RU2253078C2 - Heat exchanger for cooling steam-gas mixture - Google Patents

Heat exchanger for cooling steam-gas mixture Download PDF

Info

Publication number
RU2253078C2
RU2253078C2 RU2002122933/06A RU2002122933A RU2253078C2 RU 2253078 C2 RU2253078 C2 RU 2253078C2 RU 2002122933/06 A RU2002122933/06 A RU 2002122933/06A RU 2002122933 A RU2002122933 A RU 2002122933A RU 2253078 C2 RU2253078 C2 RU 2253078C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat exchanger
gas
pipes
ribs
cooling
Prior art date
Application number
RU2002122933/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002122933A (en
Inventor
А.П. Баскаков (RU)
А.П. Баскаков
В.А. Мунц (RU)
В.А. Мунц
В.П. Еремеев (RU)
В.П. Еремеев
В.А. Косарев (RU)
В.А. Косарев
Е.В. Ильина (RU)
Е.В. Ильина
Original Assignee
ГОУ Уральский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ГОУ Уральский государственный технический университет filed Critical ГОУ Уральский государственный технический университет
Priority to RU2002122933/06A priority Critical patent/RU2253078C2/en
Publication of RU2002122933A publication Critical patent/RU2002122933A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2253078C2 publication Critical patent/RU2253078C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: heat exchanger comprises pipes with spiral-ring fins. The fins are provided with longitudinal slots. The pipes in the heat exchanger are arranged vertically.
EFFECT: enhanced efficiency.
3 dwg

Description

Изобретение предназначено для энергетических и отопительных котлов, сжигающих газообразное топливо, и обеспечивает повышение коэффициента полезного действия котлов за счет более глубокого охлаждения продуктов сгорания и конденсации содержащегося в них водяного пара.The invention is intended for energy and heating boilers burning gaseous fuels, and provides an increase in the efficiency of the boilers due to deeper cooling of the combustion products and condensation of the water vapor contained in them.

В ряде отраслей промышленности применяют теплообменники, выполненные из труб со спирально-кольцевыми накатными или навитыми и приваренными ребрами [Кунтыш В.Б., Кузнецов Н.М. Тепловой и аэродинамический расчет оребренных теплообменников воздушного охлаждения. Энергоатомиздат, С.-Петербург, 1988, 278 с.].In a number of industries, heat exchangers are used, made of pipes with spiral-ring rolled or wound and welded ribs [Kuntysh VB, Kuznetsov NM Thermal and aerodynamic calculation of finned air-cooled heat exchangers. Energoatomizdat, St. Petersburg, 1988, 278 p.].

В последнее время такие теплообменники используют и для более глубокого охлаждения уходящих газов за паровыми и водогрейными котлами, сжигающими природный газ [Кудинов А.А., Антонов В.А., Алексеев Ю.А. Анализ эффективности применения конденсационного теплоутилизатора за паровым котлом ДЕ-10-14ГМ//Промышленная энергетика. - 1997, №8; Гомон В.И., Пресич Г.А., Навродская Р.А. Утилизация теплоты уходящих газов с использованием поверхностных (в том числе конденсационных) и контактных теплоутилизаторов. В сб. “Материалы семинара “Современное котельное оборудование - экономичность, безопасность и экологичность”” - Киев, 1996, с.31-37].Recently, such heat exchangers have also been used for deeper cooling of flue gases behind steam and hot water boilers burning natural gas [Kudinov AA, Antonov VA, Alekseev Yu.A. Analysis of the effectiveness of the use of a condensation heat exchanger behind a steam boiler DE-10-14GM // Industrial Energy. - 1997, No. 8; Gomon V.I., Presich G.A., Navrodskaya R.A. Utilization of flue gas heat using surface (including condensation) and contact heat exchangers. On Sat “Materials of the workshop“ Modern boiler equipment - efficiency, safety and environmental friendliness ”” - Kiev, 1996, p.31-37].

