Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя

Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для утилизации тепла отходящих от агрегатов газов, в частности для подогрева воздуха выхлопными продуктами сгорания, поступающими от компрессора газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Известен четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб регенеративного воздухоподогревателя (RU №17600 F 23 L 15/04, 2000 г.), трубный ряд которого включает трубки V-образной формы с одним гибом и двумя прямолинейными ветвями, установленные горизонтальными рядами, причем каждый ряд содержит две расположенные рядом друг с другом трубки V-образной формы.

Недостатком этого устройства является то, что оно не обеспечивает высокой эффективности теплообмена и обладает повышенной металлоемкостью.

Ближайшим аналогом является трубный ряд четырехходового многорядного пучка теплообменных труб регенеративного воздухоподогревателя (RU №31838 F 23 L 15/04, 2002 г.), содержащий теплообменные трубы, уложенные горизонтальными рядами, причем каждая теплообменная труба ряда выполнена с четырьмя, пятью или шестью гибами, образующими четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена.

К недостаткам ближайшего аналога относится то, что он не обеспечивает высокой эффективности теплообмена при обеспечении компактности укладки, вследствие чего конструкция обладает повышенной металлоемкостью.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности теплообмена и снижение металлоемкости.

Поставленные задачи решаются за счет того, что трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя, выполнен четырехходовым и образован теплообменными трубами, изогнутыми в горизонтальной плоскости с образованием четырех прямолинейных ветвей и соединяющих их трех колен, гибы которых выполнены с радиусами R, при этом участки гиба у двух труб в каждом преимущественно нечетном ряду имеют длину πR, а именно, у одной трубы на внутреннем колене, у другой - на двух внешних коленах, для остальных труб нечетных и четных рядов участки гиба имеют длину πR/2 и сочленены посредством прямолинейных вставок разной длины для внешних и для внутреннего колена труб ряда, при этом параметры каждой трубы ряда определены зависимостями:

L_i+1=2l'_i+1 + 2l"_i+1 -Δ + 2H'_i+1 + H"_i+1 + 3πR, где

L_i+1 - длина развертки (i+1)-ой трубы ряда, [м];

l'_i+1 - длина внешней прямолинейной ветви (i+1)-ой трубы ряда, равная

l'_i+1=l'_i-b,[м];

l"_i+1 - длина внутренней прямолинейной ветви (i+1)-ой трубы ряда, равная l"_i+1=l'_i-Δ, [м];

Н'_i+1 - длина прямолинейных вставок внешних колен (i+1)-ой трубы ряда, равная H'_i+1=Н'_i -2а, [м];

H"_i+1 - длина прямолинейной вставки внутреннего колена (i+1)-ой трубы ряда, равная H"_i+1=H"_i + 2а, [м];

а - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных в ряду труб, [м],

b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду, [м];

Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10^-3, [м];

l'_i, l"_i, Н'_i и H"_i - соответствующие параметры для i трубы в ряду, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг а составляет (1,5-2,5)·d, шаг b составляет (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, [м], длина развертки L_min теплообменной трубы минимальной длины составляет не менее 0,75 длины развертки L_max теплообменной трубы максимальной длины.

Шаг а между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных труб в ряду может быть меньше или больше, чем шаг b между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду, предпочтительно а<b, или шаг а может быть равен шагу b.

Размещение теплообменник труб в ряду может быть выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб на прямолинейных ветвях ряда, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом теплообменных труб, и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб ряда, с учетом зазоров между трубами, составляет 0,02-0,12 [м^-1], причем для каждой теплообменной трубы ряда расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей составляет (30-85)d; длина прямолинейных ветвей l' и l" может составлять соответственно (74-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, [м].

Суммарная длина l'_Σ и l"_Σ прямолинейных наружных и внутренних ветвей ряда теплообменных труб, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, может составлять не менее 72% суммарной длины разверток L_Σ теплообменных труб ряда, а суммарная длина прямолинейных вставок Н'_Σ и H"_Σ трех колен теплообменных труб ряда, нагреваемая среда в которых расположена в противотоке с охлаждаемой средой, может составлять до 18% суммарной длины разверток L_Σ теплообменных труб ряда.

