Аппарат воздушного охлаждения газа
GAS AIR COOLER

Изобретение относится к области энергетики, а именно к аппаратам воздушного охлаждения газа (АВО), применяемым для охлаждения природного газа.
Известен аппарат воздушного охлаждения, состоящий из блока теплообменников, вентилятора, опор и системы водяного орошения, между опорами и на нижней плоскости блока теплообменников установлены рамы с металлической сеткой и фильтрующим полотном (патент RU №2200907, опубл. 20.03.2003 г.). Недостатками известного аппарата являются большая металлоемкость, большие энергозатраты и то, что занимает большие площади.
Известен аппарат воздушного охлаждения, состоящий из блока теплообменников, вентилятора, опор и системы водяного орошения, между опорами и на нижней плоскости блока теплообменников установлены рамы с металлической сеткой и фильтрующим полотном (патент на изобретение №2200907, опубл. 20.03.2003).
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату заявляемого устройства является аппарат воздушного охлаждения природного газа с коллекторами подвода и отвода продукта 2АВГ-75(100) (Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения, В.Б. Кунтыш, А.Н. Бессонный и др. СПб.: Недра, 1996, с. 84-85), предназначенный для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Известный аппарат состоит из горизонтально расположенных секций коллекторного типа, собранных из оребренных биметаллических труб, которые обдуваются потоком воздуха, нагнетаемого снизу осевыми вентиляторами с приводами от тихоходных электродвигателей. Теплообменные секции включают камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных труб.
Общим недостатком всех известных АВО является большое энергопотребление, что делает их дорогими в эксплуатации. Высокая потребляемая мощность привода вентилятора вызвана большим аэродинамическим сопротивлением охлаждающего воздуха при движении его через оребрение пучка труб, которое выполнено избыточным. Наличие избыточного оребрения трубок теплообменника у прототипа при работе вентилятора на рабочем режиме, каналы прохода воздуха, образованные оребрением теплообменных секций, не в состоянии пропустить весь объем воздуха, подаваемый вентилятором, поэтому возникает противодавление, т.е. повышается давление воздуха перед трубками теплообменника. Поэтому поток охлаждающего воздуха начинает закручиваться по направлению вращения лопастей вентилятора и возникает вихревая трубка, одним концом опирающаяся на втулку вентилятора, а другим концом - в центр теплообменника. Характерной особенностью такого вихря является пониженное давление в центре вихревой трубки, поэтому при работе вентилятора давление в центре вихревой трубки, следовательно и в центре теплообменника, падает до атмосферного. Отсутствие разницы давления между областью до и после теплообменника приводит к тому, что охлаждающий воздух через каналы между поверхностями теплообмена не поступает и формируется застойная зона. При увеличении углов атаки увеличивается интенсивность вихревой трубки и возможны режимы, когда могут возникнуть обратные течения через теплообменник, когда из-за разрежения в центр вихревой трубки из атмосферы, минуя теплообменник, поступает воздух. Общая эффективность теплообменника падает из-за уменьшения поверхности теплообмена, так как центральная область теплообменника фактически является застойной зоной. При этом поток охлаждающего воздуха имеет высокую скорость с неравномерным полем скоростей, что снижает эффективность теплообмена, а избыточное оребрение труб теплообменных секций прототипа приводит к значительным гидравлическим сопротивлениям при проходе охлаждающего воздуха через оребрение теплообменных поверхностей. Окружная скорость охлаждающего воздуха на периферии вращающегося потока может достигать значительных величин, при этом поток набегает на оребренные трубки теплообменника под острым углом, где и ударяется о ребра охлаждения. Так как ребра охлаждения на трубках теплообменника фактически формируют вертикальные щели-каналы, то для эффективного охлаждения необходимо, чтобы угол входа потока в межтрубное пространство как можно ближе совпадал с вертикальными щелями-каналами. При значительных окружных составляющих скорости потока охлаждающего воздуха трубный пучок теплообменных секций будет испытывать сильные вибрации, которые будут усиливаться за счет дополнительной турбулизации охлаждающего теплоносителя (воздуха) при поступлении его в межтрубное пространство.
