ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
TUBULAR HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в области турбиностроения, а также в энергетике и двигателестроении для использования в составе осесимметричных конструкций, таких как авиационные газотурбинные двигатели и энергоустановки.
Известен кожухотрубный теплообменник (RU №2395774), содержащий кожух, выполненный в виде двух концентрично расположенных цилиндров, между которыми расположены теплообменные трубы трапециевидной формы, коллекторы для подвода и отвода внутритрубной среды, патрубки и коллекторы для подвода и отвода межтрубной среды. Трубы закреплены в трубных решетках, например, сваркой.
Такая конструкция не обладает достаточной надежностью, поскольку трубы закреплены в трубных решетках, например, сваркой. Это неизбежно приводит к снижению прочности материалов самих труб и трубных решеток в зоне соединений, что, в свою очередь, приводит к снижению надежности теплообменника. Кроме того формирование трапециевидного сечения профиля трубы приводит к малому радиусу сопряжений поверхностей, образующих профиль трубы, а это - концентраторы напряжений, которые также снижают надежность.
Известен вертикальный кожухотрубный испаритель с перегревателем (RU №2451888), содержащий пучок внутренних теплообменных труб и установленных соосно с кольцевым сквозным зазором внешних труб, размещенный в цилиндрическом корпусе, имеющем нижний патрубок ввода теплоносителя и верхний патрубок вывода последнего, а также верхнюю и нижнюю решетки для крепления концов внутренних труб и решетку для крепления внешних труб, при этом цилиндрический корпус имеет крышку и днище с патрубками для подвода и отвода охлаждаемого теплоносителя.
Конструкция такого теплообменника обладает следующими недостатками: использование установленных соосно с кольцевым сквозным зазором внешних и внутренних труб не обеспечивает достаточно высокой надежности, поскольку требует обеспечения определенной величины этого зазора, а технология изготовления такого теплообменника вызывает сложности в плане обеспечения герметичности большого количества соединений труб с решетками.
Известен принятый за прототип теплообменник (RU №2152574), содержащий расположенный в кожухе пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, витки змеевиков которых заведены между витками смежных змеевиков.
К недостаткам этого теплообменника следует отнести необходимость соединения змеевиков с трубными решетками. Это 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.
Технический результат, направленный на повышение технологичности, надежности и эффективности теплообменника, достигается за счет того, что предлагается трубчатый теплообменник, отличающийся тем, что матрица теплообменника без сварных или паяных соединений выполнена монолитной 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.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общий вид матрицы трубчатого теплообменника,
Фиг. 2 - схема движения теплоносителей в матрице теплообменника,
где
1 - трубки матрицы теплообменника для теплоносителя;
2 - осевые каналы для входа или выхода теплоносителя;
3 - ось матрицы теплообменника.
Конструкция матрицы теплообменника представляет собой осесимметричную пространственную матрицу из трубок 1, уложенных слоями в плоскостях, перпендикулярных оси матрицы, причем трубки 1, расположенные в соседних слоях, перекрещиваются. В конструкцию матрицы теплообменника включены каналы 2, параллельные оси матрицы, для подвода и отвода теплоносителя, который проходит по трубкам 1 матрицы теплообменника. Каналы 2 расположены по периферии (на большом радиусе) матрицы теплообменника и на малом радиусе (в прикорневой зоне) матрицы. Концы трубок 1 соединены (сообщаются) с осевыми каналами 2, параллельными оси матрицы.
Теплоноситель №1 через осевые каналы 2 (например, расположенные в зоне большого (периферийного) радиуса осесимметричной матрицы теплообменника) направляется по трубкам матрицы теплообменника 1. Теплоноситель №1 проходит по трубкам 2 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.
Исключение из конструкции матрицы теплообменника элементов, необходимых для сварных или паяных соединений (отбортовки, разделки и т.п.), которые занимают значительную часть объема матрицы, позволяет избавиться от концентраторов напряжений, неизбежно появляющихся при использовании сварных или паяных соединений и более полно использовать объем. В освободившемся объеме размещены дополнительные поверхности теплообмена. Это повышает эффективность теплообменника в ограниченных габаритах.
Формирование монолитной матрицы теплообменника и исключение соединений элементов матрицы обеспечивает герметичность и также повышает надежность теплообменника.
Исполнение матрицы теплообменника в виде трубок, уложенных слоями в плоскостях, перпендикулярных оси матрицы, позволяет создать пространственную податливую конструкцию, которая, во-первых, способна компенсировать тепловые перемещения элементов из-за разницы температур, что, в свою очередь, позволяет существенно снизить тепловые напряжения и повысить за счет этого надежность теплообменника. Во-вторых, поскольку трубки, расположенные в соседних слоях, перекрещиваются, формируется вихревая матрица, которая позволяет интенсифицировать теплообмен, что повышает эффективность теплообменника. Кроме того, формирование монолитной матрицы (с использованием, например, процесса выборочной лазерной наплавки) позволяет изготовить трубки с интенсификаторами теплообмена, что также повышает эффективность теплообменника.
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, существенно повышает технологичность предлагаемого теплообменника.