теплообменник
Классы МПК: | F28D7/16 с каналами, параллельно расположенными в пространстве |
Автор(ы): | Кирсанова Т.В., Козьмин Ю.П., Косицын И.П., Терехов Г.А. |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-11-01 публикация патента:
27.12.2001 |
Изобретение предназначено для применения для газификации криогенного топлива в авиационных газотурбинных двигателях. Теплообменник содержит расположенные параллельно одна за другой трубки, соединенные входным и выходным коллекторами и размещенные в обечайке, которая образует полость с входом и выходом для протока теплоносителя, причем согласно изобретению теплообменник используется преимущественно для газификации криогенной жидкости, протекающей внутри трубок, причем трубки расположены одна за другой с шагом S и имеют наружный диаметр dн, кроме того, трубки установлены группами с шагом между группами S1, определяемым из соотношения 1,5
S1/dн
2,5, с шагом S, определяемым из соотношения 1,5>S/dн
1,1. Изобретение позволяет повысить эффективность теплообменника, снижает его внешнее сопротивление и исключает его обмерзание со стороны теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177011/8804.gif)
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177011/8804.gif)
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177005/8805.gif)
Формула изобретения
1. Теплообменник, содержащий расположенные параллельно одна за другой трубки, соединенные входным и выходным коллекторами и размещенные в обечайке, которая образует полость с входом и выходом для протока теплоносителя, отличающийся тем, что теплообменник используется преимущественно для газификации криогенной жидкости, протекающей внутри трубок, причем трубки расположены одна за другой с шагом S и имеют наружный диаметр dн, кроме того, трубки установлены группами с шагом между группами S1, определяемым из соотношения 1,5![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177011/8804.gif)
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177011/8804.gif)
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177005/8805.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области теплообменных аппаратов и предназначено в основном для газификации криогенного топлива в авиационных газотурбинных двигателях (АГТД). В АГТД, работающих на криогенном топливе, необходима газификация топлива перед подачей его в камеру сгорания. Для газификации топлива применяют теплообменники. Известен теплообменник - газификатор топлива АГТД, установленный на входе в компрессор (GB N 1022952, кл. F 4 S, опубл. 1966 г.). Недостатком этого теплообменника является его низкая надежность, обусловленная возможным замерзанием трубок теплообменника. Двигатель с таким теплообменником практически неработоспособен при низких скоростях полета, когда температура воздуха на входе близка к температуре окружающей среды. Теплообменник в этом случае работает неэффективно виду его замораживания. Расположение теплообменника на входе в компрессор также снижает надежность двигателя из-за вероятности его разгерметизации в полете. В этом случае в тракте АГТД образуется взрывоопасная топливо-воздушная смесь, например "гремучий газ" для водородного топлива. Этот недостаток устранен в теплообменнике в виде трубчатого змеевика, установленного в потоке выхлопных газов (US N 1799249, кл. 165-60, опубл. 1974 г. ). Недостатком этого теплообменника является обмерзание поверхности трубок со стороны теплоносителя, содержащего пары воды, обусловленное высокой теплоотдачей от криогенной среды и ее низкой температурой. Из теории теплопередачи известно, что чем выше коэффициент теплоотдачи от криогенной среды, тем ниже температура стенок теплообменника. При отрицательных температурах стенок возможно образование твердой фазы (льда, инея) вследствие конденсации и замораживания паров воды, содержащихся в теплоносителе. Большие скорости движения криогенной среды в последовательно соединенных витках змеевика способствуют росту коэффициента теплоотдачи и, как следствие, образованию льда. Указанные недостатки этих теплообменников устранены в теплообменнике, содержащем расположенные параллельно одна за другой трубки, соединенные входным и выходным коллекторами и размещенные в обечайке, которая образует полость с входом и выходом для протока теплоносителя (SU 434251 A, F 28 D 7/16, 30.10.1974). Недостатком этого теплообмена являются повышенные гидравлические потери в потоке теплоносителя, обтекающем теплообменник с внешней стороны. Вышеуказанное решение является ближайшим аналогом изобретения. Известно, что потери во внешнем потоке, обтекающем последовательно расположенные трубки, возрастают при увеличении шага между трубками S до величины более 1,5 ее диаметра dH, т.е. отношение S/dH должно быть < 1,5 (см. И. Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975, стр.397, а также А.М. Крапивин и др. Гидравлическое сопротивление однородного трубного пучка, обтекаемого плоскопараллельным потоком газа. Теплоэнергетика, N 6, 1972, стр. 24...27). Поэтому для снижения сопротивления и, как следствие, повышения экономичности, если теплообменник расположен в тракте АГТД, необходимо выполнять теплообменники с компактным расположением трубок, с S/dH![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177011/8804.gif)
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177011/8804.gif)
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177011/8804.gif)
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177005/8805.gif)
на фиг. 1 приведен общий вид теплообменника;
на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - зависимость критерия Nu с наружной стороны от числа трубок и шага между ними. Теплообменник состоит из обечайки 1 с внутренней полостью 2 для протока теплоносителя с входом 3 и выходом 4. В полости 2 расположен входной коллектор 5 с полостью 6 для входа криогенной жидкости и выходной коллектор 7 с полостью 8 для выхода криогенной жидкости. Входной 5 и выходной 7 коллекторы соединены параллельно расположенными рядами трубок 9 с наружным диаметром dH, расположенными одна за другой с шагом S. Трубки 9 расположены отдельными группами с шагом S1 между группами. Входной коллектор 5 снабжен патрубком 10 для подвода криогенной жидкости 11, а выходной коллектор 7 снабжен патрубком 12 для выхода подогретой криогенной жидкости 13. Вход 3 полости 2 предназначен для подачи горячего теплоносителя 14 (например, продуктов сгорания после турбины ГТД), а выход 4 - для охлажденного теплоносителя 15. На фиг. 3 видно, что теплоотдача (критерий Nu) увеличивается с уменьшением количества труб nтр в пучке, достигая максимального значения при nтр = 3. Например, при
![теплообменник, патент № 2177593](/images/patents/294/2177593/2177593-2t.gif)
Класс F28D7/16 с каналами, параллельно расположенными в пространстве