Трубный ряд может содержать четное число труб, предпочтительно не менее двух и не более десяти.

Трубный ряд может содержать нечетное число труб, предпочтительно не менее трех и не более девяти.

Трубы могут быть расположены в ряду с переменным расстоянием между осями внешних ветвей, причем наименьшая величина этого расстояния у трубы, концы которой заделаны в крайние ближайшие друг к другу отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, теплообменного блока регенеративного воздухоподогревателя, каждая последующая четырехветвевая труба ряда может быть выполнена охватывающей предыдущую с внешней стороны внешних ветвей и наибольшая величина этого расстояния у трубы, концы которой заделаны в крайние, наиболее удаленные друг от друга отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды.

Две внутренние ветви каждой последующей трубы в ряду с соединяющим их коленом могут быть выполнены вписанными с внешней стороны в изгиб, образованный соответвующими ветвями и соединяющим их коленом предыдущей трубы в трубном ряду.

Выполнение трубного ряда блока регенеративного воздухоподогревателя в соответствии с изобретением позволяет обеспечить высокую эффективность теплоотдачи при обеспечении компактности конструкции и снижении металлоемкости.

Технический результат, который достигается при использовании изобретения, заключается в обеспечении высокой эффективности теплообмена при обтекании высокотемпературными продуктами сгорания однопакетного четырехходового ряда теплообменных труб, заполненных нагреваемым воздухом, за счет использования предложенных соотношений, учитывающих геометрические параметры трубного ряда, включая параметры теплообменных труб.

Трубный ряд для теплообменного аппарата характеризуется геометрическими характеристиками теплообменных труб, в том числе отношением площади внутренней поверхности теплообменных труб прямолинейных ветвей в зоне активного теплообмена к объему, занимаемому рядом теплообменных труб, с учетом объема, занимаемого межтрубной средой, и соотношениями, характеризующими теплообменные трубы ряда.

Достижение эффективного теплообмена при минимальной металлоемкости возможно при одновременном использовании предлагаемых диапазонов значений геометрических параметров и при выполнении теплообменных труб однопакетными четырехходовыми, при этом отношение шага между трубами на разных участках трубного ряда к наружному диаметру трубы также должно быть выдержано в предлагаемом диапазоне.

Такое выполнение трубного ряда позволяет, кроме увеличения эффективности теплообмена, также уменьшить металлоемкость конструкции.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 - вид сверху на теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя с трубным рядом;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - узел Б на фиг.1;

на фиг.4 - теплообменная труба ряда.

Трубный ряд 1 регенеративного воздухоподогревателя выполнен четырехходовым и образован теплообменными трубами 2, изогнутыми в горизонтальной плоскости с образованием четырех прямолинейных ветвей 3 и соединяющих их трех колен 4, гибы 5 которых выполнены с радиусами R, при этом участки гиба 5 у двух труб 2 в каждом преимущественно нечетном 6 ряду 1 имеют длину πR, а именно, у одной трубы на внутреннем колене 7, у другой на - двух внешних коленах 8, для остальных труб 2 нечетных 6 и четных 9 рядов 1 участки гиба 5 имеют длину πR/2 и сочленены посредством прямолинейных вставок 10,11 разной длины соответственно для внешних 8 и для внутреннего 7 колена труб 2 ряда 1, при этом параметры каждой трубы 2 ряда 1 определены зависимостями:

L_i+1=2l'_i+1 + 2l"_i+1 - Δ + 2H'_i+1 + H"_i+1 + 3πR, где

L_i+1 - длина развертки (i +1)-ой трубы 2 ряда 1, [м];

l'_i+1 - длина внешней 12 прямолинейной ветви 3 (i+1)-ой трубы 2 ряда 1, равная l'_i+1=l'_i-b, [м];

l"_i+1 - длина внутренней 13 прямолинейной ветви 3 (i+1)-ой трубы 2 ряда 1, равная l"_i+1=l'_i-Δ, [м];