Задачей настоящего изобретения является повышение экономичности аппаратов воздушного охлаждения с напорными вентиляторами и перекрестным движением воздуха.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении эффективности расходуемого воздуха, проходящего через секции теплообменника аппарата воздушного охлаждения газа, и в оптимизации направления потоков охлаждающего воздуха в центре диффузора аппарата.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что аппарат воздушного охлаждения газа, состоящий из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, включающих камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных труб, осевого вентилятора и диффузора, согласно изобретению, в диффузоре жестко установлены, по крайней мере, три дефлектора двух типов: S-образный дефлектор, состоящий из двух половин, формирующих два оппозитных центральносимметричных, относительно оси вентилятора, воздухозаборных канала, в каждом из которых расположены не менее чем три регулируемые поворотные лопасти, установленные за лопастями воздухосборника друг над другом с одинаковым шагом и углом их установки, для охлаждения центра теплообменника и два лопастных дефлектора для охлаждения периферийной части теплообменника, установленные посередине крайних теплообменников, причем на дне каждого воздухозаборного канала после поворотных лопастей имеется окно для эжектирования пассивного потока с центральной части вентилятора, а задняя стенка воздухосборника выполнена спрофилированной, формируя плавный вход поступающего из диффузора в воздухозаборник потока воздуха снаружи S-образного дефлектора и обеспечивая вертикальный выход потока охлаждающего воздуха из поворотных лопастей, расположенных внутри S-образного дефлектора, при этом лопасти лопастных дефлекторов выполнены обращенными нижней частью навстречу потоку воздуха с минимальным зазором 5-10 мм между поверхностью нижнего ряда ребер охлаждения и верхней образующей кромкой дефлектора.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. Жестко установленные в диффузоре дефлекторы двух типов: S-образный дефлектор для охлаждения центра теплообменника и два лопастных дефлектора для охлаждения периферийной части теплообменника равномерно подают воздух по всей охлаждаемой поверхности, за счет чего увеличивается эффективность расходуемого воздуха для охлаждения газа, а также и формируют направление потоков охлаждающего воздуха, в том числе и в центре диффузора аппарата.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
- фиг. 1 - вид сбоку АВО газа;
- фиг. 2 - расположение дефлекторов АВО газа;
- фиг. 3 - S-образный дефлектор;
- фиг. 4 - cхема направления потока воздуха;
- фиг. 5 - график потребляемой мощности электродвигателя приводного вентилятора.
Аппарат воздушного охлаждения газа с нижним расположением вентиляторов (фиг. 1) состоит из осевого вентилятора 1 с регулируемым углом установки лопастей, установленного внизу АВО. В плоскости вращения лопастей находится кольцевая обечайка 2, к которой снизу прикреплено устройство 3 плавного входа воздушного потока. Сверху к кольцевой обечайке 2 прикреплен диффузор 4, представляющий собой переход с кольца обечайки на силовую прямоугольную раму 5, на которой установлены секции теплообменника 6. Силовая прямоугольная рама имеет продольные силовые профили 7, на которые установлены и закреплены секции теплообменника 6. В центре диффузора 4 в пространстве между плоскостью вентилятора 1 и теплообменной поверхностью на поперечные балки 8, закрепленные к продольным силовым профилям 7, соосно с вентилятором установлен S-образный дефлектор 9, формирующий два оппозитных воздухозаборных канала 10 (фиг. 1, 3). В каждом канале воздухозаборника 10 смонтированы друг над другом с одинаковым шагом не менее чем три регулируемые поворотные лопасти 11, при этом все лопасти установлены с одинаковым углом. Далее по ходу потока воздуха, после лопастей 11, расположены воздухосборники 12 (Фиг. 2, 3). На дне каждого воздухозаборного канала 10 после поворотных лопастей 11 выполнено окно 13 с фиксированной площадью для эжектирования пассивного потока воздуха, поступающего с центральной части вентилятора. Задняя стенка воздухосборника 12 выполнена спрофилированной, преимущественно в виде полукруга, формируя плавный вход поступающего в соседний воздухозаборник 10 потока воздуха снаружи и обеспечивая при этом вертикальный выход потока охлаждающего воздуха из поворотных лопастей 11 внутри воздухосборника 12. На каждой из сторон диффузора 4, куда обращен вход потока воздуха в воздухозаборник 10, на не менее чем 1/3 длины теплообменника, посередине крайних секций теплообменника устанавливаются лопастные дефлекторы 14, закрепленные неподвижно на силовые профили 7 и силовую прямоугольную раму 5, причем нижние части лопастей дефлекторов 14 обращены навстречу потоку воздуха от вентилятора и установлены с минимальным зазором около 5-10 мм между поверхностью нижнего ряда ребер охлаждения секций теплообменника 6 и верхней образующей кромкой дефлектора 9, а верхняя часть лопастного дефлектора 14 параллельна ребрам охлаждения секций теплообменника 6.
