CS254873B1

CS254873B1 - Pipe heat exchanger

Info

Publication number: CS254873B1
Application number: CS854883A
Authority: CS
Inventors: Milen N Matev; Vit Vesely; Ivan Pivonka; Josef Travnicek
Original assignee: Milen N Matev; Vit Vesely; Ivan Pivonka; Josef Travnicek
Priority date: 1985-07-01
Filing date: 1985-07-01
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS488385A1

Abstract

Očelem řešení je zmenšení tlakových ztrát příčně obtékaného trubkového svazku, snížení teplotních rozdílů mezi jednotlivými řadami trubek, zrovnoměrnění středního odporu trubkového svazku a zrovnoměrnění nahřátí trubek ve všech směrech proudění kolmo na koncentrické řady trubek, čehož se dosáhne tak, Že otvory pro trubky do trubkovnic a přepážek se umístí v řadách na koncentrických kružnicích vůči středu trubkovnic, přičemž rozteče mezi jednotlivými trubkami v příslušných řadách se s výhodou zmenšují směrem od vnitřní řady k vnější.The purpose of the solution is to reduce the pressure losses of the transversely flowed tube bundle, reduce the temperature differences between the individual rows of tubes, equalize the average resistance of the tube bundle and equalize the heating of the tubes in all directions of flow perpendicular to the concentric rows of tubes, which is achieved by placing the openings for the tubes in the tube sheets and partitions in rows on concentric circles relative to the center of the tube sheets, with the spacing between the individual tubes in the respective rows preferably decreasing in the direction from the inner row to the outer row.

Description

Vynález se týká trubkových výměníků tepla s trubkovnicemi a diskovými přepážkami.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to tubular heat exchangers with tubesheets and disc baffles.

Dosažené vysoké tepelné účinnosti, dlouhodobé Životnosti a provozní spolehlivosti při nízkých hodnotách tlakových ztrát je dnes běžným požadavkem na dodávané výměníky a v mezinárodním měřítku je i tvrdým kritériem pro uplatnění se na trhu. Tyto požadavky musí splňovat i výměníky s diskovými přepážkami, jejichž využití je různorodé. Například trubkové výměníky tepla s diskovými přepážkami jsou jedním z typů výměníků, které se používají při využití tepla ze spalin plynových turbín na ohřev vzduchu. Jejich zapojení do tepelného cyklu s plynovými turbínami přináší značné úspory vlivem lepšího využití tepla. Stupeň využití tepla přivedeného do cyklu závisí kromě jiného v největší míře na účinnosti turbíny a na tepelné efektivnosti (účinnosti) výměníku.Achieved high thermal efficiency, long-term service life and operational reliability at low pressure drop values are nowadays a common requirement for supplied heat exchangers and internationally it is also a tough criterion for the market. This is also the case with disc partition exchangers, whose use is diverse. For example, tubular plate heat exchangers are one of the types of heat exchangers that are used to utilize heat from flue gas gas turbines to heat the air. Their integration into the gas turbine thermal cycle brings considerable savings due to better heat utilization. The degree of utilization of the heat supplied to the cycle depends, among other things, on the turbine efficiency and the heat efficiency (efficiency) of the exchanger.

Účinnost turbíny závisí na hodnotách odporů za zařízení před a za turbínou, tj. i na hodnotách odporů výměníku, ve kterém se předává teplo ze spalin z výfuku turbíny do vzduchu potřebného pro spalování. V současné době nabízejí zahraniční firmy, např. GEA, trubkové výměníky tepla pro spaliny-vzduch (rekuperátory) při garantování velmi vysokých hodnot tepelné efektivnosti, velmi nízkých hodnot tlakových ztrát a dlouhodobého spolehlivého provozu při značném počtu cyklů najíždění a odstavování. U trubkových rekuperátorů s diskovými přepážkami jeden z plynů proudí v trubkách a druhý pomocí přepážek je usměrňován k příčnému obtékání svazku trubek. Aby se zmenšily teplotní rozdíly mezi vnitřními a vnějšími trubkami svazku uprostřed trubkového svazku, tj. okolo osy výměníku bývá ponechán volný prostor.The efficiency of the turbine depends on the resistance values for the equipment upstream and downstream of the turbine, i.e. the resistance values of the exchanger, in which the heat from the flue gas from the turbine exhaust is transferred to the air required for combustion. At present, foreign companies, such as GEA, offer flue gas-air heat exchangers (heat exchangers) while guaranteeing very high values of thermal efficiency, very low values of pressure losses and long-term reliable operation with a significant number of start-up and shutdown cycles. In tubular sectional heat exchangers, one of the gases flows in the pipes and the other is directed through the bulkheads to transversely flow around the bundle of pipes. In order to reduce the temperature differences between the inner and outer tubes of the bundle in the middle of the tube bundle, i.e. free space is left around the exchanger axis.

