Рекуперативный теплообменник и способ его изготовления
RECUPERATIVE HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в технике для подогрева жидких или газообразных сред, например, в качестве рекуператора.
Известен пластинчатый теплообменник рекуператора газотурбинной установки (Патент США №7,065,873 опубликованный 27.06.2006), содержащий цилиндрический наружный корпус, внутренние разделительные кольца, размещенные между ними и опирающиеся на центральное внутреннее разделительное кольцо, идентичные теплообменные элементы в виде конвертов, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам оребренных пластин. Патрубки подвода и отвода внутреннего теплоносителя с большим давлением здесь формируются набором конструктивных элементов, включающим планки, опирающиеся на разделительные кольца. Известен также способ изготовления данного пластинчатого теплообменника, включающий поэтапную вырезку и сборку элементов конструкции, с указанием мест сварки, включающий приварку планок.
К недостаткам данной конструкции и способа ее изготовления можно отнести большое количество конструктивных элементов и сварных швов, что негативно сказывается на герметичности, прочности и сложности изготовления теплообменника. Кроме того, использование в районе патрубков подвода и отвода теплоносителя планок с приваркой их аргонодуговой сваркой увеличивает металлоемкость и стоимость изделия, а также снижает его эффективность вследствие загромождения проходных сечений окон патрубков.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является пластинчатый теплообменник и способ его изготовления (патент РФ №2700213, опубл. 13.09.2019), содержащий цилиндрический наружный корпус, одно центральное и два периферийных разделительных кольца, размещенные между корпусом и разделительными кольцами и опирающиеся на центральное разделительное кольцо теплообменные элементы, выполненные из попарно соединенных по периферийным кромкам гофрированных пластин и имеющие выступающие за периферийную кромку отбортовки, которые образуют впускные и выпускные коллекторные окна, причем коллекторные окна охвачены разделительными кольцами, отбортовки, центральное и периферийные кольца формируют коллекторы подвода и отвода внутреннего теплоносителя, торцевые части теплообменника выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность прохождения между теплообменными элементами внешнего теплоносителя, при этом теплообменник состоит из по меньшей мере двух секций, каждая из которых состоит из теплообменных элементов, соединенных со сторон подвода и отвода внутреннего теплоносителя с помощью соединительных элементов, причем в каждой секции коллекторные окна соединены без зазора с окнами соседних тепловых элементов одной секции, а соединительные элементы образуют периферийные кольца. При этом способ изготовления пластинчатого теплообменника заключается в том, что наружные и внутренние гофрированные пластины изготавливают методом штамповки, а затем попарно соединяют по периферийным кромкам, а образованные при этом теплообменные элементы соединяют друг с другом с помощью наружного цилиндрического корпуса, двух периферийных и одного центрального разделительных колец, в каждом теплообменном элементе выполняют отбортовки, образующие впускные и выпускные коллекторные окна, таким образом, что они выступают за периферийную кромку пластин по внутреннему диаметру теплообменника, при этом периферийные кольца изготавливают соединением по меньшей мере двух соединительных элементов таким образом, чтобы они образовывали замкнутую линию, при этом в каждый соединительный элемент устанавливают по меньшей мере два теплообменных элемента.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести низкую прочность теплообменника, а также относительную сложность изготовления теплообменника.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении жесткости и прочности теплообменника, а также в упрощении изготовления теплообменника.
Технический результат достигается рекуперативным теплообменником, содержащим цилиндрический корпус (3), имеющий на торцах фланцы (13), выполненные с возможностью разъемного соединения с участком трубопровода, в котором протекает греющее второе рабочее тело, коллектор (1) подвода первого рабочего тела, коллектор (4) отвода нагретого первого рабочего тела, при этом каждый коллектор (1, 4) соединен с по меньшей мере одним трубопроводом (2, 5), соответственно по которым обеспечивается подвод и отвод первого рабочего тела, а также фиксация коллекторов (1, 4) внутри цилиндрического корпуса (3), кроме того, внутренняя полость коллектора (1) подвода первого рабочего тела соединена с внутренней полостью коллектора (4) отвода нагретого первого рабочего тела по меньшей мере одной секцией, содержащей по меньшей мере один ярус теплообменного трубопровода (10), установленным таким образом, чтобы его внешняя поверхность находилась в контакте с греющим вторым рабочим телом в канале (6) протекания греющего второго рабочего тела, при этом по меньшей мере один ярус трубопровода (10) включает по меньшей мере один изогнутый участок.