При использовании в качестве охлаждающего агента воды, имеющей температуру ниже температуры точки росы, на оребренной поверхности конденсируется содержащийся в парогазовой смеси водяной пар. При этом полезно используется не только “физическая” теплота газов, но и так называемая “скрытая” теплота парообразования, величина которой зачастую превышает “физическую” теплоту. Так, при охлаждении уходящих из котла продуктов сгорания природного газа с 153 до 50°С водой с температурой 5-20°С, количество теплоты, полученной за счет охлаждения сухих газов, составляет 2153 килоджоуля на кубометр (нормальный) сожженного газа, а количество теплоты, выделяющейся за счет конденсации водяного пара, равно - 3320 килоджоулей на кубометр.When using water having a temperature below the dew point temperature as a cooling agent, water vapor contained in a gas-vapor mixture condenses on a fin surface. In this case, not only the “physical” heat of gases, but also the so-called “latent” heat of vaporization, whose value often exceeds the “physical” heat, is useful. So, when cooling natural gas combustion products leaving the boiler from 153 to 50 ° С with water at a temperature of 5-20 ° С, the amount of heat obtained by cooling dry gases is 2153 kilojoules per cubic meter of (normal) burnt gas, and the amount of heat , released due to condensation of water vapor, is equal to - 3320 kilojoules per cubic meter.

Вследствие конденсации водяного пара на охлаждающих поверхностях, газ в процессе охлаждения осушается. На фиг.1 приведена расчетная схема теплообменника для охлаждения парогазовой смеси (на схеме теплообменник изображен в виде шести поперечно обтекаемых ребристых труб) и полученная нами формула, дающая зависимость концентрации водяного пара С в газопаровой смеси от ее температуры Т при известных концентрации пара Со и температуре смеси То на входе в теплообменник и заданной температуре Тст поверхности ребер теплообменника. Концентрация пара Сст в непосредственной близости от поверхности равна концентрации насыщенного пара при температуре Тст.Due to the condensation of water vapor on cooling surfaces, the gas is dried during cooling. Figure 1 shows the design diagram of a heat exchanger for cooling a gas-vapor mixture (the heat exchanger is shown in the form of six transversely flowing ribbed tubes) and the formula we obtained gives the dependence of the concentration of water vapor C in a gas-vapor mixture on its temperature T at a known vapor concentration C о and the temperature of the mixture T about at the entrance to the heat exchanger and a given temperature T article the surface of the fins of the heat exchanger. The concentration of steam C article in the immediate vicinity of the surface is equal to the concentration of saturated steam at a temperature T article .

Результаты расчетов по этой формуле приведены на фиг.2 для следующих значений температуры смеси То на входе в теплообменник и температуры охлаждающей поверхности (стенки ребер) Тст: 1 - То=430 К, Тст=290 К; 2 - То=430 К, Тст=280 К; 3 - То=380 К, Тст=290 К; 4 - То=430 К, Тст=280 К. Линия 5 дает зависимость концентрации насыщенного пара (в г/м3) от температуры (в °С). Расчеты выполнены для продуктов сгорания природного газа, содержащих на входе в теплообменник 17% водяного пара по объему.The calculation results according to this formula are shown in figure 2 for the following values of the temperature of the mixture T o at the inlet to the heat exchanger and the temperature of the cooling surface (wall of the ribs) T article : 1 - T about = 430 K, T article = 290 K; 2 - T about = 430 K, T article = 280 K; 3 - T about = 380 K, T article = 290 K; 4 - T o = 430 K, T article = 280 K. Line 5 gives the dependence of the concentration of saturated steam (in g / m 3 ) on temperature (in ° C). The calculations were performed for natural gas combustion products containing 17% water vapor by volume at the inlet of the heat exchanger.

Из фиг.2 видно, что при охлаждении продуктов сгорания природного газа по крайней мере до 40-50°С остающийся в них пар находится в перегретом состоянии, то есть температура насыщения этого пара (при его парциальном давлении) остается ниже температуры (парогазовой смеси). Это исключает выпадение конденсата на неохлаждаемых стенках газоходов и дымовой трубы, по которым продукты сгорания, охлажденные в теплообменнике, выбрасываются в атмосферу.Figure 2 shows that when the natural gas combustion products are cooled to at least 40-50 ° C, the steam remaining in them is in an overheated state, that is, the saturation temperature of this steam (at its partial pressure) remains below the temperature (gas-vapor mixture) . This eliminates condensation on the uncooled walls of the gas ducts and the chimney, through which the combustion products cooled in the heat exchanger are released into the atmosphere.

Приведенные соображения справедливы при отсутствии уноса водяных капель и брызг с теплообменной поверхности.The above considerations are valid in the absence of entrainment of water droplets and splashes from the heat exchange surface.

