. Heat transfer. T.1-2, 2001, p.198.). Therefore, reducing the mass and dimensions of air heat exchangers of gas turbine plants is a very urgent task. This problem is solved, as you know, due to the intensification of heat transfer in the paths of heat exchangers (Dreitzer GA "Problems of creating compact tubular heat exchangers", Thermal Engineering, 1995, No. 3, pp. 11-18). The use of various heat transfer intensifiers not only complicates the technology and cost of manufacturing heat exchangers, but also increases the hydraulic resistance in their paths. The latter increases the energy costs for the own needs of a gas turbine installation, reduces its efficiency
Известны теплообменники, содержащие корпус и трубную матрицу, выполненную из теплообменных труб, размещенных параллельными рядами с зазором, смежные ряды труб расположены под углом в чередующихся плоскостях, перпендикулярных направлению движения среды (патент США №1571068, опубл. 26.01.26 г., патент США №3414052, опубл. 03.12.68 г.).Known heat exchangers containing a housing and a tubular matrix made of heat transfer tubes arranged in parallel rows with a gap, adjacent rows of tubes are arranged at an angle in alternating planes perpendicular to the direction of the medium’s movement (US patent No. 1571068, publ. 26.01.26, US patent No. 3414052, publ. 03.12.68).
Известен трубчатый теплообменник, содержащий корпус, патрубки подвода (отвода) внешнего теплоносителя, коллекторы подвода (отвода) теплоносителя, трубную матрицу, состоящую из кассет, содержащих панели, образованные изогнутыми трубами, причем каждая панель одной кассеты расположена в промежутке между панелями другой кассеты (свидетельство RU на полезную модель №19702 U1, МПК F28D 7/06, опубл. 27.09.2001 г.).Known tubular heat exchanger comprising a housing, pipes for supplying (discharging) an external coolant, collectors for supplying (discharging) a coolant, a tube matrix consisting of cassettes containing panels formed by curved pipes, each panel of one cassette being located in the gap between the panels of another cassette (certificate RU for utility model No. 19702 U1, IPC F28D 7/06, published on September 27, 2001).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трубчатый воздухоподогреватель, содержащий корпус, коллекторы подвода (отвода) внутреннего теплоносителя, патрубки подвода (отвода) внешнего теплоносителя и трубную матрицу, состоящую из двух кассет, содержащих плоские панели, образованные изогнутыми U-образными трубами, причем панели одной кассеты расположены в промежутке между панелями другой кассеты (патент RU №2154248 С1, МПК F28D 7/06, от 01.09.1999 г., опубл. 10.08.2000 г.).The closest in technical essence to the present invention is a tubular air heater containing a housing, manifolds for supplying (removing) the internal coolant, nozzles for supplying (removing) the external coolant and a pipe matrix consisting of two cartridges containing flat panels formed by curved U-shaped pipes, moreover, the panels of one cassette are located between the panels of another cassette (patent RU No. 2154248 C1, IPC F28D 7/06, dated 01.09.1999, publ. 10.08.2000).
Недостатками известных теплообменников являются невысокая эффективность теплообмена и, соответственно, низкая компактность аппарата при использовании газа в качестве теплоносителя как в трубном, так и межтрубном пространствах. Невысокая эффективность теплообмена является следствием традиционной компоновки трубной матрицы, в которой смежные панели из плоских змеевиков разных кассет расположены друг относительно друга под углом, равным 0 или 180°. При внешнем смывании потоком теплоносителя отдельных труб в таких обычных шахматных и коридорных пучках образуется плоский поток теплоносителя и турбулентность, определяющая эффективность теплообмена, генерируется под воздействием неравномерности поля скоростей в плоскости, перпендикулярной оси трубы («Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. Тепло-обменные аппараты трубчатые». Мигай В.К., Фирсова Э.В.; Ответ. редактор Арефьев К.М.; АН СССР. Отделение физ.-техн. пробл. энергетики. Научный совет по комплексн. пробл. «Теплофизика и термоэнергетика», «Наука» Ленинградское отделение, 1986, стр.48-50).The disadvantages of the known heat exchangers are the low heat exchange efficiency and, accordingly, the low compactness of the apparatus when using gas as a heat carrier in both the tube and annular spaces. The low heat transfer efficiency is a consequence of the traditional layout of the tube matrix, in which adjacent panels of flat coils of different cassettes are located relative to each other at an angle equal to 0 or 180 °. When the individual fluids are washed off by individual fluxes in such staggered and corridor beams, a flat flux and turbulence, which determines the heat transfer efficiency, are generated by the irregularity of the velocity field in the plane perpendicular to the pipe axis (“Heat transfer and hydraulic resistance of tube bundles. Heat exchangers tubular ". Migai VK, Firsova EV; Response. Editor Arefyev KM; USSR Academy of Sciences. Department of physical and technical problems of energy. Scientific Council on the complex problem." Teplofi Ica and termoenergetika "," Science "Leningrad branch, 1986 str.48-50).