По меньшей мере одна секция теплообменного трубопровода (10) содержит три яруса теплообменных трубопроводов (10).
Коллектор (1) подвода первого рабочего тела и коллектор (4) отвода нагретого первого рабочего тела выполнены в общем корпусе, а их внутренние полости отделены перегородкой (14).
Каждый ярус в по меньшей мере одной секции теплообменных трубопроводов (10) установлен один над другим в направлении от коллекторов (1, 4) к корпусу (3).
По меньшей мере один теплообменный трубопровод (10) дополнительно изогнут с образованием линейчатой поверхности с эвольвентой направляющей.
Также технический результат достигается способом изготовления рекуперативного теплообменника по любому из предыдущих пунктов, заключающийся в том, что изготавливают цилиндрический корпус (3) с фланцами (13) на торцах, которые выполняют с возможностью разъемного соединения, коллектор (1) подвода первого рабочего тела соединяют внутри цилиндрического корпуса (3) с по меньшей мере одним трубопроводом (2) подвода первого рабочего тела, а коллектор (4) отвода нагретого первого рабочего тела соединяют внутри цилиндрического корпуса (3) с по меньшей мере одним трубопроводом (5) отвода нагретого первого рабочего тела, кроме того, внутреннюю полость коллектора (1) подвода первого рабочего тела соединяют с внутренней полостью коллектора (4) отвода нагретого первого рабочего тела по меньшей мере одной секцией, состоящей из по меньшей мере одного яруса теплообменного трубопровода (10), который располагают в канале (6) протекания греющего второго рабочего тела между цилиндрическим корпусом (3) и коллекторами (1, 4), при этом теплообменный трубопровод (10) изготавливают с по меньшей мере одним изогнутым участком.
По меньшей мере в одной секции теплообменного трубопровода выполняют три яруса теплообменных трубопроводов (10).
Коллекторы (1, 4) изготавливают в общем корпусе, а их внутренние полости отделяют друг от друга перегородкой (14).
Каждый ярус устанавливают в по меньшей мере одну секцию таким образом, что они располагаются один над другим в направлении от коллекторов (1, 4) к корпусу (3).
По меньшей мере один теплообменный трубопровод (10) изготавливают дополнительно изогнутым с образованием линейчатой поверхности с эвольвентой направляющей.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:
на фиг. 1 - общий вид рекуперативного теплообменника, теплообменные трубопроводы первого (10), второго (11) и третьего (12) ярусов условно не показаны;
на фиг. 2 - сечение вдоль оси движения греющего второго рабочего тела;
на фиг. 3 - вид на коллекторы (1, 4) с теплообменными трубопроводами первого (10), второго (11) и третьего (12) ярусов, расположенные;
на фиг. 4 - вид по направлению движения греющего второго рабочего тела на дополнительно изогнутый теплообменный трубопровод (10) первого яруса;
на фиг. 5 - вид по направлению движения греющего второго рабочего тела на дополнительно изогнутый теплообменный трубопровод (11) 2-ого яруса;
на фиг. 6 - вид по направлению движения греющего второго рабочего тела на дополнительно изогнутый теплообменный трубопровод (12) 3-го яруса.
2
2
4
1 - коллектор подвода первого рабочего тела, которым, например, является СO, НО, СН или их смеси;
2 - трубопроводы подвода первого рабочего тела;
3 - корпус рекуператора;
4 - коллектор отвода нагретого первого рабочего тела;
5 - трубопроводы отвода нагретого первого рабочего тела;
2
2
6 - канал протекания греющего второго рабочего тела, например смесь СO+НO;
7 - направление движения греющего второго рабочего тела;
8 - направление движения нагретого первого рабочего тела в трубопроводе (5) отвода рабочего тела;
9 - направление движения первого рабочего тела в трубопроводе (2) подвода первого рабочего тела;
10 - трубопровод теплообменный первого яруса;
11 - трубопровод теплообменный второго яруса;
12 - трубопровод теплообменный третьего яруса
13 - фланец;
14 - перегородка, отделяющая внутренние полости коллекторов (1, 4).