Ponecháním volného prostoru ve středu svazku lze dosáhnout rovnoměrnějšího ohřátí všech trubek, oproti svazku s vytrubkováním tohoto prostoru, což je jeden z hlavních ukazatelů ovlivňujících dlouhodobou těsnost a tudíž spolehlivost výměníku. Je rovněž snahou dosáhnout co nejmenší změny v průtočných průřezech při příčném obtékání svazku a při zachování dostatečně vysokého součinitele přestupu tepla tak, aby byly minimalizovány i ztráty. Obvykle bývají trubky ve svazku uspořádány bud na vrcholech čtverců nebo rovnoramenných trojúhelníků. Při uspořádání sousedních trubek s osami ve vrcholech rovnoramenného trojúhelníku vznikají pravidelné šestiúhelníky. Uspořádání svazku pak bývá takové, že kolem podélné osy výměníku je volný prostor a první řada trubek od osy výměníku k jeho obvodu tvoří trubky seřazené ve tvaru pravidelného šestiúhelníku.By leaving a free space in the center of the bundle, it is possible to achieve a more even heating of all pipes, compared to the bundle with the piping of this space, which is one of the main indicators affecting the long-term tightness and therefore reliability of the exchanger. It is also an attempt to achieve the smallest possible variation in flow cross-sections by cross-flowing the beam while maintaining a sufficiently high heat transfer coefficient to minimize losses. Usually, the tubes in the bundle are arranged either at the tops of squares or isosceles triangles. The arrangement of adjacent tubes with axes at the apexes of an isosceles triangle produces regular hexagons. The arrangement of the bundle is then such that there is free space around the longitudinal axis of the exchanger and the first row of tubes from the axis of the exchanger to its periphery form tubes arranged in the shape of a regular hexagon.

Další řady trubek následují paralelně za jednotlivými stranami středového šestiúhelníku.The other rows of pipes follow in parallel the individual sides of the central hexagon.

V pohledu od osy výměníku kolmo k některé ze stěn Šestiúhelníku svazek má konfigurace vystřídaného uspořádání. V pohledu o 30° na jednu nebo druhou stranu, tj. směrem k rohům šestiúhelníku je též vystřídané uspořádání, avšak s jinou příčnou a podélnou roztečí.In a view from the axis of the exchanger perpendicular to some of the hexagonal walls, the bundle has a alternate configuration configuration. In a 30 ° view to one side or the other, i.e. towards the corners of the hexagon, there is also an alternate arrangement, but with different transverse and longitudinal spacing.

V takovém svazku jsou tudíž vytvořeny pravidelně se střídající rozdílné podmínky pro protékání látky mezi trubkami v různých směrech. Tato nerovnoměrnost je ještě někdy zvýrazněna i nestejným počtem řad trubek v různých směrech. Vznikají tím rozdíly v odporech a tudíž i v protékajících množstvích a tím i v přestupech tepla. Vytvářejí se takto podmínky pro rozdílné teploty trubek. V závislosti na skutečných rozdílech teplot pak závisí rychlost čerpání životnosti.Thus, in such a bundle, regularly varying different conditions for flowing the fabric between the tubes in different directions are created. This unevenness is sometimes accentuated by an uneven number of pipe rows in different directions. This results in differences in resistance and, therefore, in flowing quantities and thus in heat transfer. This creates conditions for different pipe temperatures. Depending on the actual temperature differences, then the pumping speed of the service life depends.

Pro takový svazek je též charakteristické, že největší podíl na celkové tlakové ztrátě svazku budou mít řady trubek umístěné nejblíže k ose výměníku, jelikož ztráty v jednotlivých průřezech jsou úměrné druhé mocnině průtočného průřezu.It is also characteristic of such a bundle that the largest part of the total pressure loss of the bundle will have the rows of tubes located closest to the axis of the exchanger, since the losses in the individual cross-sections are proportional to the square of the flow cross-section.

Uvedené nevýhody rovnoměrných roztečí, například podle rovnostranných trojúhelníků, jež jsou v současnosti nejvíce rozšířené, do značné míry snižuje trubkový výměník tepla podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že trubkovnice a přepážky jsou vrtány tak, že jednotlivé řady otvorů pro trubky leží na koncentrických kružnicích, přičemž rozteče mezi trubkami v jednotlivých kružnicích počínaje vnitřní řadou otvorů na kružnici směrem k vnější řade otvorů na kružnici se postupně zmenšuje až do dosažení nejmenší přípustné rozteče.These disadvantages of uniform pitch, for example according to equilateral triangles, which are currently the most widespread, greatly reduce the tube heat exchanger according to the invention, in that the tube sheet and baffles are drilled so that the individual rows of tube openings lie on concentric The spacing between the tubes in each circle, starting from the inner row of holes on the circle towards the outer row of holes on the circle, gradually decreases until the smallest allowable spacing is reached.