Подобное расположение кассет в трубной матрице приводит к необходимости размещения коллекторов подвода и отвода внутреннего теплоносителя по одну сторону каждой кассеты теплообменника. Близкое расположение коллекторов подвода и отвода внутреннего теплоносителя при большой разнице температур внутреннего теплоносителя на входе и выходе из аппарата снижает термопластичность корпуса на переходных режимах, вызывает его деформацию и коробление в местах соединения с коллекторами за счет различного удлинения последних, и, как следствие, нарушение плотности соединений, утечки теплоносителя. Указанное обстоятельство снижает ресурсные характеристики и надежность теплообменника, а также эффективность теплообмена.Such an arrangement of cassettes in the tube matrix leads to the necessity of placing collectors for supply and removal of internal coolant on one side of each cassette of the heat exchanger. The close arrangement of the collectors for supplying and discharging the internal coolant with a large difference in the temperatures of the internal coolant at the inlet and outlet of the apparatus reduces the thermoplasticity of the casing during transient conditions, causes its deformation and warpage at the junctions with the collectors due to different elongation of the latter, and, as a result, density violation connections, coolant leaks. This circumstance reduces the resource characteristics and reliability of the heat exchanger, as well as the efficiency of heat transfer.
Кроме того, отсутствие противобайпасных устройств в теплообменных аппаратах между корпусом и трубным пучком также снижает эффективность теплообмена из-за того, что обтекание периферийных трубок происходит менее эффективно, чем внутри матрицы. Наличие противобайпасных устройств обеспечивает возвращение обратно внутрь трубного пучка байпасного потока, что способствует значительному повышению эффективности теплоотдачи в целом. Поскольку байпасный тракт (Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ. под ред. О.М Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987, стр.41-44) имеет меньшее гидравлическое сопротивление, чем проход через пучок труб, доля потока, протекающего в обход пучка, может достигать существенных значений (20-30%) и снижать эффективность теплоотдачи, уменьшая при этом потери давления. Это обстоятельство учитывается введением поправочных коэффициентов к теплоотдаче (стр.44, там же), которые изменяются в зависимости от отношения площади сечения байпасного тракта к площади проходного сечения поперечного потока. Так, например, при отношении площади байпасного тракта к площади проходного сечения потока в пределах 0,1-0,3 величина поправочного коэффициента может изменяться от 0,88 до 0,7 (при отсутствии антибайпасных полос) и от 0,93 до 0,82 (при установке антибайпасных полос) соответственно.In addition, the absence of anti-bypass devices in the heat exchangers between the body and the tube bundle also reduces the heat transfer efficiency due to the fact that the flow around the peripheral tubes is less efficient than inside the matrix. The presence of anti-bypass devices ensures the return back into the tube bundle of the bypass flow, which contributes to a significant increase in the efficiency of heat transfer in general. Since the bypass path (Handbook of heat exchangers: In 2 vols. T.2 / Transl. From English under the editorship of O.M. Martynenko et al. - M .: Energoatomizdat, 1987, pp. 41-44) has a smaller hydraulic resistance than passage through the tube bundle, the fraction of the flow flowing around the beam can reach significant values (20-30%) and reduce the heat transfer efficiency, while reducing pressure loss. This circumstance is taken into account by the introduction of correction factors for heat transfer (p. 44, ibid.), Which vary depending on the ratio of the cross-sectional area of the bypass path to the cross-sectional area of the flow cross section. So, for example, with the ratio of the area of the bypass path to the area of the flow cross section in the range of 0.1-0.3, the value of the correction coefficient can vary from 0.88 to 0.7 (in the absence of anti-bypass bands) and from 0.93 to 0, 82 (when installing anti-bypass bands), respectively.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении интенсификации теплообмена с одновременным снижением гидравлического сопротивления внешнего теплоносителя, сопровождающегося улучшением массогабаритных характеристик теплообменника за счет уменьшения суммарной поверхности теплообмена, а также повышении его термопластичности, ресурсных характеристик и надежности.The technical problem solved by the invention is to increase the heat transfer intensification while reducing the hydraulic resistance of the external heat carrier, accompanied by an improvement in the overall dimensions of the heat exchanger due to a decrease in the total heat transfer surface, as well as an increase in its thermoplasticity, resource characteristics and reliability.