Рекуперативный теплообменник содержит цилиндрический корпус (3), имеющий на торцах фланцы (13), выполненные с возможностью разъемного соединения с участком трубопровода, в котором протекает греющее второе рабочее тело. Также теплообменник содержит коллектор (1) подвода первого рабочего тела и коллектор (4) отвода нагретого первого рабочего тела. Каждый коллектор (1, 4) соединен с по меньшей мере одним трубопроводом (2, 5), по которым обеспечивается подвод во внутреннюю полость коллектора (1) подвода и отвод из внутренней полости коллектора (4) отвода первого рабочего тела. А также этими трубопроводами (2, 5) фиксируются коллекторы (1, 4) внутри цилиндрического корпуса (3), что обеспечивает упрощение изготовления теплообменника с одновременным сохранением высокой прочности при работе рекуперативного теплообменника с высокими давлениями рабочих тел.
Кроме того, внутренняя полость коллектора (1) подвода первого рабочего тела соединена с внутренней полостью коллектора (4) отвода нагретого первого рабочего тела по меньшей мере одной секцией, содержащей по меньшей мере один ярус теплообменного трубопровода (10), установленным таким образом, чтобы его внешняя поверхность находилась в контакте с греющим вторым рабочим телом в канале (6) протекания греющего второго рабочего тела, что обеспечивает упрощение изготовления теплообменника с одновременным сохранением высокой прочности при работе рекуперативного теплообменника с высокими давлениями рабочих тел. А по меньшей мере один ярус трубопровода (10) включает по меньшей мере один изогнутый участок, что обеспечивает увеличение площади теплообмена между рабочими телами, а, кроме того, повышает прочность теплообменника в целом за счет направленного теплового изменения размеров по меньшей мере одного яруса трубопровода (10), при упрощении изготовления теплообменных секций.
Также при увеличении количества ярусов теплообменных трубопроводов (10) достигается увеличение теплоотдачи за счет увеличения площади контакта рабочих тел при сохранении относительной просты изготовления, так, например, по меньшей мере одна секция теплообменного трубопровода (10) содержит три яруса теплообменных трубопроводов (10), что обеспечивает увеличение теплоотдачи за счет увеличения площади контакта рабочих тел при сохранении относительной просты изготовления.
Коллектор (1) подвода первого рабочего тела и коллектор (4) отвода нагретого первого рабочего тела могут быть выполнены как в общем корпусе, при этом их внутренние полости отделены перегородкой (14), обеспечивающей теплоизоляцию полостей коллекторов (1, 4) друг от друга, так и в разных корпусах. При выполнении коллекторов (1, 4) в общем корпусе дополнительно обеспечивается повышение прочности теплообменника и упрощает его изготовление.
Каждый ярус в по меньшей мере одной секции теплообменных трубопроводов (10) установлен один над другим в направлении от коллекторов (1, 4) к корпусу (3), что дополнительно упрощает его изготовление.
По меньшей мере один теплообменный трубопровод (10) дополнительно изогнут с образованием линейчатой поверхности с эвольвентой направляющей, что обеспечивает наибольшее эффективное использование внутреннего объема теплообменника за счет более компактной компоновки теплообменных трубопроводов (10), а также увеличение теплоотдачи за счет увеличения площади контакта рабочих тел при сохранении относительной просты изготовления.
Рекуперативный теплообменник изготавливают следующим образом.
Изготавливают из металла или различных сплавов цилиндрический корпус (3) с фланцами (13) на торцах, например, с помощью аддитивных технологий, или литья, или сваркой формованного листового металла, или любым известным способом.
Фланцы (13) выполняют с возможностью разъемного соединения с участком трубопровода, в котором протекает греющее второе рабочее тело, например, во фланцах (13) выполняют отверстия под соединительные болты.
Коллектор (1) подвода первого рабочего тела, изготовленный из металла или сплавов с помощью аддитивных технологий, или литья, или сваркой формованного листового металла, или любым известным способом, соединяют внутри цилиндрического корпуса (3) с по меньшей мере одним трубопроводом (2) подвода первого рабочего тела, что обеспечивает достаточно высокую прочность теплообменника и упрощает его изготовление.
Коллектор (4) отвода нагретого первого рабочего тела, изготовленный из металла или сплавов с помощью аддитивных технологий, или литья, или сваркой формованного листового металла, или любым известным способом, соединяют внутри цилиндрического корпуса (3) с по меньшей мере одним трубопроводом (5) отвода нагретого первого рабочего тела, что обеспечивает достаточно высокую прочность теплообменника и упрощает его изготовление.
