УТИЛИЗАЦИОННЫЙ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЬ
UTILISING WATER HEATER

Предлагаемое изобретение относится к теплообменному оборудованию утилизации теплоты выхлопных газов стационарных и транспортных дизельных энергетических установок (ЭУ), в частности газомотокомпрессоров, применяемых для транспортировки природного газа.
Известны утилизационные водоподогреватели (УВП), предназначенные для подогрева отработавшим газом сетевой воды, направляемой в систему теплофикации (Бродов Ю.М. и др. Теплообменники энергетических установок. Екатеринбург: Издательство "Сократ", 2002, стр.549-557; Тиранов А.И. Теплоутилизаторы Ухтинского экспериментально-механического завода. Газотурбинные технологии. Июль-август, 2004, с.38-40; А.с. СССР №318797, опубл. 28.10.1971, БИ №32; Патент России №1740943, опубл. 27.09.99, БИ №27).
В этих конструкциях УВП для повышения компактности широко используется поперечное оребрение трубчатых поверхностей. Благодаря оребрению снижается масса и габариты теплообменника. Однако при наличии в составе выхлопных газов несгоревших частиц смазочного масла в виде смол, склонных к нагарообразованию и налипанию, что свойственно ЭУ с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), происходит интенсивный занос поверхности теплообмена. При этом существенно падает тепловая эффективность и растет аэродинамическое сопротивление УВП. Необходима сравнительно частая очистка (через 150…200 ч работы) теплообменной поверхности, удаление загрязнений из узких межреберных промежутков теплообменных труб. Поэтому для утилизации теплоты выпускных газов ДВС применяют теплообменники из гладких труб, либо труб с продольным оребрением (Газовая промышленность. Обзорная информация. Выпуск 3. Разработка и внедрение теплоутилизационного оборудования для газоперекачивающих агрегатов. М.: 1988, с.22-24).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является утилизационный теплообменник для газомотокомпрессора 10 ГКН, краткое описание которого приведено в указанном выше обзоре. Теплообменник выполнен из герметичного корпуса с патрубками подвода (отвода) газа, внутри которого размещен трубный пакет, изготовленный из труб с продольным оребрением. Несмотря на наличие оребрения такой теплообменник обладает значительной массой и габаритами, так как внутри пакета газ движется в узких продольных каналах значительной относительной длины. Теплоотдача в таких каналах существенно ниже, чем при поперечном омывании гладких труб. Поэтому примененное продольное оребрение должно прежде всего компенсировать резкое падение коэффициента теплоотдачи в трубном пакете в связи с изменением характера омывания труб, что приводит к росту массы и габаритов пакета. Это оребрение не изменяет склонности масляных частиц к нагарообразованию. Отсутствие в длинных межреберных каналах трубного пакета прототипа вихревых зон и срывных течений, свойственных пакетам из гладких труб с поперечным омыванием, способствует прилипанию масляных частиц и их закреплению на поверхностях труб и продольных ребер.
Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности и компактности УВП, используемых в энергетических установках с ДВС.
Указанная цель достигается тем, что в водоподогревателе, состоящем, по меньшей мере, из одного пакета теплообменных панелей, выполненных из гладких труб, изогнутых по спирали Архимеда с закруткой спирали, противоположной закрутке труб смежных панелей, присоединенных к раздаточной, сборной и/или перепускным водяным камерам общего цилиндрического корпуса и размещенных внутри герметичного наружного корпуса с патрубками подвода и отвода греющего газа, трубная система каждой панели имеет теплообменную поверхность в виде усеченного конуса, меньшее основание которого расположено ниже его большего основания, а продольный шаг труб между панелями равен их наружному диаметру.
Кроме того, раздаточная, сборная и перепускные водяные камеры имеют общий цилиндрический корпус, размещенный вдоль оси симметрии его наружного корпуса, перепускные водяные камеры соединены дренажными отверстиями друг с другом, раздаточными и/или сборными водяными камерами, во внутренней полости водяных камер установлены поперечные перегородки, каждый пакет теплообменных панелей размещен между радиальными кронштейнами, приваренными к цилиндрическому корпусу водяных камер, а для дистанционирования спиральных труб каждой панели служат цилиндрические стяжки, закрепленные на радиальных кронштейнах. В таких теплообменниках вода движется внутри труб, поэтому форма теплообменной поверхности в виде усеченного конуса с меньшим основанием, расположенным ниже большего основания и наличие дренажных отверстий, соединяющих водяные камеры общего цилиндрического корпуса, обеспечивают естественный сток воды в водяные коллекторы и полное опорожнение внутренней полости труб каждой панели и пакета в целом, то есть замерзание воды внутри труб и связанное с этим разрушение поверхности теплообмена исключены.
