ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
TUBULAR HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в области турбиностроения, а также в энергетике и двигателестроении в составе осесимметричных конструкций, таких как авиационные газотурбинные двигатели и энергоустановки.
Известен трубчатый перекрестно-точный теплообменник двухконтурного турбореактивного двигателя (SU 649238), содержащий размещенные в наружном контуре секции из установленных последовательно по потоку воздуха М-образных труб, входные и выходные концы которых закреплены в отверстиях входных и выходных коллекторов, расположенных горизонтально и параллельно друг другу над корпусом камеры сгорания и турбины, а каждый коллектор через патрубок сообщен соответственно: входной - с полостью вторичного воздуха камеры сгорания, а выходной - с полостью подачи охлаждающего воздуха в турбину, отличающийся тем, что отверстия под концы труб имеют резьбовую и коническую части.
Конструкция такого теплообменника обладает следующими недостатками:
Обеспечение эффективности такого теплообменника требует равномерности заполнения площади второго контура, что приводит к необходимости изгиба труб формирующих секции как минимум в двух плоскостях. Это существенно усложняет конструкцию, а технология изготовления такого теплообменника вызывает сложности в плане обеспечения герметичности большого количества соединений труб с коллекторами.
Известна система охлаждения многоконтурной газотурбинной установки (RU 2680636), содержащая многосекционный кольцевой рекуперативный теплообменник, размещенный в потоке охлаждающего воздуха проточной части второго контура газотурбинной установки и состоящий из механически связанных между собой унитарных секций, представляющих собой пучок полых трубчатых теплообменных элементов. Каждая унитарная секция выполнена в виде древовидного пучка ветвистых теплообменных элементов.
Конструкция такого теплообменника не обеспечивает достаточно высокой надежности в необходимом диапазоне тепловых режимов, поскольку тепловые перемещения трубчатых теплообменных элементов сложной пространственной конфигурации приводят к появлению дефектов (трещин), которые, в свою очередь, приводят к прямым потерям рабочего тела. Кроме того соединение трубчатых элементов с каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха неизбежно приводит к формированию концентраторов напряжений в этих местах, что снижает надежность конструкции, а наличие самих соединений определяет возможность негерметичности в них, что также снижает надежность теплообменника. Кроме того, необходимость обеспечения герметичности в этих соединениях при изготовлении существенно усложняет технологию изготовления этого теплообменника.
Известен принятый за прототип трубчатый теплообменник (заявка на изобретение №201911540306), содержащий корпус, устройства для подвода и отвода теплоносителей и матрицу теплообменника которая выполнена монолитной без сварных или паяных соединений и представляет собой осесимметричную конструкцию из трубок, уложенных слоями в плоскостях, перпендикулярных оси матрицы, причем трубки, расположенные в соседних слоях перекрещиваются, а концы трубок соединены с осевыми каналами, параллельными оси матрицы.
Недостатком этого теплообменника является его низкая технологичность, связанная с тем, что его матрица выполнена как единое целое. Такая конструкция требует для изготовления использования специального дорогого оборудования с достаточно большой рабочей зоной. Кроме того такое исполнение матрицы существенно затрудняет контроль качества изготовления и практически исключает возможность ремонта при наличии дефектов.
Технический результат, состоящий в повышении технологичности и обеспечении ремонтопригодности теплообменника, достигается за счет того, что предлагается трубчатый теплообменник, отличающийся тем, что матрица теплообменника представляет собой осесимметричную конструкцию из трубок, сгруппированных в плоские секции, причем каждая секция состоит из нескольких трубок и двух концевых элементов, например, в форме колец, в которые выходят концы трубок, секции уложены слоями в плоскостях, перпендикулярных оси матрицы с совмещением концевых элементов и соединены через отверстия в концевых элементах между собой так что трубки, расположенные в соседних слоях перекрещиваются, а концевые элементы образуют осевые каналы, параллельные оси матрицы.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общий вид матрицы трубчатого теплообменника;
Фиг. 2 - плоская секция из трубок и концевых элементов;
Фиг. 3 - схема движения теплоносителей в матрице теплообменника,
где
1 - трубки матрицы теплообменника для теплоносителя;
2 - концевой элемент;
3 - осевые каналы для входа или выхода теплоносителя;
4 - отверстие для стяжного болта.
Конструкция матрицы теплообменника представляет собой осесимметричную пространственную структуру из трубок 1, сгруппированных в плоские секции, каждая из которых состоит из нескольких трубок и двух концевых элементов 2. Концы трубок 1 входят в концевые элементы 2. Плоские секции уложены слоями в плоскостях, перпендикулярных оси матрицы с совмещением концевых элементов. При этом трубки 1, расположенные в соседних слоях перекрещиваются, а концевые элементы 2 образуют осевые каналы 3, параллельные оси матрицы. Секции соединены между собой через отверстия 4 в концевых элементах 2 (например, шпильками или болтами, параллельными оси матрицы).
Теплообменник работает следующим образом.
Теплоноситель №1 через осевые каналы 2 (например, расположенные в зоне большого (периферийного) радиуса осесимметричной матрицы теплообменника) направляется по трубкам 1 матрицы теплообменника. Далее теплоноситель №1 проходит по трубкам 1 и выходит через осевые каналы 2 (например, расположенные в зоне малого (прикорневого) радиуса осесимметричной матрицы теплообменника). Теплоноситель №2 направляется в радиальном направлении от корня к периферии (или от периферии к корню) вокруг трубок 1 через вихревую матрицу, образованную этими трубками. Теплоноситель №2 обтекает трубки 1 снаружи, не смешиваясь с Теплоносителем №1, который движется внутри этих трубок. При этом происходит теплообмен между Теплоносителями №1 и №2 через стенки трубок 1 и стенки осевых каналов 2. Таким образом, реализуется общая перекрестно-противоточная схема теплообмена.
Формирование конструкции матрицы теплообменника из отдельных одинаковых малогабаритных плоских секций позволяет изготавливать эти секции из трубок и концевых элементов на относительно недорогом оборудовании с использованием одного технологического процесса (например, выборочной лазерной наплавки). Такой подход позволяет исключить такие технологические процессы, как сварка и пайка. Исполнение элементов матрицы в виде отдельных одинаковых малогабаритных плоских секций не требует дорогого крупногабаритного оборудования с большими рабочими зонами, что существенно повышает технологичность изготовления.
Использование одного технологического процесса (например, выборочной лазерной наплавки) взамен нескольких технологических процессов (в том числе исключения таких технологических процессов, как сварка и пайка), каждый из которых требует специального оборудования, отдельных производственных участков, производственных площадей, специально обученного персонала, также повышает технологичность предлагаемого теплообменника.
Кроме того, формирование матрицы с использованием передовых технологических процессов (с использованием, например, процесса выборочной лазерной наплавки) позволяет изготовить трубки с интенсификаторами теплообмена, что повышает эффективность теплообменника.
Также следует отметить, что технология изготовления матрицы теплообменника обязательно включает контроль качества, причем осуществлять контроль качества на отдельных секциях матрицы теплообменника значительно проще, чем на матрице теплообменника, выполненной как единое целое, что также повышает технологичность теплообменника. Кроме того, при сборке матрицы из отдельных секций имеется возможность выбрать для сборки только качественные секции. Это гарантирует качество матрицы теплообменника, а в случае необходимости - возможность замены дефектных секций, что повышает также ремонтопригодность теплообменника.