RU2310804C1 - Heat exchanger - Google Patents
Heat exchanger Download PDFInfo
- Publication number
- RU2310804C1 RU2310804C1 RU2006116958/06A RU2006116958A RU2310804C1 RU 2310804 C1 RU2310804 C1 RU 2310804C1 RU 2006116958/06 A RU2006116958/06 A RU 2006116958/06A RU 2006116958 A RU2006116958 A RU 2006116958A RU 2310804 C1 RU2310804 C1 RU 2310804C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- pipes
- common
- housing
- heat exchanger
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании воздухо-воздушных теплообменников на тепловых трубах для промежуточного охлаждения воздуха в многоступенчатом компрессоре, а также воздухоподогревателей на тепловых трубах для регенерации тепла отработавших продуктов сгорания газотурбинных установок стационарного и транспортного назначения.The invention relates to power engineering and can be used to create air-air heat exchangers on heat pipes for intermediate cooling of air in a multi-stage compressor, as well as air heaters on heat pipes for heat recovery of exhaust products of combustion of gas turbine installations of stationary and transport purposes.
Наличие теплообменников в виде воздухоподогревателей значительно повышает экономическую эффективность газотурбинной установки (КПД), но приводит к существенному росту их массогабаритных характеристик. Например, при использовании пластинчатого рекуперативного воздухоподогревателя удельная масса установки увеличивается в 2,5-3 раза, а трубчатого - в 5-8 раз (Арсеньев Л.В. и др. «Стационарные ГТУ», Справочник, Л., Машиностроение, 1989, стр.31, 32). Дальнейшее повышение к.п.д. установки возможно при промежуточном охлаждении воздуха в воздухо-воздушных теплообменниках между ступенями в многоступенчатых компрессорах и регенерацией теплоты уходящих газов (продуктов сгорания) («Энциклопедия», ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др., М., Машиностроение. Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен», Т.1-2, 2001, стр.198.). Поэтому уменьшение массы и габаритов воздушных теплообменников газотурбинных установок является весьма актуальной задачей. Эта задача решается, как известно, за счет интенсификации теплообмена в трактах теплообменников (Дрейцер Г.А. «Проблемы создания компактных трубчатых теплообменных аппаратов», Теплоэнергетика, 1995, №3, стр.11-18). Применение различных интенсификаторов теплообмена приводит не только к усложнению технологии и стоимости изготовления теплообменников, но и к увеличению гидравлического сопротивления в их трактах. Последнее повышает затраты энергии на собственные нужды газотурбинной установки, снижает ее КПД.The presence of heat exchangers in the form of air heaters significantly increases the economic efficiency of a gas turbine unit (COP), but leads to a significant increase in their overall dimensions. For example, when using a plate-type recuperative air heater, the unit mass increases by 2.5-3 times, and the tubular - by 5-8 times (Arsenyev L.V. et al. “Stationary GTU”, Reference Book, L., Engineering, 1989, pg. 31, 32). Further increase in efficiency installation is possible with the intermediate cooling of air in air-air heat exchangers between the stages in multi-stage compressors and the regeneration of the heat of the exhaust gases (combustion products) (Encyclopedia ", ed. advice: K.V. Frolov (previous), etc., M., Mechanical engineering. Theoretical mechanics. Thermodynamics. Heat transfer ", T.1-2, 2001, p.198.). Therefore, reducing the mass and dimensions of air heat exchangers of gas turbine plants is a very urgent task. This problem is solved, as you know, due to the intensification of heat transfer in the paths of heat exchangers (Dreitzer GA "Problems of creating compact tubular heat exchangers", Thermal Engineering, 1995, No. 3, pp. 11-18). The use of various heat transfer intensifiers not only complicates the technology and cost of manufacturing heat exchangers, but also increases the hydraulic resistance in their paths. The latter increases the energy costs for the own needs of a gas turbine installation, reduces its efficiency.