При наличии противоположной закрутки труб смежных панелей и продольном шаге между панелями, равном диаметру трубы, внутри корпуса УВП формируется сетчатый трубный пучок с перекрестным расположением труб, в котором имеет место дополнительная интенсификация теплообмена вследствие повышенного уровня турбулентности. Коэффициент теплоотдачи повышается на 28%, а гидравлическое сопротивление уменьшается на 20%. Указанные факты связаны с затягиванием отрыва пограничного слоя в кормовой части труб, вследствие чего падает гидравлическое сопротивление и, наоборот, возрастанием интенсивности теплообмена из-за увеличения перемешивания в пограничном слое и уменьшением отрывной зоны (Мигай В.К., Фирсова Э.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. Л.: "Наука", ЛО, 1986, с.48…49). При условии, когда коэффициент теплоотдачи внутри трубы много больше, чем снаружи, изменение коэффициента теплопередачи практически равно соответствующему изменению внешнего коэффициента теплоотдачи, т.е. ~ 28%. Это определяет улучшение массогабаритных показателей УВП, повышение его компактности.
Вместе с тем срывные течения, возникающие при обтекании сетчатого трубного пучка, препятствуют прилипанию масляных частиц, приводят к их отрыву и сносу, тем самым уменьшается загрязнение наружной поверхности труб, падает термическое сопротивление отложений, увеличивается длительность периода между чистками, то есть повышается надежность теплообменника при его эксплуатации.
Росту компактности способствует размещение водяных камер в общем коллекторе внутри корпуса УВП вдоль его оси и наличие внутри камер поперечных перегородок.
Коллектор занимает зону естественного гиба труб панелей, а перегородки приводят к увеличению числа ходов воды в теплообменнике и тем самым к повышению температурного напора в нем.
К повышению надежности УВП приводит закрепление отдельных пакетов между радиальными кронштейнами, приваренными к цилиндрическому корпусу водяных камер, и дистанционирование труб в панелях цилиндрическими стяжками, закрепленными на радиальных кронштейнах. Эти технические решения устраняют возможную вибрацию трубных пучков, не исключая возможности их термического расширения.
На фиг.1 представлен общий вид УВП; на фиг.2 и 3 - конструктивные схемы смежных панелей УВП с правой и левой закруткой спиралей Архимеда; на фиг.4 - вид по стрелке "А" на одну из панелей.
УВП состоит, по меньшей мере, из одного пакета (1) теплообменных панелей (2), выполненных из гладких труб (3), изогнутых по спирали Архимеда с закруткой спирали, противоположной закрутке смежных панелей, присоединенных к раздаточной (4), сборной (5) и/или перепускным водяным камерам (6, 7) и размещенных внутри герметичного наружного корпуса (8) с патрубками подвода (9) и отвода (10) греющего газа. Теплообменная поверхность (11) панели имеет вид усеченного конуса, меньшее основание (12) которого расположено ниже его верхнего основания (13).
Каждый пакет (1) закреплен между радиальными кронштейнами (14), приваренными к наружной поверхности раздаточной, сборной (4, 5) и/или перепускных водяных камер (6, 7) общего цилиндрического корпуса, дистанционирование труб (3) панелей (2) осуществляется с помощью цилиндрических стяжек (15), закрепленных на радиальных кронштейнах (14). В камерах могут быть размещены поперечные перегородки (16), предназначенные для увеличения числа ходов воды в теплообменнике.
При работе УВП нагреваемая вода поступает в раздаточную камеру (4) и распределяется в панелях (2) пакета (1) по трубам (3), изогнутым по спирали Архимеда с закруткой спирали, противоположной закрутке смежных панелей (2), воспринимает теплоту от газов, омывающих наружную поверхность труб (3), нагревается и направляется через перепускные (6, 7) и сборную (5) камеры к потребителям.
Выхлопные газы через приемный патрубок (9) направляются внутрь герметичного корпуса (8) на вход в межтрубное пространство пакета (1), омывают наружную поверхность изогнутых труб (3) панелей (2) поперечным потоком с дополнительной интенсификацией теплообмена вследствие повышения уровня турбулентности, охлаждаются водой, движущейся внутри труб пакета, и через отводящий патрубок (10) в охлажденном состоянии поступают в атмосферу.
При таком исполнении УВП высокая компактность теплообменника обеспечивается за счет интенсификации теплообмена в созданном в трубном пакете сетчатом пучке труб, повышение надежности связано с конической формой поверхности теплообмена и наличием дренажных отверстий, соединяющих водяные камеры общего цилиндрического корпуса, обеспечивающих естественный слив воды и исключение возможности ее замерзания, а также со срывным характером течения газа в трубном пучке, при котором затруднено прилипание сажистых частиц к наружной поверхности теплообмена трубного пучка.