Теплоутилізатор-повітропідігрівач газотурбінної установки

Реферат: Теплоутилізатор-повітропідігрівач газотурбінної установки містить поверхню теплообміну у вигляді поперечно омиваного зовнішнім теплоносієм пучка профільних труб з лінійним (коридорним) або трикутним (шаховим) компонуванням і колектори з трубними дошками. Профільні труби мають плоскоовальну форму в поперечному перерізі, причому вздовж вектора швидкості потоку зовнішнього теплоносія орієнтовані більші з осей поперечного перерізу труб. UA 93293 U (54) ТЕПЛОУТИЛІЗАТОР-ПОВІТРОПІДІГРІВАЧ ГАЗОТУРБІННОЇ УСТАНОВКИ UA 93293 U UA 93293 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі енергетики і може бути використана при розробці утилізаторів теплоти відхідних потоків від паливо-та енерговикористовуючого устаткування. Відомий теплообмінник (див. книгу П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, , В.М. Селиверстов. Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 7, 8, рис. 1.1а; с. 25, 26, табл. 1.5), який містить поверхню теплообміну у вигляді поперечно омиваного зовнішнім теплоносієм пучка труб круглої форми в поперечному перерізі, і колектори з трубними дошками. В цьому теплообміннику застосовується перехресний режим руху теплоносіїв. Технологія виготовлення даного теплообмінника є достатньо простою. Недоліком цього теплообмінника є невисокий рівень ефективності за рахунок відносно невеликих величин коефіцієнтів тепловіддачі α для пучка труб круглої форми в поперечному перерізі. Кругла в перерізі форма труб пучка не є оптимальною за тепловими і аеродинамічними характеристиками та поступається за цими показниками поверхням теплообміну на основі пучків труб більш обтічної форми. Крім цього габарити цього теплообмінника є значними. Найближчим за технічною суттю до пропонованого технічного рішення є трубчастий теплообмінник (див. патент РФ № 2350873, МПК F28D 7/00, опубл. 2009), який містить поверхню теплообміну у вигляді поперечно омиваного зовнішнім теплоносієм пучка профільних труб з лінійним (коридорним) або трикутним (шаховим) компонуванням, і колектори з трубними дошками. Профільні труби являють собою сполучені круглі циліндри з різними зовнішніми діаметрами та спільною внутрішньою порожниною або труби рівновеликого двоциліндрового профілю. Недоліком найближчого аналога є досить низька надійність даного трубчастого теплообмінника внаслідок високої вірогідності появи нещільностей у з'єднувальних швах труб двоциліндрового профілю, протяжність яких є значною і дорівнює подвійній довжині кожної з труб двоциліндрового профілю. Поява нещільностей приводить до перетікання теплоносіїв та до зниження ефективності роботи теплообмінника. Технологія виготовлення цього теплообмінника є досить складною, що спричиняє суттєві труднощі при його серійному виробництві. Кругла в перерізі форма труб (в даному технічному рішенні використовується комбінація двох сполучених круглих в поперечному перерізі труб однакових або різних діаметрів) не є оптимальною за тепловими і аеродинамічними характеристиками. В основу корисної моделі поставлено задачу створення теплоутилізатора-повітропідігрівача газотурбінної установки, в якому нова форма труб дозволила б забезпечити підвищення надійності, технологічності при високій ефективності роботи та компактності. Поставлена задача вирішується тим, що в теплоутилізаторі-повітропідігрівачі газотурбінної установки, який містить поверхню теплообміну у вигляді поперечно омиваного зовнішнім теплоносієм пучка профільних труб з лінійним (коридорним) або трикутним (шаховим) компонуванням, і колектори з трубними дошками, згідно з корисною моделлю, профільні труби мають плоскоовальну форму в поперечному перерізі, причому вздовж вектора швидкості потоку зовнішнього теплоносія орієнтовані більші з осей поперечного перерізу труб. Виконання поверхні теплообміну теплоутилізатора-повітропідігрівача газотурбінної установки у вигляді поперечно омиваного зовнішнім теплоносієм пучка труб плоскоовальної форми в поперечному перерізі, причому вздовж вектора швидкості потоку зовнішнього теплоносія орієнтовані більші з осей поперечного перерізу труб, дозволяє забезпечити підвищення надійності за рахунок відсутності в даних трубах з'єднувальних швів вздовж їх довжини, що виключає появу нещільностей при роботі теплоутилізатора-повітропідігрівача газотурбінної установки та забезпечує його функціонування з високою та стабільною ефективністю. Технологічність даного теплоутилізатора-повітропідігрівача газотурбінної установки забезпечується технологічністю виготовлення його основних складових елементів, а саме плоскоовальних труб, що не потребує складного устаткування та висококваліфікованого персоналу. В теплоутилізаторі-повітропідігрівачі газотурбінної установки реалізовано ефективний спосіб теплообміну між зовнішнім гарячим (відхідні гази газотурбінної установки) і внутрішнім холодним (навколишнє повітря, що після підігрівання в теплоутилізаторіповітропідігрівачі газотурбінної установки направляється в газотурбінну установку) теплоносіями шляхом використання перехресного режиму руху теплоносіїв, при якому забезпечується раціональне використання існуючої різниці температур між теплоносіями. Відомо, що при відносній поверхні теплообміну, рівній 1, відношення підвищення температури холодного теплоносія до різниці вхідних температур теплоносіїв у відсотках для перехресного руху теплоносіїв складає близько 55, тоді як для прямоточного (паралельного однонаправленого) руху близько 37. Величини коефіцієнтів тепловіддачі α для пучка труб плоскоовальної форми в перерізі більші в порівнянні з круглотрубними пучками при одних і тих же діаметрах круглих труб і діаметрах закруглень плоскоовальних труб в перерізі та однакових 1 UA 93293 U 5 10 15 20 25 поперечних і повздовжніх кроків труб в пучках (див. наприклад книгу В.