Известны теплообменники, содержащие корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб, установленными в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред, при этом секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения, а секции конденсации труб выведены за пределы корпуса, тепловые трубы зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами, закрепленными в соответствующих смежных стенках корпуса (А.с. SU №1437670 А2, МПК F28D 15/02, от 03.02.87 г., опубл. 15.11.88 г.; А.с. SU №1121576 А, МПК F28D 15/00, от 06.05.83 г., опубл. 30.10.84 г.).Heat exchangers are known that include a housing with a bundle of horizontal rows of heat pipes arranged in each row, installed in each row with gaps forming slotted channels perpendicular to the direction of the heat-exchanging media, while the evaporation sections of the heat pipes are located inside the housing with the formation of a common evaporation zone, and the condensation sections of the pipes removed from the housing, the heat pipes of the evaporation zone are arranged mutually perpendicular alternating rows, fixed in the corresponding adjacent the walls of the body (A.S. SU No. 1437670 A2, IPC F28D 15/02, dated 03.02.87, published on 11/15/08; A.S. SU No. 1115576 A, IPC F28D 15/00, dated 06.05 .83 g., Publ. 30.10.84 g.).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменник, содержащий корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб, установленными в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред, при этом секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения, а секции конденсации труб выведены за пределы корпуса, тепловые трубы зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами, закрепленными в соответствующих смежных стенках корпуса (А.с. SU №1265454 А1, МПК F28D 15/02, от 08.01.85 г., опубл. 23.10.86 г.).The closest in technical essence to the present invention is a heat exchanger comprising a housing with a horizontal array of heat pipes arranged inside a bundle installed in each row with gaps forming slotted channels perpendicular to the direction of the heat-exchanging media, while the evaporation sections of the heat pipes are located inside the housing to form the common evaporation zone, and the condensation sections of the pipes are outside the housing, the heat pipes of the evaporation zone are mutually perpendicular molecular weight alternating rows embodied in respective adjacent walls of the housing (AS SU №1265454 A1, IPC F28D 15/02, of 08.01.85 g, publ. 23.10.86 g).
Недостатком известных конструкций теплообменников на тепловых трубах является невысокая эффективность теплообмена и, соответственно, низкая компактность при использовании газа в качестве теплоносителя в зонах конденсации вследствие отсутствия элементов конструкции, интенсифицирующих теплообмен. Интенсификация теплообмена в известных конструкциях теплообменников осуществляется только в одной зоне испарения за счет компактного (решетчатого) расположения тепловых труб, а в зонах конденсации менее эффективна из-за отсутствия решетчатой структуры поверхности теплообмена, в результате чего интенсификация с единицы поверхности теплообмена в этих зонах значительно снижена.A disadvantage of the known designs of heat exchangers on heat pipes is the low efficiency of heat transfer and, accordingly, low compactness when using gas as a coolant in condensation zones due to the absence of structural elements that intensify heat transfer. Heat transfer intensification in known designs of heat exchangers is carried out only in one evaporation zone due to the compact (lattice) arrangement of heat pipes, and in condensation zones it is less effective due to the absence of a lattice structure of the heat exchange surface, as a result of which the intensification from a unit of heat transfer surface in these zones is significantly reduced .
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении интенсификации теплообмена при уменьшении массогабаритных характеристик теплообменника за счет уменьшения необходимой суммарной поверхности теплообмена.The technical problem solved by the invention is to increase the intensification of heat transfer while reducing the overall dimensions of the heat exchanger by reducing the required total heat transfer surface.
Указанная техническая задача достигается тем, что в теплообменнике на тепловых трубах, выполненном из одного или нескольких однотипных модулей, включающих корпус с размещенным внутри пучком расположенных горизонтальными рядами тепловых труб, установленными в каждом ряду с зазорами, образующими щелевые каналы, перпендикулярно направлению теплообменивающихся сред, при этом секции испарения тепловых труб расположены внутри корпуса с образованием общей зоны испарения, а секции конденсации труб выведены за пределы корпуса, тепловые трубы общей зоны испарения расположены взаимно перпендикулярными чередующимися рядами, закрепленными в соответствующих смежных стенках корпуса, согласно изобретению модуль дополнительно снабжен зеркально расположенным аналогичным корпусом с идентичным размещением и закреплением в нем пучков тепловых труб и общей зоной испарения, причем каждый ряд тепловых труб дополнительного корпуса расположен между соответствующим ему рядом тепловых труб основного корпуса с образованием общих зон конденсации, расположенных в общем корпусе модуля, при этом общие зоны испарения и общие зоны конденсации модуля расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях по диагоналям общего корпуса модуля с образованием отдельных каналов для прохода каждой из теплообменивающихся сред.The specified technical problem is achieved in that in a heat exchanger on heat pipes made of one or several modules of the same type, comprising a housing with horizontal rows of heat pipes placed inside a bundle installed in each row with gaps forming slotted channels, perpendicular to the direction of the heat-exchanging media, when In this section, the evaporation of the heat pipes are located inside the housing with the formation of a common zone of evaporation, and the condensation sections of the pipes are outside the housing, the heat pipes The common evaporation zone is arranged in mutually perpendicular alternating rows fixed in the respective adjacent walls of the casing. According to the invention, the module is additionally equipped with a mirror-like similar casing with identical placement and fixing of heat pipe bundles and a common evaporation zone, each row of heat pipes of the additional casing is located between the corresponding series of heat pipes of the main body with the formation of common condensation zones located in the common module housing, When this common evaporation zone and condensing zone common module arranged in mutually perpendicular planes, along the diagonals of the common casing of the module to form separate channels for the passage of each of teploobmenivayuschihsya media.
Кроме того, однотипные модули установлены в корпусе теплообменника с образованием чередующихся общих зон испарения и общих зон конденсации.In addition, the same type of modules are installed in the heat exchanger housing with the formation of alternating common evaporation zones and common condensation zones.
При этом тепловые трубы могут быть выполнены в виде витых труб овального профиля.In this case, the heat pipes can be made in the form of twisted pipes of an oval profile.
Снабжение модуля дополнительным аналогичным корпусом с идентичным расположением и закреплением в нем пучков тепловых труб, общей зоной испарения и зеркальным расположением дополнительного корпуса относительно основного корпуса создает полностью решетчатую структуру поверхности теплообмена в теплообменнике за счет взаимно перпендикулярного размещения тепловых труб в смежных рядах корпусов в зонах конденсации, что позволяет иметь наиболее развитую поверхность теплообмена в теплообменнике, вызывает увеличение турбулизации потока при внешнем обтекании пучков труб, в результате чего обеспечивается значительное повышение коэффициента теплоотдачи в каждой зоне даже при допустимых потерях напора каждой из теплообменивающихся сред, в результате чего интенсификация теплообмена повышается. За счет взаимно перпендикулярного расположения тепловых труб в смежных рядах уменьшаются массогабаритные характеристики теплообменника, что позволяет изготовить теплообменник максимально компактным, позволяющим снизить гидравлическое сопротивление во внешнем тракте теплообменника, что также способствует увеличению теплоотдачи («Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. Теплообменные аппараты трубчатые». Мигай В.К., Фирсова Э.В. Ответ. редактор Арефьев К.М. АН СССР, Отделение физико-технических проблем энергетики, Научный совет по комплексной проблеме «Теплофизика и термоэнергетика», «Наука», Ленинградское отделение, 1986, стр.48-50). Компактность теплообменника сама по себе является залогом высокой эффективности теплообменной поверхности, так как именно в самой природе компактных поверхностей заложены свойства, обуславливающие высокий коэффициент теплоотдачи (Кейс В.М., Лондон А.Л. «Компактные теплообменники», М., Энергия, 1967 г., стр.13).Providing the module with an additional similar casing with the identical arrangement and fixing of heat pipe bundles in it, a common evaporation zone and a mirror arrangement of the additional casing relative to the main casing creates a completely lattice structure of the heat exchange surface in the heat exchanger due to the mutually perpendicular placement of the heat pipes in adjacent rows of casing in the condensation zones, which allows you to have the most developed heat transfer surface in the heat exchanger, causes an increase in flow turbulization with external flow around the tube bundles, as a result of which a significant increase in the heat transfer coefficient in each zone is ensured even with admissible pressure losses of each of the heat-exchanging media, as a result of which the heat transfer intensification increases. Due to the mutually perpendicular arrangement of the heat pipes in adjacent rows, the mass and size characteristics of the heat exchanger are reduced, which makes it possible to make the heat exchanger as compact as possible, which reduces the hydraulic resistance in the external path of the heat exchanger, which also helps to increase heat transfer ("Heat transfer and hydraulic resistance of tube bundles. Tube heat exchangers." Migai V.K., Firsova E.V. Answer: Editor Arefyev K.M. Academy of Sciences of the USSR, Department of Physico-Technical Problems of Power Engineering, Scientific honest advice on the complex problem "Thermophysics and termoenergetika", "Nauka", Leningrad branch, 1986 str.48-50). The compactness of the heat exchanger in itself is the key to the high efficiency of the heat exchange surface, since it is the very nature of compact surfaces that contains the properties that lead to a high heat transfer coefficient (Case VM, London A. Compact heat exchangers, M., Energy, 1967 city, p. 13).
Кроме того, в предлагаемой конструкции теплообменника с решетчатой компоновкой трубного пучка происходит периодический срыв вихрей и обновление пристенного слоя из-за изменения ориентации осей формирующихся вблизи стенок вихревых структур. Это приводит не только к росту теплоотдачи, но и снижению потерь давления в таком пучке. По опытным данным Мигая В.К. и Новожилова И.Ф., коэффициент теплоотдачи увеличивается на 28%, а гидравлическое сопротивление уменьшается на 20% относительно трубных пучков с шахматным или коридорным расположением труб (Мигай В.К., Фирсова Е.В., там же, стр.49). При условии равенства коэффициентов теплоотдачи по газу в зонах конденсации и испарения тепловых труб между теплообменивающимися средами коэффициент теплопередачи, являющийся функцией двух величин, достигает максимума и увеличивается примерно на 12%, что определяет заметную экономию материала и снижение габаритных размеров теплообменника.In addition, in the proposed design of the heat exchanger with the lattice arrangement of the tube bundle, the vortices are periodically disrupted and the wall layer is updated due to a change in the orientation of the axes formed near the walls of the vortex structures. This leads not only to an increase in heat transfer, but also to a decrease in pressure losses in such a beam. According to experimental data, V. Migai and Novozhilova I.F., heat transfer coefficient increases by 28%, and hydraulic resistance decreases by 20% relative to tube bundles with a checkerboard or corridor arrangement of pipes (Migai V.K., Firsova E.V., ibid., p. 49) . Provided that the heat transfer coefficients for gas in the zones of condensation and evaporation of heat pipes are equal between the heat exchanging media, the heat transfer coefficient, which is a function of two values, reaches a maximum and increases by about 12%, which determines a noticeable material saving and a decrease in the overall dimensions of the heat exchanger.
Снабжение теплообменника дополнительной общей зоной испарения и общими зонами конденсации и расположение их во взаимно перпендикулярных плоскостях по диагоналям общего корпуса модуля позволяет объединить в теплообменнике патрубки для каждой из общих зон, а следовательно, уменьшить их количество для прохода каждой из теплообменивающихся сред, что уменьшает массогабаритные характеристики теплообменника и позволяет изготовить теплообменник наиболее компактным.Providing the heat exchanger with an additional common evaporation zone and common condensation zones and arranging them in mutually perpendicular planes along the diagonals of the module’s common housing allows you to combine the nozzles for each of the common zones in the heat exchanger and, therefore, reduce their number for the passage of each of the heat-exchanging media, which reduces overall dimensions heat exchanger and allows you to make the heat exchanger the most compact.
Размещение тепловых труб в горизонтальной плоскости обеспечивает одинаковые условия работы для каждой из зон конденсации или испарения, поскольку при другой ориентации тепловых труб в пространстве необходимо учитывать силы гравитации. Тепловые трубы, в которых передача теплоты производится в направлении, противоположном силам гравитации, могут иметь максимальный перепад высот зон конденсации и испарения около 0,4 м при использовании существующих пористых наполнителей (Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Пер. с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др. М., Энергоатомиздат, 1987, т.2, стр.105).Placing heat pipes in a horizontal plane provides the same operating conditions for each of the condensation or evaporation zones, since with a different orientation of the heat pipes in space, gravitational forces must be taken into account. Heat pipes in which heat is transferred in the opposite direction to the gravitational forces can have a maximum height difference of the condensation and evaporation zones of about 0.4 m when using existing porous fillers (Guide to heat exchangers: In 2 vols. Transl. From English. edited by O.G. Martynenko et al. M., Energoatomizdat, 1987, v. 2, p. 105).
Теплообменник из нескольких модулей при квадратной планировке может быть изготовлен из четырех, шестнадцати, тридцати шести и т.д. модулей и при размещении их в корпусе с чередованием общих зон испарения и общих зон конденсации позволяет оптимизировать параметры тепловых труб: тепловую мощность, длину испарительной или конденсаторной частей тепловых труб, а также удельные тепловые потоки, проходящие перпендикулярно и вдоль оси тепловой трубы, а также объединить патрубки в теплообменнике за счет создания общих зон и сократить их количество для прохода теплообменивающихся сред, в результате чего массогабаритные размеры теплообменника уменьшаются, что является важным свойством с учетом потребностей потребителя. Соединение модулей в теплообменнике возможно любым способом, однако квадратная планировка является наиболее оптимальной с точки зрения массогабаритных характеристик.The heat exchanger of several modules with a square layout can be made of four, sixteen, thirty-six, etc. modules and when placing them in the housing with alternating common evaporation zones and common condensation zones allows you to optimize the parameters of the heat pipes: thermal power, the length of the evaporative or condenser parts of the heat pipes, as well as the specific heat fluxes passing perpendicularly along the axis of the heat pipe, and also combine pipes in the heat exchanger due to the creation of common zones and reduce their number for the passage of heat-exchanging media, as a result of which the overall dimensions of the heat exchanger are reduced, which is important th property to meet customer needs. The connection of the modules in the heat exchanger is possible in any way, however, the square layout is the most optimal in terms of weight and size characteristics.
Выполнение тепловых труб теплообменника полностью витыми по всей длине овального профиля с постоянным зазором между трубами в слоях обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве за счет модификации геометрии поверхности труб, а также изменения геометрии канала, в результате чего происходит разрушение пограничного слоя от криволинейной поверхности тепловых труб и закрутка потока теплообменивающихся сред в витых каналах труб сложной формы, что и способствует интенсификации теплообмена без увеличения скорости движения теплообменивающихся сред. Спиралеобразное течение среды в межтрубном пространстве витых труб приводит к возникновению поперечных составляющих скорости, дополнительной турбулизации, возникновению вторичной циркуляции потока, что обеспечивает выравнивание температурного поля в межтрубном пространстве и повышение эффективности работы теплообменника. Расположение витых труб овального профиля приводит и к уменьшению массогабаритных характеристик теплообменника за счет более плотной упаковки труб в объеме теплообменника при одинаковых омываемых периметрах труб и одинаковых тепловых мощностях сравниваемых теплообменников вследствие использования гидродинамической интенсификации теплообмена. При заданной тепловой мощности и тех же гидравлических потерях применение пучков витых тепловых труб вместо прямых круглых труб позволяет примерно на 20-30% уменьшить массу и объем теплообменника. Поперечное обтекание витой трубы в пучке существенно отличается от обтекания труб круглой формы, поскольку на характер течения оказывают влияние соседние трубы. При этом течение в пучке витых труб зависит от их взаимного расположения и шагов закрутки овального профиля. В теплообменнике с поперечным обтеканием пучков витых труб осуществляются два различных варианта взаимного расположения труб. Для одного из них ширина проходного канала в одном ряду периодически изменяется вдоль тепловых труб от нуля до максимального значения, равного разности максимального и минимального размеров овала. В случае использования витых тепловых труб последние устанавливаются в каждом поперечном ряду с зазорами, образующими по длине труб щелевые каналы с шириной, примерно равной половине разности между максимальным и минимальным размерами овала, причем трубы имеют касания только с трубами соседних рядов. Экспериментальные данные показывают, что в среднем теплоотдача пучков витых труб с переменной шириной канала на 10% больше, чем у пучка труб круглой формы. Для пучков витых труб с постоянными щелевыми каналами теплоотдача в среднем на 25-33% выше, чем средняя теплоотдача для пучков витых труб с переменными каналами между соседними трубами, и на 30-40% выше, чем в гладкотрубном пучке. Таким образом, применение витых труб овального профиля в силу еще большей турбулизации потока позволит улучшить массогабаритные характеристики решетчатых трубных пучков относительно решетчатых пучков из труб гладкой формы и тем самым повысить интенсификацию теплообмена.The implementation of the heat pipes of the heat exchanger completely twisted along the entire length of the oval profile with a constant gap between the pipes in the layers provides an increase in the heat transfer coefficient in the annular space by modifying the geometry of the surface of the pipes, as well as changing the geometry of the channel, resulting in the destruction of the boundary layer from the curved surface of the heat pipes and swirling the flow of heat-exchanging media in twisted channels of pipes of complex shape, which contributes to the intensification of heat transfer without increasing the speed spine movement teploobmenivayuschihsya environments. The spiral flow of the medium in the annular space of the twisted pipes leads to the appearance of transverse velocity components, additional turbulization, the appearance of the secondary circulation of the flow, which ensures equalization of the temperature field in the annular space and increases the efficiency of the heat exchanger. The location of the oval-shaped twisted pipes also leads to a decrease in the mass and size characteristics of the heat exchanger due to a denser packing of pipes in the heat exchanger volume with the same pipe perimeters washed and the heat exchangers being compared the same heat exchangers due to the use of hydrodynamic heat transfer intensification. For a given heat output and the same hydraulic losses, the use of bundles of twisted heat pipes instead of straight round pipes can reduce the mass and volume of the heat exchanger by about 20-30%. The transverse flow around a twisted pipe in a bundle differs significantly from the flow around a round pipe, since neighboring pipes influence the nature of the flow. In this case, the flow in a bundle of twisted pipes depends on their relative position and the steps of twisting the oval profile. In a heat exchanger with a transverse flow around bundles of twisted pipes, two different variants of the mutual arrangement of pipes are carried out. For one of them, the width of the passage channel in one row periodically varies along the heat pipes from zero to a maximum value equal to the difference between the maximum and minimum sizes of the oval. In the case of using twisted heat pipes, the latter are installed in each transverse row with gaps forming slit channels along the length of the pipes with a width approximately equal to half the difference between the maximum and minimum sizes of the oval, with the pipes touching only the pipes of adjacent rows. Experimental data show that, on average, the heat transfer of bundles of twisted pipes with a variable channel width is 10% greater than that of a round tube bundle. For bundles of twisted pipes with constant slotted channels, the heat transfer is on average 25-33% higher than the average heat transfer for bundles of twisted pipes with variable channels between adjacent pipes, and 30-40% higher than in a smooth tube bundle. Thus, the use of oval-shaped twisted pipes due to even greater turbulence in the flow will improve the weight and size characteristics of the lattice tube bundles relative to the lattice bundles of smooth pipes and thereby increase the heat transfer.
На фиг.1 показан теплообменник из одного модуля с послойным расположением тепловых труб без корпуса;Figure 1 shows a heat exchanger from one module with a layered arrangement of heat pipes without a housing;
на фиг.2 показано расположение патрубков на корпусе для подвода и отвода нагреваемой и охлаждаемой сред в одном модуле;figure 2 shows the location of the nozzles on the housing for supplying and discharging heated and cooled media in one module;
на фиг.3 схематично показан теплообменник из четырех модулей с расположением общих зон испарения по диагоналям корпуса с образованием в середине корпуса общей зоны испарения (квадратная планировка);figure 3 schematically shows a heat exchanger of four modules with the location of the common evaporation zones along the diagonals of the housing with the formation in the middle of the housing of a common evaporation zone (square layout);
на фиг.4 показано расположение патрубков на корпусе для подвода и отвода нагреваемой и охлаждаемой среды в теплообменнике из четырех модулей;figure 4 shows the location of the nozzles on the housing for supplying and discharging a heated and cooled medium in a heat exchanger of four modules;
на фиг.5 схематично показан теплообменник из 4, 16 и 36 модулей (квадратная планировка);figure 5 schematically shows a heat exchanger of 4, 16 and 36 modules (square layout);
на фиг.6 показан модуль теплообменника с витыми трубами в аксонометрии.figure 6 shows a module of a heat exchanger with twisted pipes in a perspective view.
Теплообменник из одного модуля содержит корпус 1 (фиг.1), в котором расположен пучок тепловых труб 2. Тепловые трубы 2 в корпусе 1 расположены горизонтальными слоями. В каждом слое тепловые трубы 2 размещены параллельно друг другу и с зазором между собой. Смежные слои 3 и 4 труб 2 повернуты относительно друг друга на 90°, таким образом, поверхность теплообмена представляет собой решетчатую поверхность с шахматным расположением тепловых труб 2. Тепловые трубы 2 закреплены в соответствующих им двух смежных сторонах, расположенных внутри корпуса 1 и выполняющих функцию перегородок 5 и 6. Так, слои 3 тепловых труб 2 закреплены в перегородке 5, а слои 4 тепловых труб 2 закреплены в перегородке 6. При этом секции испарения 7 и секции конденсации 8 смежных слоев 3 и 4 труб 2 расположены по разные стороны соответствующей им перегородки 5 и 6 и совмещены с образованием в корпусе 1 двух общих зон испарения И и двух общих зон конденсации К. Общие зоны испарения И и конденсации К расположены по диагоналям корпуса 1 во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом общие зоны испарения И изолированы друг от друга смежными перегородками 5 и 6. Секции испарения 7 и секции конденсации 8 тепловых труб 2 выполнены одного размера, что создает условия равенства коэффициентов теплоотдачи в зонах конденсации и испарения. При условии равенства коэффициентов теплоотдачи в зонах коэффициент теплопередачи между теплообменивающимися средами увеличивается на 12%, что определяет заметную экономию материала и снижение габаритных размеров теплообменника. Тепловые трубы 2 заполнены промежуточным теплоносителем, например водой, а внутреннее их устройство выполнено по любой известной технологии (Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. «Что такое тепловая труба?», М., Энергия, 1971; Дан П.Д., Рей Д.А. «Тепловые трубы». Пер. с англ., М., Энергия, 1979; Ивановский М.И., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. «Физические основы тепловых труб», М., Атомиздат, 1978). Теплообменник снабжен четырьмя патрубками по два патрубка для прохода одной из теплообменивающихся сред. Патрубки 9 служат для подвода нагреваемой среды 10 и расположены над зонами испарения И (фиг.2). Патрубки 11 служат для отвода охлаждаемой среды 12 и расположены над зонами конденсации К. Нагреваемая 10 и охлаждаемая 12 среды направлены перпендикулярно горизонтальным слоям 3 и 4 тепловых труб 2, причем каналы сред 10 и 12 отделены друг от друга перегородками 5 и 6.The heat exchanger from one module contains a housing 1 (Fig. 1), in which a bundle of
Теплообменник может состоять из четырех модулей I (фиг.5). Симметричная конструкция теплообменника из четырех модулей при квадратной планировке содержит общий корпус 13, в перегородки 5 и 6 которых установлены тепловые трубы 2 (фиг.3). Габаритные размеры теплообменника из четырех и одного модулей имеют одинаковые размеры. Модули в общем корпусе 13 установлены так, что зоны испарения И модулей расположены по его диагоналям с образованием в середине корпуса 13 общей зоны испарения И0. Теплообменник снабжен объединенными патрубками для прохода теплообменивающихся сред. Над зонами испарения И и И0 расположены патрубки 14 и 15 для подвода нагреваемой среды 10 соответственно (фиг.4). Над зонами конденсации К размещены патрубки 16 для отвода охлаждаемой среды 12.The heat exchanger may consist of four modules I (figure 5). The symmetric design of the heat exchanger of four modules with a square layout contains a
В качестве варианта при квадратной планировке теплообменник может быть выполнен еще и из шестнадцати II и тридцати шести модулей III (фиг.5), в которых имеются общие зоны испарения И0 и общие зоны конденсации К0, над которыми размещены объединенные патрубки для подвода нагреваемой и охлаждаемой среды (на чертеже не показаны).Alternatively, with a square layout, the heat exchanger can also be made of sixteen II and thirty-six modules III (Fig. 5), in which there are common evaporation zones And 0 and common condensation zones K 0 , over which are placed the combined nozzles for supplying heated and cooled medium (not shown in the drawing).
В качестве варианта тепловые трубы 2 могут быть полностью выполнены полностью витыми (фиг.6), расположены с зазором между трубами в рядах для поперечного обтекания среды, обеспечивающих повышение интенсификации теплоотдачи без увеличения скорости движения теплоносителей.Alternatively, the
Теплообменник работает следующим образом.The heat exchanger operates as follows.
Передача тепла от зон испарения в зоны конденсации в теплообменнике осуществляется за счет изменения агрегатного состояния промежуточного теплоносителя в тепловых трубах под действием противоточного направления нагреваемой и охлаждаемой сред, проходящих через соответствующие им патрубки теплообменника.Heat is transferred from the evaporation zones to the condensation zones in the heat exchanger due to a change in the aggregate state of the intermediate coolant in the heat pipes under the action of the countercurrent direction of the heated and cooled media passing through the corresponding heat exchanger tubes.
Так, в теплообменнике из одного модуля нагреваемая среда 10 через патрубки 9 и охлаждаемая среда 12 через патрубки 11, а в теплообменнике из нескольких модулей - через патрубки 14, 15 и 16 соответственно - движутся через решетчатый пучок тепловых труб 2, образованный секциями испарения 7 в зонах испарения И и И0 и секциями конденсации 8 в зонах конденсации К. В качестве нагреваемой 10 и охлаждаемой 12 сред используется «газ-газ», потоки которых движутся противоточно друг другу. При прохождении охлаждаемой среды 12 через зоны испарения И и И0 тепло через стенки тепловых труб 2 передается промежуточному теплоносителю за счет изменения его агрегатного состояния, находящегося внутри тепловых труб 2, а именно за счет испарительно-конденсационного цикла в тепловых трубах 2 происходит теплообмен между охлаждаемой 12 и нагреваемой 10 средами. Конденсат, образовавшийся внутри тепловых труб 2 за счет сил поверхностного натяжения промежуточного теплоносителя, возвращается в секцию испарения, где затем снова испаряется.So, in a heat exchanger from one module, the heated medium 10 through the
В качестве иллюстрации вышесказанного представлены расчетные сравнительные характеристики известного теплообменника с W-образными трубным пучком с шахматным расположением труб и заявленного теплообменника с решетчатым пучком тепловых труб, состоящего из одного модуля и симметричной конструкции из четырех модулей. Результаты представлены в таблице. В качестве теплообменника был выбран регенератор для газотурбинных установок мощностью 6 МВт и охладитель для газотурбинных установок мощностью 100 МВт. Расчеты показали, что при одинаковых параметрах теплообменников коэффициент теплоотдачи охлаждаемой среды (п.1.10 таблицы) предлагаемого теплообменника и коэффициент теплоотдачи нагреваемой среды (п.1.11, там же) даже при меньшей поверхности теплообмена (п.1.9, там же) и относительных потерях напора охлаждаемой и нагреваемой сред в трубном пучке (п.1.12 и 1.13 там же) значительно выше, при этом коэффициент теплоотдачи теплообменников из одного модуля или из четырех модулей при одинаковых габаритных размерах остается неизменным.As an illustration of the above, the calculated comparative characteristics of the known heat exchanger with a W-shaped tube bundle with a checkerboard arrangement of pipes and the claimed heat exchanger with a trellised bundle of heat pipes, consisting of one module and a symmetrical design of four modules are presented. The results are presented in the table. As a heat exchanger, a regenerator for gas turbine units with a capacity of 6 MW and a cooler for gas turbine units with a capacity of 100 MW were selected. The calculations showed that with the same parameters of the heat exchangers, the heat transfer coefficient of the cooled medium (table clause 10) of the proposed heat exchanger and the heat transfer coefficient of the heated medium (clause 11.11, ibid.) Even with a smaller heat exchange surface (clause 1.9, ibid.) And relative pressure losses cooled and heated environments in the tube bundle (p.1.12 and 1.13 in the same place) is much higher, while the heat transfer coefficient of heat exchangers from one module or from four modules with the same overall dimensions remains unchanged.
Таким образом, при расположении теплообменного трубного пучка предлагаемым образом значительно увеличивается интенсификация теплообмена предлагаемого теплообменника, одновременно уменьшаются и массогабаритные характеристики теплообменника, позволяющие изготовить теплообменник максимально компактным.Thus, when the location of the heat exchange tube bundle in the proposed manner, the heat transfer intensification of the proposed heat exchanger is significantly increased, and the overall dimensions of the heat exchanger are reduced, allowing the heat exchanger to be made as compact as possible.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006116958/06A RU2310804C1 (en) | 2006-05-17 | 2006-05-17 | Heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006116958/06A RU2310804C1 (en) | 2006-05-17 | 2006-05-17 | Heat exchanger |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2310804C1 true RU2310804C1 (en) | 2007-11-20 |
Family
ID=38959472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006116958/06A RU2310804C1 (en) | 2006-05-17 | 2006-05-17 | Heat exchanger |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2310804C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114413657A (en) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 合肥通用机械研究院有限公司 | Matrix type high-temperature gas cooler |
-
2006
- 2006-05-17 RU RU2006116958/06A patent/RU2310804C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114413657A (en) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 合肥通用机械研究院有限公司 | Matrix type high-temperature gas cooler |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8708035B2 (en) | Heat exchanger in a modular construction | |
| US3335790A (en) | Heat exchanger with crossing helicoidal tubes | |
| US8240365B2 (en) | Heat exchanger | |
| US4475586A (en) | Heat exchanger | |
| RU2717732C2 (en) | Condensing heat exchanger equipped with heat exchanging device | |
| CN103238037A (en) | Heat exchanger, and all-in-one air conditioner equipped therewith | |
| CN103411454A (en) | Tube type heat exchanger with outer-protruding-type corrugated tubes arranged in staggering mode | |
| EA037011B1 (en) | Heat exchange unit for devices with a heat pump, in particular evaporator for manufacturing and storing ice | |
| CN1187563C (en) | Evaporator and refrigerator | |
| RU2310804C1 (en) | Heat exchanger | |
| Moisseytsev et al. | Heat exchanger options for dry air cooling for the sco2 brayton cycle | |
| JP3700481B2 (en) | Heat exchanger | |
| JP2005127529A (en) | Heat exchanger | |
| RU2378594C1 (en) | Heat exchanger | |
| US3294161A (en) | Heat exchangers | |
| RU201175U1 (en) | Air cooling heat exchanger | |
| SE441303B (en) | HEAD EXCHANGER WITH PARALLEL ROWS WITH RECTANGULATED SECTION WITH SPRING SPACES AT CERTAIN SPACES, WHICH USE AS DISTANCE ELEMENTS | |
| RU2328682C1 (en) | Heat exchanger | |
| CN113716011A (en) | Auxiliary cooling system for pump for ship | |
| US4962810A (en) | Heat exchanger | |
| RU176496U1 (en) | HEAT EXCHANGE DEVICE | |
| KR20210000499A (en) | Multiple heat exchanger | |
| JP3810728B2 (en) | Laminate heat exchanger | |
| EP1259773B1 (en) | Improvements in or relating to heat exchangers | |
| JP2016506487A (en) | Heat exchanger assembly |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120518 |