Указанная техническая задача достигается тем, что в теплообменнике, содержащем корпус, коллекторы подвода (отвода) внутреннего теплоносителя, патрубки подвода (отвода) внешнего теплоносителя и трубную матрицу, состоящую из двух кассет, содержащих плоские панели, образованные изогнутыми трубами U-образной формы, причем панели одной кассеты расположены в промежутке между панелями другой кассеты, согласно изобретению, кассеты повернуты друг относительно друга на 90°, при этом прямые участки труб панелей одной кассеты размещены в промежутках между смежными прямыми участками труб панелей другой кассеты с образованием общей решетчатой поверхности с коридорным расположением труб, коллекторы подвода (отвода) внутреннего теплоносителя соединены во входном (выходном) сечении в соответствующий один входной (выходной) канал, представляющий собой тройник с разделением (слиянием) потока внутреннего теплоносителя одновременно для двух кассет, при этом входной (выходной) тройники не связаны между собой и герметично соединены с корпусом только в сечениях на входе (выходе) внутреннего теплоносителя, в U-образных частях трубных панелей, между корпусом и трубной матрицей, а также между корпусом и патрубками подвода (отвода) внутреннего теплоносителя установлены противобайпасные устройства.The specified technical problem is achieved by the fact that in the heat exchanger containing the housing, the inlet (outlet) headers of the internal coolant, the inlet (outlet) of the external coolant and a tube matrix consisting of two cartridges containing flat panels formed by curved U-shaped pipes, and the panels of one cassette are located between the panels of another cassette, according to the invention, the cassettes are rotated 90 ° relative to each other, while the straight sections of the pipes of the panels of one cassette are placed in the gap x between adjacent straight pipe sections of the panels of another cassette with the formation of a common lattice surface with a corridor arrangement of pipes, the inlet (outlet) collectors of the internal coolant are connected in the input (output) section to the corresponding one input (output) channel, which is a tee with separation (merging) the flow of the internal coolant simultaneously for two cassettes, while the input (output) tees are not interconnected and are hermetically connected to the body only in sections at the input (output) of the internal heat carrier, anti-bypass devices are installed in the U-shaped parts of the tube panels, between the body and the pipe matrix, and also between the body and the inlet (outlet) pipes of the internal coolant.
При этом противобайпасные устройства выполнены в виде металлических проволочных сеток зигзагообразной формы в один или несколько слоев.Moreover, anti-bypass devices are made in the form of metal wire meshes in a zigzag shape in one or more layers.
Кроме того, прямые участки труб панелей матрицы выполнены витыми овального профиля.In addition, the straight sections of the tubes of the matrix panels are twisted in an oval profile.
Поворот кассет под углом 90° относительно друг друга и размещение прямых участков труб одной кассеты с чередованием в промежутках между смежными прямыми участками труб другой кассеты приводит к образованию общей решетчатой поверхности с коридорным расположением труб, которая способствует улучшению массогабаритных характеристик теплообменника, что позволяет изготовить его более компактным, получить развитую поверхность теплообмена и снизить гидравлическое сопротивление во внешнем тракте теплообменника («Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. Теплообменные аппараты трубчатые», Мигай В.К., Фирсова Э.В.; Ответ. редактор Арефьев К.М.; АН СССР, Отделение физико-технических проблем энергетики. Научный совет по комплексной проблеме «Теплофизика и термоэнергетика». «Наука» Ленинградское отделение, 1986, стр.48-50). Компактность теплообменника сама по себе является залогом высокой эффективности теплообменной поверхности, так как именно в самой природе компактных поверхностей заложены свойства, обуславливающие высокий коэффициент теплоотдачи (Кейс В.М.: Лондон А.Л. «Компактные теплообменники», М.: Энергия, 1967 г., стр.13). Поэтому даже при допустимых потерях напора каждой из теплообменивающихся сред обеспечивается значительное повышение коэффициента теплоотдачи за счет увеличения турбулизации потока при внешнем обтекании пучков труб, в результате чего интенсификация теплообмена повышается.The rotation of the cartridges at an angle of 90 ° relative to each other and the placement of straight pipe sections of one cartridge with alternation in the intervals between adjacent straight pipe sections of another cartridge leads to the formation of a common lattice surface with a corridor pipe arrangement, which helps to improve the overall dimensions of the heat exchanger, which allows it to be made more compact, to obtain a developed heat transfer surface and reduce hydraulic resistance in the external path of the heat exchanger (“Heat transfer and hydraulic e resistance of tube bundles. Tubular heat exchangers ", Migai VK, Firsova EV; Response. Editor Arefiev KM; USSR Academy of Sciences, Department of Physical and Technical Problems of Power Engineering. Scientific Council on the Complex Problem" Thermophysics and Thermal Power Engineering "." Science "Leningrad Branch, 1986, p. 48-50). The compactness of the heat exchanger in itself is the key to the high efficiency of the heat exchange surface, since it is the very nature of compact surfaces that contains the properties that determine the high heat transfer coefficient (Case VM: London A.L. “Compact heat exchangers”, M .: Energy, 1967 city, p. 13). Therefore, even with allowable pressure losses of each of the heat-exchanging media, a significant increase in the heat transfer coefficient is achieved due to an increase in flow turbulization during external flow around the tube bundles, as a result of which the heat transfer intensification increases.
