ТРУБНЫЙ РЯД РЕГЕНЕРАТИВНОГО ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для утилизации тепла отходящих от агрегатов газов, в частности, для подогрева воздуха выхлопными продуктами сгорания, поступающими от компрессора газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известен четырехходовой многорядный пучок теплообменных труб регенеративного воздухоподогревателя (RU, №17600 F 23 L 15/04, 2000 г.), трубный ряд которого включает трубки V-образной формы с одним гибом и двумя прямолинейными ветвями, установленные горизонтальными рядами, причем каждый ряд содержит две расположенные рядом друг с другом трубки V-образной формы.
Недостатком этого устройства является то, что оно не обеспечивает высокой эффективности теплообмена и обладает повышенной металлоемкостью.
Ближайшим аналогом является трубный ряд четырехходового многорядного пучка теплообменных труб регенеративного воздухоподогревателя (RU, №31838 F 23 L 15/04, 2002 г.), содержащий теплообменные трубы, уложенные горизонтальными рядами, причем каждая теплообменная труба ряда выполнена с четырьмя, пятью или шестью гибами, образующими четыре прямолинейные ветви и соединяющие их три колена.
К недостаткам ближайшего аналога относится то, что он не обеспечивает высокой эффективности теплообмена при обеспечении компактности укладки, вследствие чего конструкция обладает повышенной металлоемкостью.
Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение эффективности теплообмена и снижение металлоемкости.
Поставленные задачи решаются за счет того, что трубный ряд регенеративного воздухоподогревателя, выполнен четырехходовым и образован теплообменными трубами, изогнутыми в горизонтальной плоскости с образованием четырех прямолинейных ветвей и соединяющих их трех колен, гибы
-1
которых выполнены с радиусами R, при этом участки гиба у двух труб в каждом преимущественно нечетном ряду имеют длину πR, а именно, у одной трубы - на внутреннем колене, у другой - на двух внешних коленах, для остальных труб нечетных и четных рядов участки гиба имеют длину πR/2 и сочленены посредством прямолинейных вставок разной длины для внешних и для внутреннего колена труб ряда, причем размещение теплообменных труб в ряду выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб на прямолинейных ветвях ряда, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом теплообменных труб, и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб ряда, с учетом зазоров между трубами, составляет 0,02-0,12 [м].
Шаг а между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных труб в ряду может быть меньше или больше, чем шаг b между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду, предпочтительно а<b, или шаг а может быть равен шагу b.
Для каждой теплообменной трубы ряда расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей может составлять (30-85)d; длина прямолинейных ветвей l' и l" может составлять соответственно (74-145)d и (100-135)d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, [м].
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
Суммарная длина l' и l" прямолинейных наружных и внутренних ветвей ряда теплообменных труб, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, может составлять не менее 72% суммарной длины разверток Lтеплообменных труб ряда, а суммарная длина прямолинейных вставок Н' и Н"трех колен теплообменных труб ряда, нагреваемая среда в которых расположена в противотоке с охлаждаемой средой, может составлять до 18% суммарной длины разверток L теплообменных труб ряда.
Трубный ряд может содержать четное число труб, предпочтительно не менее двух и не более десяти.
Трубный ряд может содержать нечетное число труб, предпочтительно не менее трех и не более девяти.
Трубы могут быть расположены в ряду с переменным расстоянием между осями внешних ветвей, причем наименьшая величина этого расстояния у трубы, концы которой заделаны в крайние ближайшие друг к другу отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, предпочтительно воздуха, теплообменного блока регенеративного воздухоподогревателя, каждая последующая четырехветвевая труба ряда может быть выполнена, охватывающей предыдущую с внешней стороны внешних ветвей и наибольшая величина этого расстояния у трубы, концы которой заделаны в крайние наиболее удаленные друг от друга отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды.
Две внутренние ветви каждой последующей трубы в ряду с соединяющим их коленом могут быть выполнены вписанными с внешней стороны в изгиб, образованный соответвующими ветвями и соединяющим их коленом предыдущей трубы в трубном ряду.