В аналогах, описанных в приведенных выше ссылках на литературу, оси ребристых труб располагаются в теплообменнике горизонтально, соответственно ребра оказываются в вертикальных плоскостях, почти перпендикулярных осям труб. В трубном пучке конденсат, образующийся на ребрах вышележащих труб, стекает в виде капель на нижележащие, а с труб самого нижнего ряда - на нижнее металлическое ограждение теплообменника. При этом часть мелких капель и брызг неизбежно уносится потоком газа.In the analogs described in the above references to the literature, the axes of the finned tubes are arranged horizontally in the heat exchanger, respectively, the ribs are in vertical planes, almost perpendicular to the axes of the tubes. In the tube bundle, the condensate formed on the edges of the overlying pipes flows in the form of droplets onto the underlying pipes, and from the pipes of the lowest row to the lower metal fence of the heat exchanger. At the same time, a part of small drops and splashes will inevitably be carried away by the gas flow.

Испарение унесенных капель не уменьшает количество теплоты, полученной в теплообменнике за счет конденсации пара, если оно (испарение) происходит уже после теплообменника. Однако оно увеличивает степень насыщения газов водяным паром как из-за увеличения количества пара в газе, так и из-за снижения температуры газа вследствие затрат тепла на испарение. Все это может привести к конденсации водяного пара на внутренних стенках газоходов и дымовой трубы.Evaporation of entrained drops does not reduce the amount of heat received in the heat exchanger due to steam condensation if it (evaporation) occurs after the heat exchanger. However, it increases the degree of saturation of gases with water vapor, both due to an increase in the amount of steam in the gas, and due to a decrease in the temperature of the gas due to heat consumption for evaporation. All this can lead to condensation of water vapor on the inner walls of the flues and chimney.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой конструкции следует считать теплообменник-теплоутилизатор, описанный в работе [Кудинов А.А., Антонов В.А., Алексеев Ю.А. Анализ эффективности применения конденсационного теплоутилизатора за паровым котлом ДЕ-10-14ГМ//Промышленная энергетика. - 1997, №8], который и выбран в качестве прототипа.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed design should be considered the heat exchanger-heat exchanger described in [Kudinov AA, Antonov VA, Alekseev Yu.A. Analysis of the effectiveness of the use of a condensation heat exchanger behind a steam boiler DE-10-14GM // Industrial Energy. - 1997, No. 8], which is selected as a prototype.

Данный теплообменник состоит из биметаллических труб с накатными ребрами, расположенных в газоходе котла горизонтально в виде пакетов. По трубам прокачивается холодная вода с температурой ниже температуры точки росы омывающих трубы продуктов сгорания. Водяной пар, содержащийся в продуктах сгорания, конденсируется на вертикальных ребрах и стекает в виде капель с ребер верхних рядов на нижние, при этом часть капель и брызг уносится поперечным горизонтально направленным потоком продуктов сгорания. Это является недостатком прототипа.This heat exchanger consists of bimetallic pipes with knurled fins located horizontally in the form of packets in the boiler duct. Cold water is pumped through the pipes at a temperature below the dew point temperature of the combustion products washing the pipes. Water vapor contained in the products of combustion condenses on the vertical ribs and flows in the form of drops from the ribs of the upper rows to the lower ones, while part of the droplets and splashes are carried away by a transverse horizontally directed stream of combustion products. This is a disadvantage of the prototype.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить унос капель и брызг конденсата, образующегося на поверхности оребренных труб теплообменника. Сущность предлагаемого технического решения (фиг.3-5) заключается в том, что в известном устройстве, представляющим собой теплообменник для охлаждения парогазовой смеси, состоящий из вертикальных труб со спирально-кольцевыми ребрами, т.е. поперечными по отношению к оси трубы, вдоль оси труб 3 во всех ребрах 1 выполняется продольная прорезь 4. Прорезь 4 может быть выполнена, например, с помощью дисковой фрезы, перемещаемой вдоль трубы. При этом металл несущей трубы 3 не затрагивается, чтобы не снижалась конструктивная прочность, прорезаются только ребра и насаженная труба 2, из которой накатываются ребра.The proposed solution allows to eliminate the entrainment of drops and spray of condensate formed on the surface of the finned heat exchanger tubes. The essence of the proposed technical solution (Fig.3-5) lies in the fact that in the known device, which is a heat exchanger for cooling a vapor-gas mixture, consisting of vertical pipes with spiral-ring ribs, i.e. transverse with respect to the axis of the pipe, along the axis of the pipes 3, a longitudinal slot 4 is made in all the ribs 1. The slot 4 can be made, for example, by means of a disk cutter moved along the pipe. In this case, the metal of the supporting pipe 3 is not affected so that the structural strength does not decrease, only the ribs and the inserted pipe 2 are cut out, from which the ribs are rolled.