H'_i+1 - длина прямолинейных вставок 10 внешних колен 8 (i+1)-ой трубы 2 ряда 1, равная Н'_i+1=Н'_i -2а, [м];

H"_i+1 - длина прямолинейной вставки 11 внутреннего колена 7 (i+1)-ой трубы 2 ряда 1, равная Н"_i+1=H"_i + 2а, [м];

а - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей 12,13 смежных в ряду 1 труб 2, [м];

b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок 10,11 колен 8,7 смежных труб 2 в ряду 1, [м];

Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10^-3, [м];

l'_i, l"_i, Н'_i и H"_i - соответствующие параметры для i трубы 2 в ряду 1, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг а составляет (1,5-2,5)·d, шаг b составляет (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 2, [м], длина развертки L_min теплообменной трубы 2 минимальной длины составляет не менее 0,75 длины развертки L_max теплообменной трубы 2 максимальной длины.

Шаг а между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей 12,13 смежных труб 2 в ряду 1 может быть меньше или больше, чем шаг b между продольными осями прямолинейных вставок 10,11 колен 8,7 смежных труб 2 в ряду 1, предпочтительно а <b, или шаг а может быть равен шагу b.

Размещение теплообменных труб 2 в ряду 1 выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб 2 на прямолинейных ветвях 3 ряда 1, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом 1 теплообменных труб 2, и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб 2 ряда 1, с учетом зазоров между трубами 2, составляет 0,02-0,12 [м^-1]. Для каждой теплообменной трубы 2 ряда 1 расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей 12 может составлять (30-85)d; длина прямолинейных ветвей 12 и 13 соответственно l' и l" может составлять соответственно (74-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 2, [м].

Суммарная длина l'_Σ и l"_Σ прямолинейных наружных 12 и внутренних 13 ветвей 3 ряда 1 теплообменных труб 2, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, может составлять не менее 72% суммарной длины разверток L_Σ теплообменных труб 2 ряда 1, а суммарная длина прямолинейных вставок 10,11 Н'_Σ и Н"_Σ трех колен 4 теплообменных труб 2 ряда 1, нагреваемая среда в которых расположена в противотоке с охлаждаемой средой, может составлять до 18% суммарной длины разверток L_Σ теплообменных труб 2 ряда 1.

Трубный ряд 1 может содержать четное число труб 2, предпочтительно не менее двух и не более десяти.

Трубный ряд 1 может содержать нечетное число труб 2, предпочтительно не менее трех и не более девяти.

Трубы 2 могут быть расположены в ряду 1 с переменным расстоянием между осями внешних ветвей 12, причем наименьшая величина этого расстояния у трубы 2, концы которой заделаны в крайние ближайшие друг к другу отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, теплообменного блока регенеративного воздухоподогревателя, каждая последующая четырехветвевая труба 2 ряда 1 может быть выполнена охватывающей предыдущую с внешней стороны внешних ветвей 12 и наибольшая величина этого расстояния у трубы 2, концы которой заделаны в крайние наиболее удаленные друг от друга отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды.

Две внутренние ветви 13 каждой последующей трубы 2 в ряду 1 с соединяющим их коленом 7 могут быть выполнены вписанными с внешней стороны в изгиб, образованный соответствующими ветвями 13 и соединяющим их коленом 7 предыдущей трубы 2 в трубном ряду 1.

Продукты сгорания поступают внутрь блока воздухоподогревателя и омывают теплообменные трубы 2 с нагреваемым воздухом. Подвод продуктов сгорания к теплообменным блокам производится в противотоке с направлением движения нагреваемого воздуха, то есть продукты сгорания поступают в теплообменный блок со стороны расположения коллектора отвода нагреваемой среды. На входе в теплообменный блок продукты сгорания имеют температуру 520-550°С. Проходя по теплообменным трубам 2, воздух нагревается продуктами сгорания до температуры 440-450°С и через трубную доску и коллектор отвода воздуха поступает на вход топки газотурбинной установки. Продукты сгорания выводятся в атмосферу.