Параметры каждой трубы ряда могут быть определены зависимостями:
i+1
i+1
i+1
i+1
i+1
L=2l'+2l"-Δ+2H'+H"+3πR, где
i+1
L - длина развертки (i+1)-ой трубы ряда, [м];
i+1
i+1
i
l' - длина внешней прямолинейной ветви (i+1)-oй трубы ряда, равная l'=l'-b, [м];
i+1
i+1
i
l" - длина внутренней прямолинейной ветви (i+1)-oй трубы ряда, равная l"=l'-Δ, [м];
i+1
i+1
i
Н' - длина прямолинейных вставок внешних колен (i+1)-ой трубы ряда, равная Н'=Н'-2а, [м];
i+1
i+1
i
H"-длина прямолинейной вставки внутреннего колена (i+1)-ой трубы ряда, равная H"=H"+2а, [м];
а - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей смежных в ряду труб, [м];
b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок колен смежных труб в ряду, [м];
-3
Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10, [м];
i
i
i
i
min
max
l', l", Н' и H" - соответствующие параметры для i трубы в ряду, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг а составляет (1,5-2,5)·d, шаг b составляет (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы, [м], длина развертки L теплообменной трубы минимальной длины составляет не менее 0,75 длины развертки L теплообменной трубы максимальной длины.
Выполнение трубного ряда блока регенеративного воздухоподогревателя в соответствии с полезной моделью позволяет обеспечить высокую эффективность теплоотдачи при обеспечении компактности конструкции и снижении металлоемкости.
Технический результат, который достигается при использовании полезной модели, заключается в обеспечении высокой эффективности теплообмена при обтекании высокотемпературными продуктами сгорания однопакетного четырехходового ряда теплообменных труб, заполненных нагреваемым воздухом, за счет использования предложенных соотношений, учитывающих геометрические параметры трубного ряда, включая параметры теплообменных труб.
Трубный ряд для теплообменного аппарата характеризуется геометрическими характеристиками теплообменных труб, в том числе отношением площади внутренней поверхности теплообменных труб прямолинейных ветвей в зоне активного теплообмена к объему, занимаемому рядом теплообменных труб с учетом объема, занимаемого межтрубной средой, и соотношениями, характеризующими теплообменные трубы ряда.
Достижение эффективного теплообмена при минимальной металлоемкости возможно при одновременном использовании предлагаемых диапазонов значений геометрических параметров и при выполнении теплообменных труб однопакетными четырехходовыми, при этом отношение шага между трубами на разных участках трубного ряда к наружному диаметру трубы также должно быть выдержано в предлагаемом диапазоне.
Такое выполнение трубного ряда позволяет, кроме увеличения эффективности теплообмена, также уменьшить металлоемкость конструкции.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - вид сверху на теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя с трубным рядом;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - узел Б на фиг.1;
на фиг.4 - теплообменная труба ряда.
Трубный ряд 1 регенеративного воздухоподогревателя выполнен четырехходовым и образован теплообменными трубами 2, изогнутыми в горизонтальной плоскости с образованием четырех прямолинейных ветвей 3 и соединяющих их трех колен 4, гибы 5 которых выполнены с радиусами R, при этом участки гиба 5 у двух труб 2 в каждом преимущественно нечетном 6 ряду 1 имеют длину πR, а именно, у одной трубы - на внутреннем колене 7, у другой - на двух внешних коленах 8, для остальных труб 2 нечетных 6 и четных 9 рядов 1 участки гиба 5 имеют длину πR/2 и сочленены посредством прямолинейных вставок 10,11 разной длины соответственно для внешних 8 и для внутреннего 7 колена труб 2 ряда 1, при этом параметры каждой трубы 2 ряда 1 определены зависимостями:
i+1
i+1
i+1
i+1
i+1
L=2l'+2l"-Δ+2H'+H"+3πR, где
i+1
L - длина развертки (i+1)-oй трубы 2 ряда 1, [м];
i+1
i+1
i
l' - длина внешней 12 прямолинейной ветви 3 (i+1)-oй трубы 2 ряда 1, равная l'=l'-b,[м];
i+1
i+1
i
l" - длина внутренней 13 прямолинейной ветви 3 (i+1)-ой трубы 2 ряда 1, равная l"=l'-Δ, [м];
i+1
i+1
i
H' - длина прямолинейных вставок 10 внешних колен 8 (i+1)-ой трубы 2 ряда 1, равная H'=Н'-2a, [м];
i+1
i+1
i
H" - длина прямолинейной вставки 11 внутреннего колена 7 (i+1)-ой трубы 2 ряда 1, равная H"=H"+2а, [м];
а - шаг между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей 12, 13 смежных в ряду 1 труб 2, [м];
b - шаг между продольными осями прямолинейных вставок 10,11 колен 8,7 смежных труб 2 в ряду 1, [м];
-3
Δ - эмпирическая величина, равная [3-12]·10, [м],
i
i
i
i
min
max
l', l", H' и H" - соответствующие параметры для i трубы 2 в ряду 1, считая от внешней трубы к внутренней в этом ряду, причем шаг а составляет (1,5-2,5)·d, шаг b составляет (1,8-2,8)·d, где d - наружный диаметр теплообменной трубы 2, [м], длина развертки L теплообменной трубы 2 минимальной длины составляет не менее 0,75 длины развертки L теплообменной трубы 2 максимальной длины.