Поскольку при винтовой накатке или навивке ребра слегка наклонены к оси трубы, при вертикальном положении трубы они имеют наклон по отношению к горизонту, благодаря чему образующийся на них конденсат будет под действием капиллярных сил стекать к прорези в ребре, а затем по щели – на нижнюю трубную доску теплообменника, в которой закреплены ребристые трубы. Это исключает перетекание конденсата в виде капель с трубы на трубу, а значит, - и унос капель.Since during screw rolling or winding, the ribs are slightly inclined to the axis of the pipe, in the vertical position of the pipe they have an inclination with respect to the horizontal, so that the condensate formed on them will drain under the action of capillary forces to the slot in the rib, and then through the gap to the lower pipe a heat exchanger board in which finned tubes are fixed. This eliminates the flow of condensate in the form of droplets from pipe to pipe, and therefore, the entrainment of drops.

Срыв пленки воды с горизонтальной поверхности омывающим ее параллельным потоком продуктов сгорания начинается по данным [J.J. van Rossum Experimental investigation of horizontal liquid films//Chemical Engineering Science, 1959. V. 11. P. 35 - 52] при скорости потока, превышающей 18 м/с, даже при толщине пленки конденсата 2,5 мм. С уменьшением толщины пленки предельная скорость ее срыва возрастает. Такие большие скорости парогазовой смеси в теплообменниках не применяются из-за резкого увеличения аэродинамического сопротивления пучка ребристых труб, что гарантирует отсутствие срыва пленки с горизонтально расположенных ребер.Disruption of a film of water from a horizontal surface by a parallel flow of combustion products washing it begins according to [J.J. van Rossum Experimental investigation of horizontal liquid films // Chemical Engineering Science, 1959. V. 11. P. 35 - 52] at a flow velocity exceeding 18 m / s, even with a condensate film thickness of 2.5 mm. With a decrease in the film thickness, the limiting speed of its breakdown increases. Such high speeds of the gas-vapor mixture in heat exchangers are not used due to a sharp increase in the aerodynamic resistance of the beam of ribbed tubes, which ensures that the film does not break off from horizontally located ribs.

В соответствии с предлагаемым техническим решением (фиг.3), трубы закрепляют в трубной доске таким образом, чтобы прорези 4 в ребрах размещались вдоль тыльной по отношению к набегающему потоку газов 5 образующей трубы. Это снижает вероятность динамического срыва стекающего вдоль прорези конденсата.In accordance with the proposed technical solution (figure 3), the pipes are fixed in the tube plate so that the slots 4 in the ribs are placed along the rear with respect to the incoming gas stream 5 of the forming pipe. This reduces the likelihood of a dynamic breakdown of the condensate draining along the slot.

Нижняя трубная решетка ограничивает сверху камеру, в которую поступает охлаждающая вода, растекающаяся из этой камеры по ребристым трубам.The lower tube sheet delimits from above the chamber into which cooling water enters, flowing from this chamber through the finned tubes.

Если вода имеет температуру ниже температуры точки росы водяных паров, содержащихся в парогазовой смеси (а только в этом случае возможна конденсация пара в теплообменнике), стекающий с трубы на решетку конденсат испаряться не будет. Наоборот, пар из парогазовой смеси будет конденсироваться на решетке так же, как на ребристых трубах.If the water has a temperature below the dew point of the water vapor contained in the vapor-gas mixture (and only in this case condensation of steam in the heat exchanger is possible), the condensate flowing from the pipe to the grate will not evaporate. Conversely, steam from a gas-vapor mixture will condense on a grate in the same way as on ribbed pipes.

Для обеспечения свободного стока конденсата с трубной решетки в выходной патрубок, решетка должна быть наклонена на несколько градусов к горизонту и иметь небольшие реборды, препятствующие его отеканию по периметру решетки.To ensure free flow of condensate from the pipe grate to the outlet pipe, the grate should be tilted a few degrees to the horizon and have small flanges that prevent it from flowing around the perimeter of the grate.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:The technical result of the invention is:

- получение дополнительной теплоты при глубоком охлаждении продуктов сгорания природного газа за счет конденсации содержащегося в них водяного пара;- obtaining additional heat by deep cooling of the combustion products of natural gas due to the condensation of the water vapor contained in them;

- получение из продуктов сгорания обессоленной воды (около 1 литра из 1 м3 сожженного газа), которая, после деаэрации, может быть использована для питания паровых котлов или других целей;- obtaining demineralized water from the combustion products (about 1 liter of 1 m 3 of burnt gas), which, after deaeration, can be used to power steam boilers or other purposes;

- водяной пар, остающийся в продуктах сгорания, находится в перегретом (не насыщенном) состоянии, что исключает его конденсацию на внутренних поверхностях теплоизолированных газоходов и дымовых труб.- water vapor remaining in the combustion products is in an overheated (not saturated) state, which eliminates its condensation on the inner surfaces of insulated flues and chimneys.