Высокая эффективность теплообмена трубного ряда 1 блока регенеративного воздухоподогревателя, выполненного согласно изобретению, определяется геометрическими характеристиками теплообменных труб 2, выбранными с использованием приведенных экспериментальных соотношений, учитывающих геометрические параметры при известных свойствах нагреваемой среды - воздуха и охлаждаемой среды - продуктов сгорания ГТУ. При этом изобретение обеспечивает уменьшение массы и габаритов теплообменных блоков.

Пример №1

Законструировать нечетный ряд пучка теплообменных труб блока регенеративного воздухоподогревателя по данному изобретению.

Дано: Трубный ряд составлен из четырехветвевых изогнутых труб диаметром ⊘25×1,0 мм. Каждая труба содержит две внешние прямолинейные ветви длиной l', две внутренние прямолинейные ветви каждая длиной l", два внешних колена, образованных каждый двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 и прямолинейной вставкой длиной Н', и одно внутреннее колено, образованное двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 с прямолинейной вставкой Н". Трубы в ряду расположены с шагом а между осями одноименных ветвей и шагом b между осями прямолинейных вставок одноименных колен.

Конструирование трубного ряда производим из условия наиболее плотной набивки труб в блоке.

Размеры внутреннего объема блока в плане для размещения образующих пучок рядов теплообменных труб составляют 3130×1650 мм. Исходя из этого задаем размеры элементов трубы №1 l'₁=3060 мм, l"₁=2639,5 мм, H'₁=480 мм, h"₁=0 мм. Шаг между осями одноименных ветвей труб в ряду а=48 мм; шаг между осями колен b=48 мм; радиус гиба R=100 мм.

Параметры остальных труб ряда определяем по приведенным в изобретении зависимостям.

Результаты приведены в Таблице 1.

Таблица 1
i	Н'1, мм	Н"i, мм	l'i, мм	l"i, мм	Li, мм
1	480	0	3060	2639,5	13301,5
2	384	96	3012	2645,5	13121,5
3	288	192	2964	2651,5	12941,5
4	192	288	2916	2657,5	12761,5
5	96	384	2868	2663,5	12581,5
6	0	480	2820	2669,5	12401,5,

Пример №2

Законструировать четный ряд пучка теплообменных труб блока регенеративного воздухоподогревателя по данному изобретению.

Дано: Трубный ряд составлен из четырехветвевых изогнутых труб диаметром 25×1,0 мм. Каждая труба содержит две внешние прямолинейные ветви длиной l', две внутренние прямолинейные ветви, каждая длиной l", два внешних колена, образованных каждое двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 и прямолинейной вставкой длиной Н', и одно внутреннее колено, образованное двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 с прямолинейной вставкой Н". Трубы в ряду расположены с шагом а между осями одноименных ветвей и шагом b между осями прямолинейных вставок одноименных колен.

Конструирование трубного ряда производим из условия наиболее плотной набивки труб в блоке.

Размеры внутреннего объема блока в плане для размещения образующих пучок рядов теплообменных труб составляют 3130×1650 мм. Исходя из этого задаем размеры элементов трубы №1 l'₁=3036 м, l"₁=2642,5 м, Н'₁=432, Н"₁=48 м. Шаг между осями одноименных ветвей труб в ряду а=48 мм; шаг между осями колен b=48 мм; радиус гиба R=100 мм.

Параметры остальных труб ряда определяем по приведенным в изобретении зависимостям.

Результаты приведены в Таблице 2.