Кроме того, внутреннюю полость коллектора (1) подвода первого рабочего тела соединяют с внутренней полостью коллектора (4) отвода нагретого первого рабочего тела по меньшей мере одной секцией, состоящей из по меньшей мере одного яруса теплообменного трубопровода (10), который располагают в канале (6) протекания греющего второго рабочего тела между цилиндрическим корпусом (3) и коллекторами (1, 4), что обеспечивает упрощение изготовления теплообменника с одновременным сохранением высокой прочности при работе рекуперативного теплообменника с высокими давлениями рабочих тел.
При этом теплообменный трубопровод (10) изготавливают с по меньшей мере одним изогнутым участком, что обеспечивает увеличение площади теплообмена между рабочими телами, а, кроме того, повышает прочность теплообменника в целом за счет направленного теплового изменения размеров по меньшей мере одного яруса трубопровода (10), при упрощении изготовления теплообменных секций.
По меньшей мере в одной секции теплообменного трубопровода выполняют три яруса теплообменных трубопроводов (10), таким образом достигается увеличение теплоотдачи за счет увеличения площади контакта рабочих тел при сохранении относительной просты изготовления.
Предполагается два варианта изготовления коллекторов (1, 4), а именно в общем корпусе и в раздельных корпусах. При изготовлении коллекторов (1, 4)в общем корпусе, например, с помощью аддитивных технологий или любым другим известным способом (литье, сварка и т.п.), а их внутренние полости отделяют друг от друга перегородкой (14), обеспечивающей теплоизоляцию полостей коллекторов (1, 4), которая также может быть изготовлена и соединена с общим корпусом коллекторов (1, 4), например, с помощью аддитивных технологий или любым другим известным способом (литья, сварки и т.п.), что дополнительно обеспечивает повышение прочности теплообменника и упрощает его изготовление. Также изготовление коллекторов (1, 4) в разных корпусах предполагается аналогичным способом, как и в одном корпусе (аддитивные технологии, литье, сварка и т.п.), за исключением наличия перегородки (14).
Каждый ярус устанавливают в по меньшей мере одну секцию таким образом, что они располагаются один над другим в направлении от коллекторов (1, 4) к корпусу (3), что дополнительно упрощает его изготовление.
По меньшей мере один теплообменный трубопровод (10) изготавливают дополнительно изогнутым с образованием линейчатой поверхности с эвольвентой направляющей, что обеспечивает наибольшее эффективное использование внутреннего объема теплообменника за счет более компактной компоновки теплообменных трубопроводов (10), а также увеличение теплоотдачи за счет увеличения площади контакта рабочих тел при сохранении относительной просты изготовления.
Современные аддитивные технологии позволяют изготовить заявленный рекуперативный теплообменник как целиком, так и каждый его элемент в отдельности, например, теплообменные трубопроводы (10) и трубопроводы (2, 5) подвода и отвода первого рабочего тела, с последующей установкой и закреплением их с помощью сварки или пайки, что существенно позволяет упростить изготовление рекуперативного теплообменника.
Заявленный рекуперативный теплообменник может быть применен в установках для выработки механической и тепловой энергии, работающих при высоких давлениях. Например, описанная в патенте РФ 2665794 установка работает при давлениях по меньшей мере 7,5 МПа. Заявленный рекуперативный теплообменник предполагает использование в системах с давлением рабочих тел перед камерой сгорания по меньшей мере 30 МПа.
Такое давление для рабочих тел: воды, диоксида углерода и метана - является закритичным (давление критичной точки для воды это 218 атмосфер (374 градуса Цельсия)), углекислый газ переходит в сверхкритическое состояние при критических температуре 31,1°С и давлении 72,9 атмосфер (7,39 МПа) и метан при критических температуре 190,4°К (-83°С) и давлении 45,4 атмосфер (4,6 МПа). То есть все рабочие тела в бескомпрессорных парогазовых установках после насосов - регуляторов имеют закритичное давление. Таким образом, можно утверждать, в рекуперативных теплообменниках после турбины эти вещества будут нагреваться выхлопом турбины (парогазовой смесью из турбины) в закритическом состоянии, как сверхкритический флюид - без фазового перехода. Это значит, что трубы теплообменника будут всегда заполнены флюидом нагреваемого тела, а само течение в трубе будет с низким гидравлическим сопротивлением без образования газовых пробок.
Исходя из сказанного выше, заявленной конструкцией и способом изготовления рекуперативного теплообменника обеспечивается повышение жесткости и прочности теплообменника в частности и при его использовании при высоких давления рабочих сред, а также упрощение изготовления теплообменника.