Výhody provedení vrtání trubkovnic a přepážek podle vynálezu spočívají ve zmenšení tlakových ztrát trubkového svazku při jeho příčném obtékání vlivem zmenšení tlakových ztrát u vnitřních řad trubek, které se nejvýrazněji podílej! na celkové ztrátě; vlivem zmenšeni rychlosti prouděni okolo trubek vnitřních řad trubkového svazku se zmenšují rozdíly v součinitelech přestupů tepla a tlm i teplotní rozdíly mezi jednotlivými řadami trubek; vlivem statisticky rovnoměrného uspořádání trubek ve všech směrech proudění se odstraňují teplotní rozdíly mezi trubkami, které vznikají u stávajících provedení. Vytvářejí se tím podmínky pro snížení napětí vlivem rozdílů v ohřátí a dilataci trubek, tj. vytvářejí se předpoklady pro zlepšeni 1 provozní spolehlivosti výměníku.The advantages of the tubesheet and baffle drilling according to the invention reside in the reduction of the pressure loss of the tube bundle during its transverse by-pass due to the reduction of the pressure losses in the inner rows of the tubes which contribute most significantly! total loss; by reducing the flow velocity around the tubes of the inner rows of the tube bundle, the differences in heat transfer coefficients and damping as well as the temperature differences between the individual rows of tubes are reduced; Due to the statistically uniform arrangement of the tubes in all flow directions, the temperature differences between the tubes that arise in the present embodiments are eliminated. This creates conditions for reducing the stress due to differences in the heating and expansion of the tubes, i.e., the prerequisites for improving the operational reliability of the exchanger are created.

Příklad možného provedeni podle vynálezu je znázorněn na přiloženém výkrese, který znázorňuje trubkovnici s otvory pro trubky v provedení podle vynálezu.An example of a possible embodiment of the invention is shown in the accompanying drawing which shows a tube sheet with tube openings in an embodiment of the invention.

Trubkovnice JL je vyvrtána tak, že jednotlivé řady 2, 3, 4, 5, 6, T., 8, 9, 10, 11 a 12 otvorů pro nezakreslené trubky jsou uspořádány na koncentrických kružnicích, přičemž rozteče mezi jednotlivými trubkami v příslušných řadách se zmenšují směrem od řady 2 k řadě 12 a to tak, že až je dosažena nejmenší přípustná rozteč, v daném případě u řady jj, pak od řady jí až do řady 12 zůstávají rozteče mezi trubkami v jednotlivých řadách prakticky stejné.The tube plate JL is drilled such that the individual rows of 2, 3, 4, 5, 6, T., 8, 9, 10, 11 and 12 openings for untreated tubes are arranged on concentric circles, the spacing between the individual tubes in the respective rows being they decrease from row 2 to row 12 so that until the smallest allowable pitch is reached, in the present case for row jj, then from row to row 12, the spacing between the tubes in each row remains virtually the same.

Při příčném proudění látky, kolmém ke koncentrickým řadám trubek, směrem od řady 2 k řadě 12 nastává změna průtočného průřezu od řady jí k řadě 2» od řady 2 ^k řadě £ atd.In the transverse flow of the fabric, perpendicular to the concentric rows of tubes, from row 2 to row 12, there is a change in flow cross section from row 1 to row 2 »from row 2 ^to row 6, etc.

Vlivem zmenšení počtu trubek u vnitřních řad 2, 3, ý, 5, jS, j7, t j. vlivem zvětšení roztečí mezi trubkami jsou zmenšeny rychlosti proudění látky a tím zmenšeny i tlakové ztráty a zmenšeny i teplotní rozdíly mezi trubkami ze sousedních řad. Látka proudící kolmo na koncent rické řady 2, 3, 4^, 6, j7, 8, 9, 10, 11, 12 trubek má ve všech směrech prakticky stejné odpory a tlm jsou vytvořeny podmínky pro rovnoměrné teplotní pole ohřátí trubek.Due to the reduction of the number of tubes in the inner rows 2, 3, 6, 5, 5, 7, i.e., due to the increase in the spacing between the tubes, the flow rates of the substance are reduced and thus the pressure losses are reduced. The substance flowing perpendicularly to the concentric series 2, 3, 4, 6, 17, 8, 9, 10, 11, 12 of the tubes has practically the same resistances in all directions and the conditions for a uniform temperature field of tube heating are created.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Tubular heat exchanger with tubesheets with disc baffles characterized by the fact that the individual rows (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) of the tube openings are arranged on concentric circles, the spacing between the individual the pipes in the respective rows are reduced from the inner rows (2, 3) to the last row (12), so that after reaching the minimum permissible spacing for one of the rows (8), then from this row (8) to the last row (12) the spacing between the pipes remains the same in the individual rows.