В теплообменнике с предлагаемой компоновкой трубного пучка происходит периодический срыв вихрей и обновление пристенного слоя из-за изменения ориентации осей формирующихся вблизи стенок вихревых структур. По опытным данным Мигая В.К. и Новожилова И.Ф. коэффициент теплоотдачи увеличивается на 28%, а гидравлическое сопротивление уменьшается на 20% относительно трубных пучков с шахматным или коридорным расположением труб (Мигай В.К., Фирсова Е.В., там же, стр.49). Очевидно, что в предлагаемой конструкции теплообменника часть поверхности теплообмена в местах сгибов труб будет иметь коридорную структуру трубной матрицы. Реально доля такой поверхности может составить от 20 до 30% общей поверхности теплообмена. Для оптимизации геометрических параметров теплообменника можно варьировать количеством труб в одном слое и (или) в одной панели. Последовательное соединение предлагаемых трубных систем в одном корпусе создает условия для дальнейшей их оптимизации.In the heat exchanger with the proposed tube bundle arrangement, a periodic breakdown of the vortices and an update of the near-wall layer occur due to a change in the orientation of the axes formed near the walls of the vortex structures. According to experimental data Migaya V.K. and Novozhilova I.F. the heat transfer coefficient increases by 28%, and the hydraulic resistance decreases by 20% relative to tube bundles with a checkerboard or corridor arrangement of pipes (Migai V.K., Firsova E.V., ibid., p. 49). It is obvious that in the proposed design of the heat exchanger, part of the heat exchange surface in the places of pipe bends will have a corridor structure of the pipe matrix. Actually, the fraction of such a surface can be from 20 to 30% of the total heat transfer surface. To optimize the geometric parameters of the heat exchanger, you can vary the number of pipes in one layer and (or) in one panel. The serial connection of the proposed pipe systems in one housing creates the conditions for their further optimization.
Соединение коллекторов подвода и отвода внутреннего теплоносителя каждой кассеты в один входной (выходной) канал, представляющий собой тройник с разделением (слиянием) потока внутреннего теплоносителя, а также расположение указанных тройников внутри корпуса теплообменника обеспечивает его термопластичность на переходных режимах работы теплообменника, так как наружные и внутренние поверхности стенок коллекторов при пуске (останове) будут омываться теплоносителями с близкими температурами, т.е. практически при отсутствии температурного перепада по толщине стенки. Соединение тройников каждой кассеты с корпусом только в одном сечении устраняет температурные напряжения, вызванные различным температурным удлинением тройников, и обеспечивает свободные их перемещения по разным направлениям независимо от корпуса теплообменника без термических напряжений.The connection of the collectors of the supply and removal of the internal coolant of each cartridge to one input (output) channel, which is a tee with separation (merging) of the flow of the internal coolant, as well as the location of these tees inside the heat exchanger body, provides its thermoplasticity at transient operation of the heat exchanger, since the external and the internal surfaces of the walls of the collectors at start-up (shutdown) will be washed by coolants with close temperatures, i.e. practically in the absence of a temperature difference in the wall thickness. The connection of the tees of each cartridge with the housing in only one section eliminates the temperature stresses caused by the different temperature elongation of the tees and ensures their free movement in different directions regardless of the heat exchanger housing without thermal stresses.
Установка в U-образных частях трубных панелей, между корпусом и трубной матрицей, а также между корпусом и патрубками подвода (отвода) внутреннего теплоносителя противобайпасных устройств, позволяет интенсифицировать теплообмен в этой зоне за счет того, что обеспечивается практически такое же обтекание теплоносителем периферийных труб матрицы, как и в глубине пучка. Указанные элементы могут быть выполнены, например, в виде металлических проволочных сеток зигзагообразной формы в один или несколько слоев, шнековых ленточных завихрителей. Характеристики указанных элементов подбираются из условия обеспечения обтекания пучка в этой зоне, близкого к условиям обтекания в решетчатой части матрицы и значительного уменьшения байпасных перетечек внешнего теплоносителя в азимутальном направлении между слоями труб. Например, для проволочных сеток параметры обтекания внешнего обтекания труб в матрице можно обеспечить подбором ячейки сетки и толщины проволоки, а для шнековых завихрителей - шаг закрутки шнека. Обоснованность выбора в том и другом случае легко подтверждается аэродинамическим расчетом такими программными комплексами, как StarCD, CFX5 и т.п.The installation of anti-bypass devices in the U-shaped parts of the tube panels, between the case and the tube matrix, and also between the case and the inlet (outlet) pipes of the internal coolant, makes it possible to intensify the heat transfer in this zone due to the fact that the coolant flows around the peripheral pipes of the matrix as in the depths of the beam. These elements can be made, for example, in the form of metal wire meshes of a zigzag shape in one or more layers, screw tape swirlers. The characteristics of these elements are selected from the conditions for ensuring the flow around the beam in this zone, close to the flow conditions in the lattice part of the matrix and a significant reduction in the bypass flow of the external coolant in the azimuthal direction between the pipe layers. For example, for wire meshes, the parameters of the flow around the external flow around the pipes in the matrix can be provided by selecting the mesh cell and the thickness of the wire, and for screw swirls, the screw twist step. The validity of the choice in both cases is easily confirmed by aerodynamic calculation by such software systems as StarCD, CFX5, etc.