Данная конструкция была испытана в котельной Экспериментально-производственного комбината Уральского государственного технического университета.This design was tested in the boiler room of the Experimental Production Plant of the Ural State Technical University.

Claims (1)

Теплообменник для охлаждения парогазовой смеси, состоящий из труб со спирально-кольцевыми ребрами, отличающийся тем, что вдоль оси труб во всех ребрах выполнены продольные прорези, а трубы в теплообменнике расположены вертикально.A heat exchanger for cooling a gas-vapor mixture, consisting of pipes with spiral-annular ribs, characterized in that longitudinal slots are made along the axis of the pipes in all the ribs, and the pipes in the heat exchanger are arranged vertically.
RU2002122933/06A 2002-08-26 2002-08-26 Heat exchanger for cooling steam-gas mixture RU2253078C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002122933/06A RU2253078C2 (en) 2002-08-26 2002-08-26 Heat exchanger for cooling steam-gas mixture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002122933/06A RU2253078C2 (en) 2002-08-26 2002-08-26 Heat exchanger for cooling steam-gas mixture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002122933A RU2002122933A (en) 2004-03-10
RU2253078C2 true RU2253078C2 (en) 2005-05-27

Family

ID=35824821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002122933/06A RU2253078C2 (en) 2002-08-26 2002-08-26 Heat exchanger for cooling steam-gas mixture

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2253078C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2559105C1 (en) * 2014-07-31 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Steam-water heat exchanger
CN111174019A (en) * 2019-12-31 2020-05-19 浙江大学 Device and method for cooperatively adjusting steam pressure and temperature

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2559105C1 (en) * 2014-07-31 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Steam-water heat exchanger
CN111174019A (en) * 2019-12-31 2020-05-19 浙江大学 Device and method for cooperatively adjusting steam pressure and temperature
CN111174019B (en) * 2019-12-31 2021-10-08 浙江大学 Device and method for cooperatively adjusting steam pressure and temperature

Also Published As

Publication number Publication date
RU2002122933A (en) 2004-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3390456B2 (en) Absorption chiller / heater and its high temperature regenerator
US4287938A (en) Method for exchanging heat and a device for carrying out said method
Jia et al. An experimental study on vapor condensation of wet flue gas in a plastic heat exchanger
EP0405621B1 (en) Recuperative furnace
RU2253078C2 (en) Heat exchanger for cooling steam-gas mixture
Miliauskas et al. Experimental investigations of water droplet transient phase changes in flue gas flow in the range of temperatures characteristic of condensing economizer technologies
CN104857820A (en) Method for eliminating white smoke of condensed flue gas and condenser for same
KR200184807Y1 (en) Vacuum boiler with spiral tube economizer
RU2610355C1 (en) Tpp flue gases heat and condensate utilizer
CN102563680A (en) Boiler flue gas evaporating and cooling device
CN208504752U (en) More backhaul condensing boilers
JP2710225B2 (en) Heat exchanger for condenser
RU2411411C1 (en) Fuel combustion method
RU2296107C1 (en) Apparatus for freshening of sea water
Kharkov et al. Experimental study of heat transfer in tube-type radiator of hybrid cooling tower
RU2662260C1 (en) Method of contact liquid heating
Song et al. Experiment comparison between engineering acid dew point and thermodynamic acid dew point
Ji-Ming et al. Research on low temperature condensation of flue gas from gas industrial boiler
SU1733838A1 (en) Boiler
JPS634835A (en) Wet type stack gas desulfurization facility with built-in heat exchanger for exhaust heat recovery
GB2455612A (en) Gas flow regulation system for a boiler
RU96223U1 (en) CONDENSATION WATER BOILER
KR200184809Y1 (en) Nopressure tube boiler
Sigal et al. Flue gases cleaning from nitrogen oxides by additional oxidation of NO to NO2 and absorption
Aksenov et al. Implementation of condensing economizers for small boilers

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees