ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ ТРУБНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА

Высокотемпературный теплообменный трубный элемент для запыленного потока предназначен для использования в энергетике и металлургии с целью высокотемпературного нагрева компримированного воздуха от продуктов сгорания с золовыми частицами. В частности, в энергетике для парогазовых установок (ПГУ) с внутрицикловой газификацией (ВЦГ) твердого топлива.
Одной из разновидностей ПГУ с ВЦГ является гибридная схема на основе процессов термообработки угля и «внешнего» сжигания топлива. Ключевым элементом в разрабатываемой схеме является воздушный котел, в котором в конвективной шахте нагревается компримированный воздух.
Интенсивность теплоотдачи со стороны компримированного воздуха (при давлении 2-4 МПа) на порядок выше, чем со стороны продуктов сгорания (при атмосферном давлении). Для снижения термического сопротивления со стороны продуктов сгорания чаше всего используется продольное оребрение труб, поскольку оно позволяет обеспечить минимальные золовые отложения.
Известны патенты, использующие продольное оребрение на трубах для интенсификации теплообмена: WO 2013/024201 А1; CN 103697738 А; CN 203757690 U; PL 210933 B1; US 4160476 A; US 006082353 A.
Если использовать аналоги WO 2013/024201 А1; CN 103697738 А; CN 203757690 U; PL 210933 В1, то для обеспечения с помощью указанных конструкций нагрев компримированного воздуха до температур 800-900°С необходимо использовать трубы с продольным оребрением из жаропрочного и жаростойкого сплава, стоимость которого в ~50-100 раз выше, чем углеродистые стали.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является конструкция биметаллического трубного элемента с двухсторонним продольным оребрением (по патенту US 006082353 A). Если в этой конструкции внутренняя труба будет из жаропрочного сплава, способного выдерживать давление воздуха 2-4 МПа при температуре стенки (~1000°С), а наружная труба с продольными ребрами из более дешевого материала, например, из углеродистой стали с защитным покрытием (разработанным Уральским институтом металлов (УИМ) за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-00524)), обеспечивающим жаростойкость конструкции до 1050°С, то такая конструкция позволит снизить затраты на металл в разы. Однако остается актуальной задача по долговечности такой конструкции в условиях абразивного износа теплообменного элемента частицами и вероятности локальных повреждений покрытия.
1
2
1
2
Технический результат - увеличение долговечности покрытия достигается тем, что в высокотемпературном биметаллическом трубном теплообменном элементе, состоящим из внутренней жаропрочной трубы и плотно прилегающей к ней наружной трубы из углеродистой стали с двухсторонним продольным оребрением и наружным покрытием, на поверхности наружной трубы и ребер выполнены продольные и поперечные канавки, при этом глубина (h) и ширина канавок в продольном (δ) и поперечном (δ) направлениях могут быть равны 0,1÷0,3 мм, а шаги между канавками в продольном s и поперечном направлении s могут быть равны 0,2÷0,6 мм.
Предлагаемая конструкция «высокотемпературного теплообменного трубного элемента для запыленного потока» решает поставленную задачу увеличения долговечности покрытия за счет увеличения сцепления покрытия с металлом, поскольку сетка канавок 5 (фиг. 1) увеличивает площадь контакта между покрытием и металлом. Кроме того, увеличивается стойкость конструкции к абразивному износу золовыми частицами, поскольку увеличивается толщина покрытия за счет покрытия расположенного в канавках.
На фиг. 1 показан поперечный разрез теплообменного элемента, он состоит из внутренней жаропрочной трубы 1 и плотно прилегающей к ней наружной трубы из углеродистой стали 2, которая имеет двухстороннее продольное оребрение 3. На наружной поверхности трубы 2 и ребер 3 выполнены продольные и поперечные канавки 5, эта поверхность защищена покрытием 4.
Устройство действует следующим образом, труба 1 обеспечивает прочность конструкции при избыточном давлении внутренней среды и высокой температуре. Наружная труба 2 имеет продольные ребра 3, что позволяет уменьшить термическое сопротивление с внешней поверхности, плотный контакт между внутренней и внешней трубой минимизирует контактное термическое сопротивление. Выполненные на поверхности трубы 2 и ребер 3 продольные и поперечные канавки 5, обеспечиваю лучшее сцепление покрытия 4 с трубой 2 и реберами 3, что увеличивает долговечность конструкции.
1
2
1
2
Поскольку по данным исследований разработчиков покрытия (УИМ), наиболее эффективная его толщина - 0,1÷0,3 мм, то этот размер будет оптимальным: для глубины (h) и ширины канавок в продольном (δ) и поперечном (δ) направлениях; а шаги между канавками в продольном s и поперечном направлении s должны быть 0,2÷0,6 мм.