Выполнение прямых участков труб теплообменника витыми овального профиля способствует изменению направления потока теплоносителя за счет модификации геометрии поверхности труб, изменения геометрии канала, что приводит к сильной турбулизации и, как следствие, к высокой интенсивности теплопередачи (Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы / Ю.И.Данилов, Б.В.Дзюбенко, Г.А.Дрейцер и др.; Под. ред. чл. - корр. АН СССР В.М.Иевлева. - М.: Машиностроение, 1986). При использовании труб сложной конфигурации, в частности витых, происходит разрушение пограничного слоя от криволинейной поверхности труб и закрутка потока тепло-обменивающихся сред в витых каналах труб сложной формы, что и способствует увеличению теплоотдачи без увеличения скорости движения теплоносителей.The execution of straight sections of the heat exchanger tubes by twisted oval profile contributes to a change in the direction of flow of the coolant by modifying the geometry of the surface of the pipes, changing the geometry of the channel, which leads to strong turbulization and, as a result, to high heat transfer intensity (Heat transfer and hydrodynamics in complex channels / Yu.I. Danilov, B.V. Dzyubenko, G.A. Dreitser, et al .; Edited by a member of the USSR Academy of Sciences V.M. Ievlev. - M.: Mechanical Engineering, 1986). When using pipes of a complex configuration, in particular twisted pipes, the boundary layer is destroyed from the curved surface of the pipes and swirling the flow of heat-exchanging media in the twisted channels of pipes of complex shape, which helps to increase heat transfer without increasing the speed of the coolant.
Кроме того, применение витых труб овального профиля приводит и к дополнительному уменьшению массогабаритных характеристик теплообменника за счет более плотной упаковки труб в объеме теплообменника при одинаковых омываемых периметрах труб и одинаковых тепловых мощностях сравниваемых теплообменников вследствие использования гидродинамической интенсификации теплообмена. Спиралеобразное течение среды в межтрубном пространстве теплообменника приводит к возникновению поперечных составляющих скорости, дополнительной турбулизации, возникновению вторичной циркуляции потока, что обеспечивает выравнивание температурного поля в межтрубном пространстве и повышение эффективности работы теплообменника. Экспериментальные данные показывают, что в среднем теплоотдача пучков витых труб с переменной шириной канала на 10% больше, чем у пучка труб круглой формы. Для пучков витых труб с постоянными щелевыми каналами теплоотдача в среднем на 25-33% выше, чем средняя теплоотдача для пучков витых труб с переменными каналами между соседними трубами, и на 30-40% выше, чем в гладкотрубном пучке. При заданной тепловой мощности и тех же гидравлических потерях применение пучков витых труб вместо прямых круглых труб позволяет примерно на 20-30% уменьшить массу и размеры теплообменника. Таким образом, применение витых труб овального профиля в силу еще большей турбулизации потока позволит улучшить массогабаритные характеристики решетчатых трубных пучков относительно решетчатых пучков из труб гладкой формы и тем самым повысить интенсификацию теплообмена.In addition, the use of oval-shaped twisted pipes leads to an additional decrease in the weight and size characteristics of the heat exchanger due to the denser packing of the pipes in the heat exchanger volume with the same tube perimeters washed and the heat exchangers being compared equal heat exchange due to the use of hydrodynamic intensification of heat transfer. The spiral flow of the medium in the annulus of the heat exchanger leads to the appearance of transverse velocity components, additional turbulization, the emergence of a secondary circulation of the flow, which ensures equalization of the temperature field in the annulus and increases the efficiency of the heat exchanger. Experimental data show that, on average, the heat transfer of bundles of twisted pipes with a variable channel width is 10% greater than that of a round tube bundle. For bundles of twisted pipes with constant slotted channels, the heat transfer is on average 25-33% higher than the average heat transfer for bundles of twisted pipes with variable channels between adjacent pipes, and 30-40% higher than in a smooth tube bundle. For a given heat output and the same hydraulic losses, the use of bundles of twisted pipes instead of straight round pipes can reduce the mass and dimensions of the heat exchanger by about 20-30%. Thus, the use of oval-shaped twisted pipes due to even greater turbulence in the flow will improve the weight and size characteristics of the lattice tube bundles relative to the lattice bundles of smooth pipes and thereby increase the heat transfer.
На фиг.1 изображен общий вид конструкции предлагаемого теплообменника, в аксонометрии (боковые сегментные стенки корпуса не показаны);Figure 1 shows a General view of the design of the proposed heat exchanger, in a perspective view (side segment walls of the housing are not shown);
на фиг.2 изображена трубная матрица теплообменника без корпуса и противобайпасных устройств, состоящая из кассет, повернутых на 90° относительно друг друга, с тройниками подвода (отвода) внутреннего теплоносителя, в аксонометрии;figure 2 shows a tube matrix of a heat exchanger without a housing and anti-bypass devices, consisting of cassettes rotated 90 ° relative to each other, with tees for supplying (removing) the internal coolant, in a perspective view;
на фиг.3 показано расположение и крепление коллекторов подвода (отвода) внутреннего теплоносителя к кассетам через трубную решетку, в аксонометрии (противобайпасные устройства, корпус и соединения коллекторов подвода (отвода) внутреннего теплоносителя в тройники не показаны);figure 3 shows the location and fastening of the collectors of the supply (exhaust) of the internal coolant to the cassettes through the tube sheet, in a perspective view (anti-bypass devices, housing and connections of the collectors of the supply (exhaust) of the internal coolant to the tees are not shown);
на фиг.4 - вид Б на фиг.3, показано расположение прямых участков труб панелей одной кассеты между прямыми участками труб панелей другой кассеты при повороте кассет на 90° относительно друг друга, в аксонометрии (противобайпасные устройства, корпус и соединения коллекторов подвода (отвода) внутреннего теплоносителя с тройниками не показаны);figure 4 - view B in figure 3, shows the location of the straight sections of the pipes of the panels of one cartridge between the straight sections of the pipes of the panels of another cartridge when the cassettes rotate 90 ° relative to each other, in a perspective view (anti-bypass devices, the housing and connections of the supply headers (outlet ) internal coolant with tees are not shown);
на фиг.5 - вид I на фиг.1, показано расположение противобайпасных устройств (сеток) между корпусом и коллекторами подвода (отвода) внутреннего теплоносителя (противобайпасные устройства в U-образных частях трубных панелей и боковые сегментные стенки корпуса не показаны);in Fig. 5 is a view I in Fig. 1, the arrangement of anti-bypass devices (grids) between the casing and the collectors for supplying (removing) the internal coolant (anti-bypass devices in the U-shaped parts of the pipe panels and the side segment walls of the housing are not shown);
на фиг.6 - вид А на фиг.1, показано расположение противобайпасных устройств (сеток) в U-образных частях трубных панелей (боковая сегментная стенка корпуса не показана).in Fig.6 - view A in Fig.1, shows the location of anti-bypass devices (grids) in the U-shaped parts of the pipe panels (the side segment wall of the housing is not shown).
Теплообменник содержит трубную матрицу 1, расположенную внутри корпуса 2 (фиг.1). Корпус 2 снабжен входным 3 и выходным 4 тройниками внутреннего теплоносителя (воздух), патрубками подвода 5 и отвода 6 внешнего теплоносителя (газ). Матрица 1 состоит из двух кассет 7, 8 (фиг.2), состоящих из трубных панелей 9 (фиг.4). Трубные панели 9 формируются набором U-образных труб 10 (фиг.2-4) разного радиуса гиба, продольные оси которых расположены в одной плоскости. Трубы 10 являются основным элементом, обеспечивающим теплопередачу между теплоносителями, проходящими внутри них и в межтрубном пространстве. Кассеты 7 и 8 повернуты друг относительно друга на 90° и установлены друг в друга (фиг.4). При этом прямые участки 11 труб кассет 7 и 8 расположены в чередующихся смежных плоскостях, таким образом, что в зоне их совместного размещения поверхность теплообмена представляет собой решетчатую поверхность с коридорным расположением труб. Концы U-образных труб 10 каждой кассеты 7 и 8 закреплены в соответствующих трубных решетках 12 (фиг.3). Трубные решетки 12 соединены с соответствующими коллекторами подвода 13 и отвода 14 внутреннего теплоносителя, которые соединены во входном и выходном сечении в один входной 3 и выходной 4 каналы (фиг.2), представляющие собой тройник с разделением или слиянием потока внутреннего теплоносителя, соответственно. Коллекторы подвода 13 и отвода 14 каждой кассеты 7 и 8 (фиг.5, 6) расположены внутри корпуса 2 и не связаны между собой. При этом с корпусом 2 теплообменника соединены только входной 3 и выходной 4 тройники внутреннего теплоносителя в сечениях 15 (фиг.1). Между трубами 10 в U-образных частях 16 трубных панелей, а также между корпусом 2 и трубной матрицей 1 установлены противобайпасные устройства 17 (фиг.5, 6). Противобайпасные устройства 17 выполнены в виде металлических проволочных сеток зигзагообразной формы и установлены в корпусе в один слой или несколько слоев. Противобайпасные устройства могут иметь другую конструкцию, например в виде шнековых ленточных завихрителей.The heat exchanger contains a
В качестве варианта прямые участки 11 труб 10 кассет 7 и 8 в зоне их совместного размещения могут быть выполнены витыми овального профиля (на чертеже не показаны), обеспечивающие поперечное обтекание среды и интенсифицирующие теплоотдачу.Alternatively, the
Теплообменник работает следующим образом.The heat exchanger operates as follows.
Внешним теплоносителем теплообменника является нагреваемая среда, в качестве которой используются продукты сгорания от ГТУ (газы). Продукты сгорания поступают в патрубок подвода 5 корпуса 2, проходят через решетчатую структуру кассет 7, 8 трубной матрицы 1, омывают внешнюю поверхность U-образных труб 10 со всех сторон и отдают свою теплоту воздуху, проходящему внутри труб 10, вследствие чего охлаждаются и выходят из теплообменника через патрубок отвода 6.The external heat carrier of the heat exchanger is a heated medium, in which the products of combustion from gas turbines (gases) are used. The combustion products enter the supply pipe 5 of the
Внутренним теплоносителем является нагреваемая среда, в качестве которой используется воздух. Воздух подается через входной тройник 3 корпуса 2, разделяется двумя потоками по коллекторам подвода 13 кассет 7 и 8 и через трубные решетки 12 распределяется по U-образным трубам 10. Двигаясь по внутренним каналам труб 10, воздух воспринимает теплоту от продуктов сгорания (газа), нагревается и поступает в коллекторы отвода 14 кассет 7 и 8 через трубные решетки 12 и далее общим потоком отводится через выходной тройник 4 из теплообменника. Таким образом, происходит теплообмен между двумя средами при их циркуляции через теплообменник.The internal coolant is a heated medium, in which air is used. Air is supplied through the
В качестве противобайпасных устройств 17 в примере конкретного выполнения используются металлические проволочные сетки зигзагообразной формы в один слой. Сетки интенсифицируют процесс теплообмена путем устранения перетечек при поперечном потоке продуктов сгорания в межтрубном пространстве, обеспечивают практически такое же обтекание продуктами сгорания периферийных труб 10 матрицы 1, как и в глубине трубного пучка.As
Выполнение прямых участков 11 труб 10 матрицы 1 в виде витых труб овального профиля приводит к дополнительной интенсификации теплообмена за счет увеличения удельной поверхности теплообмена, что достигается более плотной упаковкой труб 10, модификации их геометрии, изменения геометрии канала и создания дополнительных вихревых течений, а также взаимодействия разнонаправленных винтовых течений, обусловленных поворотом их при переходе с одного ряда труб 10 панелей 9 на другой за счет взаимно перпендикулярного расположения данных панелей в матрице 1.The execution of the
Использование в качестве внешнего теплоносителя продуктов сгорания ГТУ позволяет уменьшить массу корпуса 2 теплообменника, так как последний практически разгружен от механического воздействия давления внешнего теплоносителя. Поскольку продукты сгорания имеют давление, близкое к атмосферному, поэтому элементы корпуса 2 могут быть изготовлены из тонколистового материала.The use of gas turbine combustion products as an external coolant allows to reduce the mass of the
Проведены расчетные сравнительные характеристики заявленного теплообменника с решетчатой матрицей и теплообменника с W-образными трубным пучком с шахматным расположением труб по патенту RU на полезную модель №31838.The calculated comparative characteristics of the claimed heat exchanger with a lattice matrix and a heat exchanger with a W-shaped tube bundle with a checkerboard arrangement of pipes according to RU patent for utility model No. 31838 are carried out.
Результаты представлены в таблице. Оценка теплообмена и гидравлического сопротивления решетчатой структуры матрицы выполнена для коридорного расположения труб (рис.10.90, Кейс В.М., Лондон А.Л. «Компактные теплообменники», М.: Энергия, 1967 г., стр.179). Расчеты теплообмена и гидравлического сопротивления в зоне гибов труб выполнены, как для коридорного обтекания труб внешним теплоносителем согласно рекомендациям (Оборудование теплообменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический. РТМ 108.031.05-84). При расчете гидравлического сопротивления по внутреннему теплоносителю во всех случаях в таблице приведены следующие составляющие потерь давления:The results are presented in the table. Assessment of heat transfer and hydraulic resistance of the lattice structure of the matrix was performed for the corridor arrangement of pipes (Fig. 10.90, Case VM, London A. L. “Compact heat exchangers”, M .: Energy, 1967, p. 179). Calculations of heat transfer and hydraulic resistance in the zone of pipe bends are performed as for corridor flow around pipes with external coolant according to the recommendations (Heat-exchange equipment for nuclear power plants. Calculation of heat and hydraulic. RTM 108.031.05-84). When calculating the hydraulic resistance for the internal coolant in all cases, the table shows the following components of the pressure loss:
- потери на трение в трубной матрице;- friction losses in the tube matrix;
- потери на повороты потока в изгибах труб;- losses due to flow turns in pipe bends;
- потери на входе и выходе из труб матрицы.- losses at the inlet and outlet of the matrix pipes.
Кроме того, в расчетах были учтены и приняты равными для сравниваемых вариантов коэффициенты запаса для поверхности теплообмена, поправочные коэффициенты, учитывающие байпасные перетечки, погрешность аппроксимации рекомендуемыми зависимостями гидравлического сопротивления и теплообмена.In addition, in the calculations, the safety factors for the heat exchange surface, correction factors taking into account bypass flows, and the approximation error by the recommended dependences of the hydraulic resistance and heat transfer were taken into account and taken equal for the compared options.