М. Антуфьев. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. - М.-Л.: Энергия. - 1966. - С. 32, рис. 2-3, а). При одних і тих же питомих витратах потужності Νо на подолання аеродинамічного опору, що виникає під час руху теплоносія крізь пучок труб заданого профілю, процес тепловіддачі від плоскоовальних в перерізі труб характеризується більшими величинами коефіцієнтів тепловіддачі α, наприклад при Νο=500 величина α для поверхонь з 2 плоскоовальними трубами в перерізі складає α220 Вт/(м ▪К) для шахового розміщення труб у пучку, тоді як для круглотрубного шахового пучка величина α при тому ж значенні Nо=500 2 складає приблизно 170 Вт/(м ▪К) (діаметр круглих труб і діаметр закруглень плоскоовальних в перерізі труб складає 20 мм, довжина повздовжньої осі плоскоовальних труб в перерізі складає 3,5 цього діаметра, величини поперечних і повздовжніх кроків труб складають відповідно 2,48 і 3,71 мм, а вектор швидкості потоку зовнішнього теплоносія співпадає з більшою віссю поперечного перерізу плоскоовальних труб. Для кожної із схем розміщення плоскоовальних труб у пучку реалізується конфузорно-дифузорний режим течії зовнішнього теплоносія, що забезпечує раціональні умови відривного поперечного обтікання та сприяє підвищенню ефективності тепловіддачі поверхні теплообміну із зовнішньої сторони. Крім цього габарити пропонованого теплоутилізатора-повітропідігрівача газотурбінної установки при збереженні того ж прохідного перерізу для внутрішнього теплоносія будуть дещо меншими у порівнянні з найближчим аналогом за рахунок того, що пучок труб плоскоовальної форми в поперечному перерізі буде займати меншу площу внаслідок більш щільної компоновки труб у пучку. Технічна суть та принцип дії пропонованого теплоутилізатора газотурбінної установки пояснюється кресленням. На фіг. 1 зображений поздовжній розріз теплоутилізатора-повітропідігрівача газотурбінної установки, де  - вектор швидкості потоку зовнішнього теплоносія; на фіг. 2 - поперечний переріз А-А на фіг. 1: схема розміщення труб в трубних дошках при лінійному (коридорному) компонуванні, де S1k, S2k - величини поперечних і повздовжніх кроків труб відповідно,  - вектор швидкості потоку зовнішнього теплоносія; на фіг. 3 - поперечний переріз А-А на фіг. 1: схема розміщення труб в трубних дошках при трикутному (шаховому компонуванні), де Si1ш, S2ш, 30 35 40 45 величини поперечних і повздовжніх кроків труб відповідно,  - вектор швидкості потоку зовнішнього теплоносія. Теплоутилізатор-повітропідігрівач газотурбінної установки містить поверхню теплообміну 1 у вигляді пучка труб 2 плоскоовальної форми у поперечному перерізі, встановленого у трубні дошки 3 (фіг. 1). Трубні дошки 3 з'єднані з колекторами 4. Плоскоовальні труби в пучку можуть мати лінійне (коридорне) компонування (фіг. 2), або трикутне (шахове) компонування (фіг. 3). Теплоутилізатор-повітропідігрівач газотурбінної установки працює наступним чином. Поверхня теплообміну 1 у вигляді пучка труб 2 плоскоовальної форми в поперечному перерізі, кожна з яких встановлюється в трубні дошки 3, виставляється в горизонтальній або близькій до горизонтальної площині. До трубних дощок 3 приєднують колектори 4. Один з колекторів приєднують до магістралі повітря, що підлягає нагріванню, а інший - до компресора газотурбінної установки. Теплота від зовнішнього гарячого теплоносія-відхідних газів газотурбінної установки, що рухається знизу-вверх поміж рядами труб 2 поверхні теплообміну 1, передається до холодного теплоносія-повітря, що рухається всередині труб 2 в перехресному напрямі відносно гарячого теплоносія. Нагріте повітря подається на вхід в газотурбінну установку. Коефіцієнт корисної дії газотурбінної установки підвищується за рахунок подачі на її вхід підігрітого повітря. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Теплоутилізатор-повітропідігрівач газотурбінної установки, який містить поверхню теплообміну у вигляді поперечно омиваного зовнішнім теплоносієм пучка профільних труб з лінійним (коридорним) або трикутним (шаховим) компонуванням, і колектори з трубними дошками, який відрізняється тим, що профільні труби мають плоскоовальну форму в поперечному перерізі, причому вздовж вектора швидкості потоку зовнішнього теплоносія орієнтовані більші з осей поперечного перерізу труб. 2 UA 93293 U 3 UA 93293 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4