ТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК 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 воздухоподогреватель (SU №992920, F 12 L 15/04, 1983 г.), содержащий расположенные один над другим и установленные на нижнем каркасе блоки теплообменных секций, образованные вертикальными трубками с горизонтальными трубными досками, жестко скрепленными между собой и верхним распределительным коробом, снабженным компенсатором температурных изменений, при этом воздухоподогреватель снабжен силовым поясом с пружинными опорами, охватывающими распределительный короб, жестко скрепленный с поясом в зоне ниже своего компенсатора, а участком выше последнего взаимодействующий с его пружинными опорами.
Известен регенеративный воздухоподогреватель (SU, №985595, F 12 L 15/04, 1982 г.), содержащий трубную доску с закрепленным в ней пучком теплообменных труб, установленных вертикальными рядами, плоскости которых перпендикулярны к опорным краям трубной доски, при этом для снижения термических напряжений трубы в местах закрепления пучка труб в трубных досках трубы в рядах на участках, расположенных со стороны опорных краев трубной доски, соединены между собой и с трубными досками дополнительными проставками.
К недостаткам описанных выше устройств относится сложность их конструкции и металлоемкость. В первом аналоге нагрузка от верхнего распределительного короба воспринимается через блоки теплообменных секций нижним каркасом, в связи с чем потребовалось введение силового пояса с пружинными опорами. Во втором аналоге для снижения термических напряжений потребовалось введение проставок, объединяющих трубы между собой и с трубной доской.
Ближайшим аналогом является регенеративный воздухоподогреватель (RU, №31838 F 23 L 15/04, 2002 г.), содержащий пространственный каркас, днище, верхнюю крышку и торцевые стены, коллекторы подвода и отвода нагреваемой
среды с трубными досками и теплообменные блоки, имеющие однопакетные четырехходовые пучки теплообменных труб, образующих в каждом ряду прямолинейные ветви - две внутренние и две внешние, торцы теплообменных труб соединены с коллекторами подвода и отвода воздуха, отдельными трубными досками, вваренными непосредственно в стенку соответствующего коллектора.
К недостаткам ближайшего аналога относится то, что он не обеспечивает высокой тепловой эффективности, а также компактности укладки теплообменных труб при обеспечении прочности и жесткости конструкции, вследствие чего ближайший аналог обладает повышенной металлоемкостью.
Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение эффективности теплообмена при одновременном повышении прочности и жесткости конструкции и снижении металлоемкости.
Поставленная задача решается за счет того, что теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, предпочтительно блочно-секционного, содержит состоящий из пространственного каркаса, днища, верхней крышки и торцевых стен корпус, коллекторы подвода и отвода нагреваемой среды с трубными досками и многоходовой многорядный пучок теплообменных труб, образующих соответственно в каждом ряду четное число прямолинейных многотрубных ветвей, в том числе, по крайней мере, двух внутренних и двух внешних, объединенных участками с гибами преимущественно постоянного для всех труб пучка радиуса, при этом днище, крышка и одна из торцевых стен корпуса блока выполнены в виде панелей с обвязкой из элементов жесткости, образующих по крайней мере в пределах каждой панели плоские стержневые системы, а пространственный каркас блока образован совокупностью плоских стержневых систем каркасов указанных панелей с объединяющими их промежуточными стойками и жестко связанными с ними корпусами коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды, которые, в свою очередь, соединены с днищем блока и между собой двухкольцевыми диафрагмами и вытеснителем межтрубной среды, причем части корпусов коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды с вмонтированными в них трубными досками и вытеснителем межтрубной среды образуют в совокупности пространственно развитую жесткую торцевую стенку корпуса блока, а по продольным сторонам каркас выполнен с возможностью крепления соответственно элементов диффузора и конфузора для подвода и отвода охлаждаемой среды, при этом площадь поперечного
сечения каждого из коллекторов составляет 1,8-3,5 от суммарной площади проходного сечения теплообменных труб в блоке.
Вытеснитель межтрубной среды может быть выполнен в виде профилированной панели с плоским участком, расположенным в плоскости наружных поверхностей трубных досок пучка теплообменных труб.
На днище корпуса могут быть закреплены гребенки для, по крайней мере, внутренних ветвей нижнего ряда теплообменных труб.
Теплообменный блок может быть снабжен закрепленными на днище и каркасе корпуса блока дистанцирующими элементами для теплообменных труб внешних ветвей пучка в виде дистанцирующих решеток, причем упомянутые теплообменные трубы могут быть пропущены через отверстия дистанцирующих решеток, а последующие ряды теплообменных труб в зоне внутренних ветвей могут быть отделены дистанцирующими планками складчатой формы, которые прикреплены к стойкам, установленным на днище.
Коллекторы подвода и отвода нагреваемой среды могут быть выполнены с люками-лазами, расположенными со стороны днища блока, при этом крышки люков-лазов шарнирно закреплены на корпусах коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды.
Вытеснитель межтрубной среды может быть выполнен в виде профилированной панели с плоским участком, внутренняя поверхность которого расположена между коллекторами в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок или может быть выполнен в виде плоской панели, приваренной к стенкам коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды так, что ее внутренняя поверхность расположена в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок.
Блок может быть снабжен скобами для прикрепления наружной теплоизоляции.
На внутренних стенках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды могут быть установлены опоры, образующие лестницу для осмотра и технического обслуживания коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды и трубных досок.
Теплообменный блок может быть оборудован средствами для прикрепления диффузора для подвода и конфузора для отвода охлаждаемой среды, установленными на противолежащих боковых элементах пространственного каркаса блока.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой полезной модели, заключается в создании условий для эффективного теплообмена при обтекании четырехходового многорядного пучка теплообменных труб, заполненных нагреваемым воздухом, высокотемпературными продуктами сгорания, в том числе в зоне торцевой стенки блока, а также в повышении жесткости и прочности конструкции, работающей в условиях высоких температур, при одновременном снижении металлоемкости.
Достижение технического результата обеспечивается за счет включения в силовую схему корпуса блока воздухоподогревателя торцевой стенки, образованной из частей корпусов коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды с трубными досками и вытеснителем межтрубной среды, при этом должно быть соблюдено соотношение между площадью проходного сечения теплообменных труб, выполненных многоходовыми однопакетными, и площадью проходного сечения одного из коллекторов подвода или отвода нагреваемой среды. Высокая эффективность теплообмена регенеративного воздухоподогревателя при заданных свойствах теплоносителя достигается за счет описанной выше конструкции одной из торцевых стенок, исключающей возникновение застойных зон в торце теплообменного блока, при использовании дистанцирующих элементов, имеющих различную конструкцию для внешних и внутренних ветвей пучка теплообменных труб, обеспечивающих хорошую омываемость их поверхности продуктами сгорания и надежную объемную фиксацию теплообменных труб. Наряду с эффективным теплообменом, пространственно развитая конструкция торцевой стенки, образованной коллекторами с вмонтированными в них трубными досками и конструкцией вытеснителя межтрубной среды, обеспечивает прочность и жесткость конструкции при одновременном снижении металлоемкости.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - главный вид регенеративного воздухоподогревателя;
на фиг.2 - регенеративный воздухоподогреватель, вид сверху;
на фиг.3 - секция регенеративного воздухоподогревателя, главный вид;
на фиг.4 - секция регенеративного воздухоподогревателя, вид сбоку;
на фиг.5 - теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя;
на фиг.6 - узел А на фиг.4;
на фиг.7 - сечение Б-Б на фиг.4;
на фиг.8 - теплообменный блок регенеративного воздухоподогревателя, вид сверху.
Регенеративный воздухоподогреватель, преимущественно блочно-секционный, содержит две секции 1, каждая из которых состоит, по меньшей мере, из двух теплообменных блоков 2, установленных один над другим внутри корпуса секции. В предпочтительном варианте исполнения секция 1 содержит четыре теплообменных блока 2.
Каждый теплообменный блок 2 включает корпус 3, образованный из пространственного каркаса, днища, верхней крышки и торцевых стен, коллекторы подвода 4 и отвода 5 нагреваемой среды, которые соединены с теплообменными трубами 6 посредством отдельных трубных досок 7 и 8. Теплообменные трубы 6 образуют многоходовой многорядный пучок, имеющий в каждом ряду четное число прямолинейных многотрубных ветвей, в том числе, по крайней мере, двух внутренних и двух внешних, объединенных участками с гибами постоянного для всех труб пучка радиуса R.
Днище 9, верхняя крышка 10 и одна из торцевых стен 11 корпуса блока выполнены в виде панелей с обвязкой из элементов жесткости, образующих плоские стержневые системы 12.
Пространственный каркас блока 2 образован совокупностью плоских стержневых систем каркасов панелей с объединяющими их промежуточными стойками 13 и жестко связанными с ними корпусами коллекторов 4 и 5, которые, в свою очередь, соединены с днищем 9 блока 2 и между собой двухкольцевыми диафрагмами и вытеснителем 14 межтрубной среды. Части корпусов коллекторов подвода 4 и отвода 5 нагреваемой среды с вмонтированными в них трубными досками 7 и 8 и вытеснителем 14 межтрубной среды образуют в совокупности пространственно развитую жесткую торцевую стенку 15 корпуса блока 2. По продольным сторонам каркас выполнен с возможностью крепления соответственно элементов диффузора 16 и конфузора 17 для подвода и отвода охлаждаемой среды.
Площадь поперечного сечения каждого из коллекторов 4 или 5 составляет 0,45-0,82 от суммарной площади проходного сечения теплообменных труб б в блоке 2.
Вытеснитель 14 межтрубной среды представляет собой профилированную панель с плоским участком 18, расположенным в плоскости наружных поверхностей
трубных досок 7 и 8 пучка теплообменных труб.
На днище 9 корпуса закреплены гребенки 19 для, по крайней мере, внутренних ветвей нижнего ряда теплообменных труб 6.
Теплообменный блок имеет закрепленные на днище 9 и каркасе корпуса 3 блока дистанцирующие элементы для теплообменных труб внешних ветвей пучка в виде дистанцирующих решеток, причем теплообменные трубы внешних ветвей пучка пропущены через отверстия дистанцирующих решеток.
Ряды теплообменных труб 6 в зоне внутренних ветвей отделены дистанци-рующими планками 20 складчатой формы, которые прикреплены к стойкам, установленным на днище 9.
Коллекторы подвода 4 и отвода 5 нагреваемой среды выполнены с люками-лазами, расположенными со стороны днища блока, при этом крышки 21 люков-лазов шарнирно закреплены на корпусах коллекторов подвода 4 и отвода 5 нагреваемой среды с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии коллекторов подвода 4 и отвода 5 нагреваемой среды.
Вытеснитель 14 межтрубной среды может быть выполнен в виде профилированной панели с плоским участком, внутренняя поверхность которого расположена между коллекторами подвода 4 и отвода 5 нагреваемой среды в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок 7 и 8 или может быть выполнен в виде плоской панели, приваренной к стенкам коллекторов подвода 4 и отвода 5 нагреваемой среды так, что ее внутренняя поверхность расположена в одной плоскости с наружной плоскостью трубных досок 7 и 8.
Блок может быть снабжен скобами для прикрепления наружной теплоизоляции.
На внутренних стенках коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды могут быть установлены опоры, образующие лестницу для осмотра и технического обслуживания коллекторов подвода и отвода нагреваемой среды и трубных досок.
Теплообменный блок может быть оборудован средствами для прикрепления диффузора 1 6 для подвода и конфузора 17 для отвода охлаждаемой среды, установленными на противолежащих боковых элементах пространственного каркаса блока.
Работа регенеративного воздухоподогревателя осуществляется следующим образом.
Воздух, предназначенный для топки газотурбинной установки, поступает в компрессор, в котором подвергается сжатию, а затем по трубопроводу подвода через коллектор 4 подвода нагреваемой среды и трубную доску 7 подается в теплообменные трубы 6 блоков 2 каждой секции. Температура воздуха после компрессора составляет около 200°С.
Продукты сгорания приведенного выше состава от турбины ГТУ через диффузор 16, примыкающий к корпусу теплообменного блока 2, поступают внутрь блока 2 секции и омывают теплообменные трубы 6 с нагреваемым воздухом. Подвод продуктов сгорания к теплообменным блокам 2 производится в противотоке с направлением движения нагреваемого воздуха, то есть продукты сгорания поступают в теплообменный блок 2 со стороны расположения коллектора отвода 5 нагреваемого воздуха. На входе в теплообменный блок 2 продукты сгорания имеют температуру 520-550°С.
Проходя по теплообменным трубам 6 блоков 2, воздух нагревается продуктами сгорания до температуры 440-450°С и через трубную доску 8 поступает в коллектор 5 отвода нагреваемой среды, из которого по трубопроводу подается на вход топки ГТУ.
Продукты сгорания выводятся в атмосферу через конфузор 17, примыкающий к корпусу теплообменных блоков 2.