Шаг а между продольными осями одноименных прямолинейных ветвей 12, 13 смежных труб 2 в ряду 1 может быть меньше или больше, чем шаг b между продольными осями прямолинейных вставок 10, 11 колен 8, 7 смежных труб 2 в ряду 1, предпочтительно а<b, или шаг а может быть равен шагу b.
-1
Размещение теплообменных труб 2 в ряду 1 выбрано с соблюдением условия, согласно которому отношение площади внутренней поверхности теплообменных труб 2 на прямолинейных ветвях 3 ряда 1, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, к объему, занимаемому рядом 1 теплообменных труб 2, и равному объему, очерченному условными плоскостями, касающимися внешних поверхностей теплообменных труб 2 ряда 1, с учетом зазоров между трубами 2, составляет 0,02-0,12 [м]. Для каждой теплообменной трубы 2 ряда 1 расстояние Н между продольными осями ее внешних прямолинейных ветвей 12 может составлять (30-85)d; длина прямолинейных ветвей 12 и 13 соответственно l' и l" может составлять соответственно (74-145)d и (100-135)d, где d -наружный диаметр теплообменной трубы 2, [м].
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
Суммарная длина l' и l" прямолинейных наружных 12 и внутренних 13 ветвей 3 ряда 1 теплообменных труб 2, расположенных перпендикулярно потоку охлаждаемой среды, может составлять не менее 72% суммарной длины разверток L теплообменных труб 2 ряда 1, а суммарная длина прямолинейных вставок 10,11 Н' и Н" трех колен 4 теплообменных труб 2 ряда 1, нагреваемая среда в которых расположена в противотоке с охлаждаемой средой, может составлять до 18% суммарной длины разверток L теплообменных труб 2 ряда 1.
Трубный ряд 1 может содержать четное число труб 2, предпочтительно не менее двух и не более десяти.
Трубный ряд 1 может содержать нечетное число труб 2, предпочтительно не менее трех и не более девяти.
Трубы 2 могут быть расположены в ряду 1 с переменным расстоянием между осями внешних ветвей 12, причем наименьшая величина этого расстояния у трубы 2, концы которой заделаны в крайние ближайшие друг к другу отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нашреваемой среды, предпочтительно воздуха, теплообменного блока регенеративного воздухоподогревателя, каждая последующая четырехветвевая труба 2 ряда 1 может быть выполнена, охватывающей предыдущую с внешней стороны внешних ветвей 12 и наибольшая величина этого расстояния у трубы 2, концы которой заделаны в крайние наиболее удаленные друг от друга отверстия соответствующих одноуровневых рядов отверстий в трубных досках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды.
Две внутренние ветви 13 каждой последующей трубы 2 в ряду 1 с соединяющим их коленом 7 могут быть выполнены вписанными с внешней стороны в изгиб, образованный соответствующими ветвями 13 и соединяющим их коленом 7 предыдущей трубы 2 в трубном ряду 1.
Продукты сгорания поступают внутрь блока воздухоподогревателя и омывают теплообменные трубы 2 с нагреваемым воздухом. Подвод продуктов сгорания к теплообменным блокам производится в противотоке с направлением движения нагреваемого воздуха, то есть продукты сгорания поступают в теплообменный блок со стороны расположения коллектора отвода нагреваемой среды. На входе в теплообменный блок продукты сгорания имеют температуру 520-550°С. Проходя по теплообменным трубам 2, воздух нагревается продуктами сгорания до температуры 440-450°С и через трубную доску и коллектор отвода воздуха поступает на вход топки газотурбинной установки. Продукты сгорания выводятся в атмосферу.
Высокая эффективность теплообмена трубного ряда 1 блока регенеративного воздухоподогревателя, выполненного согласно полезной модели, определяется геометрическими характеристиками теплообменных труб 2, выбранными с использованием приведенных экспериментальных соотношений, учитывающих геометрические параметры при известных свойствах нагреваемой среды - воздуха и охлаждаемой среды -продуктов сгорания ГТУ. При этом полезная модель обеспечивает уменьшение массы и габаритов теплообменных блоков.
Пример №1
Законструировать нечетный ряд пучка теплообменник труб блока регенеративного воздухоподогревателя по данной полезной модели.
Дано: Трубный ряд составлен из четырехветвевых изогнутых труб диаметром 025×1,0 мм. Каждая труба содержит две внешние прямолинейные ветви длиной l', две внутренние прямолинейные ветви каждая длиной l", два внешних колена, образованных каждый двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 и прямолинейной вставкой длиной Н', и одно внутреннее колено, образованное двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 с прямолинейной вставкой Н". Трубы в ряду расположены с шагом а между осями одноименных ветвей и шагом b между осями прямолинейных вставок одноименных колен.
Конструирование трубного ряда производим из условия наиболее плотной набивки труб в блоке.
1
1
1
1
Размеры внутреннего объема блока в плане для размещения образующих пучок рядов теплообменных труб составляют 3130×1650 мм. Исходя из этого задаем размеры элементов трубы №1 l'=3060 мм, l"=2639,5 мм, Н'=480 мм, Н"=0 мм. Шаг между осями одноименных ветвей труб в ряду а=48 мм; шаг между осями колен b=48 мм; радиус гиба R=100 мм.
Параметры остальных труб ряда определяем по приведенным в полезной модели зависимостям.
Результаты приведены в Таблице 1.
Таблица 1
i
Н'<sub>i</sub>, мм
Н"<sub>i</sub>, мм
l'<sub>i</sub>, мм
l"<sub>i</sub>, мм
L<sub>i</sub>, мм
1
480
0
3060
2639,5
13301,5
2
384
96
3012
2645,5
13121,5
3
288
192
2964
2651,5
12941,5
4
192
288
2916
2657,5
12761,5
5
96
384
2868
2663,5
12581,5
6
0
480
2820
2669,5
12401,5
Пример №2
Законструировать четный ряд пучка теплообменных труб блока регенеративного воздухоподогревателя по данной полезной модели.
Дано: Трубный ряд составлен из четырехветвевых изогнутых труб диаметром 025×1,0 мм. Каждая труба содержит две внешние прямолинейные ветви длиной l', две внутренние прямолинейные ветви каждая длиной l", два внешних колена, образованных каждый двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 и прямолинейной вставкой длиной Н', и одно внутреннее колено, образованное двумя гибами радиусом R на угол π/2 и длиной πR/2 с прямолинейной вставкой Н". Трубы в ряду расположены с шагом а между осями одноименных ветвей и шагом b между осями прямолинейных вставок одноименных колен.
Конструирование трубного ряда производим из условия наиболее плотной набивки труб в блоке.
1
1
1
1
Размеры внутреннего объема блока в плане для размещения образующих пучок рядов теплообменных труб составляют 3130×1650 мм. Исходя из этого задаем размеры элементов трубы №1 l'=3036м, l"=2642,5 м, h'=432, Н"=48м. Шаг между осями одноименных ветвей труб в ряду а=48 мм; шаг между осями колен b=48 мм; радиус гиба R=100 мм.
Параметры остальных труб ряда определяем по приведенным в полезной модели зависимостям.
Результаты приведены в Таблице 2.
Таблица 2
i
Н'<sub>i</sub>, мм
H"<sub>i</sub>, мм
l'<sub>i</sub>, мм
l"<sub>i</sub>, мм
L<sub>i</sub>, mm
1
432
48
3036
2642,5
13211,5
2
336
144
2988
2648,5
13031,5
3
240
240
2940
2654,5
12851,5
4
144
336
2892
2660,5
12671,5
5
48
432
2844
2666,5
12491,5