Расчеты показали, что при одинаковых параметрах теплоносителей на входе в аппараты коэффициент теплоотдачи внешнего теплоносителя (п.1.7 таблицы) предлагаемого теплообменника значительно выше (133,4 Вт/м2·С) коэффициента теплоотдачи (99,7 Вт/м2·С) известного аппарата при меньших относительных потерях напора данной среды. Принимая во внимание, что суммарные потери напора внешнего и внутреннего теплоносителей в трубном пучке (п.1.1 и 1.12 там же) и степень регенерации примерно одинаковы, можно сделать вывод, что предлагаемый теплообменник более компактен, так как имеет меньшую поверхность теплообмена (п.2.13 и 2.10 там же).The calculations showed that with the same parameters of the coolant at the inlet of the apparatus, the heat transfer coefficient of the external coolant (p. 1.7 of the table) of the proposed heat exchanger is significantly higher (133.4 W / m 2 · C) heat transfer coefficient (99.7 W / m 2 · C) of the known apparatus with lower relative pressure losses of a given medium. Taking into account that the total pressure loss of the external and internal coolants in the tube bundle (p. 1.1 and 1.12 in the same place) and the degree of regeneration are approximately the same, we can conclude that the proposed heat exchanger is more compact, since it has a smaller heat exchange surface (p. 2.13 and 2.10 there).
Таким образом, при расположении теплообменного трубного пучка предлагаемым образом значительно увеличивается интенсификация теплообмена, одновременно улучшаются и массогабаритные характеристики теплообменника, позволяющие изготовить его максимально компактным.Thus, with the location of the heat exchange tube bundle in the proposed manner, the heat transfer intensification is significantly increased, and the mass and size characteristics of the heat exchanger are improved, allowing it to be made as compact as possible.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006142656/06A RU2328682C1 (en) | 2006-12-01 | 2006-12-01 | Heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006142656/06A RU2328682C1 (en) | 2006-12-01 | 2006-12-01 | Heat exchanger |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2328682C1 true RU2328682C1 (en) | 2008-07-10 |
Family
ID=39680800
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006142656/06A RU2328682C1 (en) | 2006-12-01 | 2006-12-01 | Heat exchanger |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2328682C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2699851C1 (en) * | 2019-05-20 | 2019-09-11 | Акционерное общество "ОДК-Климов" | Tubular heat exchanger |
RU2825179C1 (en) * | 2023-11-30 | 2024-08-21 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Федеральный Исследовательский Центр Проблем Химической Физики И Медицинской Химии Российской Академии Наук (Фиц Пхф И Мх Ран) | Reactor for combustion of gases with low thermal effect of reaction |
-
2006
- 2006-12-01 RU RU2006142656/06A patent/RU2328682C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2699851C1 (en) * | 2019-05-20 | 2019-09-11 | Акционерное общество "ОДК-Климов" | Tubular heat exchanger |
RU2825179C1 (en) * | 2023-11-30 | 2024-08-21 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Федеральный Исследовательский Центр Проблем Химической Физики И Медицинской Химии Российской Академии Наук (Фиц Пхф И Мх Ран) | Reactor for combustion of gases with low thermal effect of reaction |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Compact heat exchangers: A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers | |
US8272431B2 (en) | Heat exchanger using graphite foam | |
US10854344B2 (en) | Air-cooled heat exchanger and system and method of using the same to remove waste thermal energy from radioactive materials | |
US4475586A (en) | Heat exchanger | |
JP2016180580A (en) | Tube in cross-flow conduit heat exchanger | |
CN110822942B (en) | Three-dimensional cobweb laminated tube type heat exchanger based on bionics | |
Wen et al. | Flow resistance and convective heat transfer performances of airflow through helical-tube bundles | |
RU2527772C1 (en) | Heat-exchanging device | |
RU2328682C1 (en) | Heat exchanger | |
Moisseytsev et al. | Heat exchanger options for dry air cooling for the sco2 brayton cycle | |
RU2543094C1 (en) | Tube and shell heat exchanger | |
KR20140036541A (en) | Radiator with structures woven of tubes and wires | |
RU2553046C1 (en) | Radiator of honeycomb type with swirler inserts for oil and water cooling | |
RU2714133C1 (en) | Cylindrical recuperative heat exchanger of coaxial type | |
RU201175U1 (en) | Air cooling heat exchanger | |
CN102162704B (en) | Radiation-type triangular winglets pipe fin reinforced heat exchange surface structure | |
Kraus | Heat exchangers | |
Zheng et al. | Investigation on the performance of a novel heat transfer structure based on a new twisted airfoil fin array | |
RU2310804C1 (en) | Heat exchanger | |
RU176496U1 (en) | HEAT EXCHANGE DEVICE | |
RU2484386C2 (en) | Matrix ceramic air heater (ah) | |
RU2790537C1 (en) | Heat exchanger | |
RU2758119C1 (en) | Plate-tube heat exchanger | |
RU126814U1 (en) | PLATE HEAT EXCHANGER | |
RU2822724C1 (en) | Shell-and-tube heat exchanger |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091202 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20100927 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121202 |