Аппарат воздушного охлаждения газа работает следующим образом. При вращении лопастей вентилятора 1 воздух из атмосферы поступает в устройство 3 плавного входа потока воздуха, затем идет к лопастям вентилятора, откуда воздух поступает в кольцевую обечайку 2 и направляется в диффузор 4, затем подается в межтрубное пространство теплообменников 6, охлаждает оребренные трубки секций теплообменника 6 и нагретым выходит наружу. Наличие избыточного оребрения трубок секций теплообменника 6 приводит к тому, что возникает избыточное противодавление, т.е. повышается давление воздуха перед трубками секций теплообменника 6 и в диффузоре 4. Несогласованность расхода воздуха, подаваемого вентилятором, с расходом воздуха через поверхности теплообмена приводит к тому, что поток охлаждающего воздуха начинает закручиваться по направлению вращения лопастей вентилятора. Закрученный относительно оси вентилятора поток охлаждающего воздуха «захватывается» воздухозаборниками 10 S-образного дефлектора 9 и поступает на поворотные лопасти 11, которые меняют его направление на вертикальное. Далее поток поступает в воздухосборник 12, откуда выходит в вертикальном направлении и подается в межтрубное пространство на поверхности теплообмена, расположенное непосредственно над ним, в центре секций теплообменника 6. Дно воздухосборника 12, обращенное к вентилятору, имеет окно 13 для подсоса воздуха с центральной части вентилятора скоростным потоком, протекающим в воздухосборник, за счет чего снижается нагрузка на вентилятор. S-образный дефлектор 9 жестко закреплен несущими балками 8 к силовым профилям 7. Благодаря S-образному дефлектору 9 ликвидируются застойные зоны в центральной части секций теплообменника АВО газа и повышается теплоотдача с поверхности теплообменника.
Для снижения гидравлических потерь и снижения турбулентности и ликвидации связанной с ней пульсации потока охлаждающего воздуха, для остальной поверхности теплообмена, используются дефлекторы лопастного типа 14. Лопасти дефлекторов устанавливаются с минимальным зазором около 5-10 мм между поверхностью нижнего ряда ребер секций теплообменника 6 и верхней образующей кромкой дефлектора 9, причем верхняя часть лопастного дефлектора 14 параллельна ребрам охлаждения трубок секций теплообменника 6. Лопасти дефлектора 14 жестко установлены на спрофилированных стойках и собраны в решетку, подобную жалюзийной решетке. Решетка с дефлекторами 14 жестко закреплена к несущим балкам 7. Шаг установки дефлекторов 14 в решетке может быть одинаковым или может увеличиваться от первой лопасти ко второй лопасти и так далее. Для обеспечения максимального расхода воздуха через секции теплообменника угол входа потока воздуха в дефлектор 14 составляет от 20 до 35 градусов, а угол выхода потока воздуха находится в пределах от 75 до 90 градусов. На фиг. 4 показано взаимное положение лопастных дефлекторов в диффузоре.
Подача охлаждающего воздуха под оптимальными углами, близкими к углам, образованным ребрами охлаждения труб на поверхности теплообменника, позволяет улучшить аэродинамические условия обтекания охлаждающим воздухом, увеличить суммарную площадь теплообменной поверхности за счет ликвидации застойных зон, увеличить теплоотдачу с поверхностей теплообмена с одновременным снижением мощности, потребляемой вентилятором.
На графике (фиг. 5) показана экономия электрической энергии вентилятора, установленного в цехе №2 КС Ныдинская ООО «Газпром трансгаз Югорск», при установке S-образного дефлектора.