Таблица 2
i	Н'i, мм	H"i, мм	l'i, мм	l"i, мм	Li мм
1	432	48	3036	2642,5	13211,5
2	336	144	2988	2648,5	13031,5
3	240	240	2940	2654,5	12851,5
4	144	336	2892	2660,5	12671,5
5	48	432	2844	2666,5	12491,5

1. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя, характеризующийся тем, что он выполнен четырехходовым и образован теплообменными трубами, изогнутыми в горизонтальной плоскости с образованием четырех прямолинейных ветвей и соединяющих их трех колен, гибы которых выполнены радиусами R, при этом участки гиба у двух труб в каждом преимущественно нечетном ряду имеют длину πR, а именно: у одной трубы - на внутреннем колене, у другой - на двух внешних коленах, для остальных труб нечетных и четных рядов участки гиба имеют длину πR/2 и сочленены посредством прямолинейных вставок разной длины для внешних и для внутреннего колена труб ряда, при этом параметры каждой трубы ряда определены зависимостями

L_i+1=2l'_i+1 + 2l"_i+1 -Δ + 2H'_i+1 + H"_i+1 + 3πR,

где L_i+1 - длина развертки (i+1)-й трубы ряда, [м];

l'_i+1 - длина внешней прямолинейной ветви (i+1)-й трубы ряда, равная l'_i+1=l'_i-b, [м];

1"_i+1 - длина внутренней прямолинейной ветви (i+1)-й трубы ряда, равная l"_i+1,=l'_i-Δ, [м];

Н'_i+1 - длина прямолинейных вставок внешних колен (i+1)-й трубы ряда, равная H'_i+1=Н'₁ -2а, [м];

Н"_i+1 - длина прямолинейной вставки внутреннего колена (i+1)-й трубы ряда, равная Н"_i+1=Н"_i + 2а, [м];

а - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных в ряду труб, [м];

b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду, [м];

Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10^-3, [м];

l'_i, l"_i, Н'_i и Н"_i - соответствующие параметры для i-й трубы в ряду, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг а составляет (1,5-2,5)×d, шаг b составляет (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр тепл ообменной трубы, [м], длина развертки L_min теплообменной трубы минимальной длины составляет не менее 0,75 длины развертки L_max теплообменной трубы максимальной длины.

2. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя по п.1, отличающийся тем, что шаг а между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных труб в ряду меньше или больше, чем шаг b между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду, предпочтительно а<b или шаг а равен шагу b.

3. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя по п.1, отличающийся тем, что размещение теплообменных труб в ряду выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб на прямолинейных ветвях ряда, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом теплообменных труб и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб ряда с учетом зазоров между трубами, составляет 0,02 -0,12 [м^-1], причем для каждой теплообменной трубы ряда расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей составляет (30-85)d; длина прямолинейных ветвей l' и l" составляет соответственно (74-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, [м].

4. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя по п.1, отличающийся тем, что суммарная длина l'_Σ и l"_Σ прямолинейных наружных и внутренних ветвей ряда теплообменных труб, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, составляет не менее 72% от суммарной длины разверток L_Σ теплообменных труб ряда, а суммарная длина прямолинейных вставок H'_Σ и H"_Σ трех колен теплообменных труб ряда, нагреваемая среда в которых расположена в противотоке с охлаждаемой средой, составляет до 18% от суммарной длины разверток L_Σ теплообменных труб ряда.

5. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя по п.1, отличающийся тем, что он содержит четное число труб, предпочтительно не менее двух и не более десяти.

6. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя по п.1, отличающийся тем, что он содержит нечетное число труб, предпочтительно не менее трех и не более девяти.

7. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя по п.1, отличающийся тем, что трубы расположены в ряду с переменным расстоянием между осями внешних ветвей, причем наименьшая величина этого расстояния у трубы, концы которой заделаны в крайние ближайшие друг к другу отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, теплообменного блока регенеративного воздухоподогревателя, а каждая последующая четырехветвевая труба ряда выполнена охватывающей предыдущую с внешней стороны внешних ветвей и наибольшая величина этого расстояния у трубы, концы которой заделаны в крайние наиболее удаленные друг от друга отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды.

8. Трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя по п.7, отличающийся тем, что две внутренние ветви каждой последующей трубы в ряду с соединяющим их коленом выполнены вписанными с внешней стороны в изгиб, образованный соответствующими ветвями и соединяющим их коленом предыдущей трубы в трубном ряду.