[go: up one dir, main page]

RU2844670C1 - Toroidal tubular heat exchanger - Google Patents

Toroidal tubular heat exchanger

Info

Publication number
RU2844670C1
RU2844670C1 RU2025102660A RU2025102660A RU2844670C1 RU 2844670 C1 RU2844670 C1 RU 2844670C1 RU 2025102660 A RU2025102660 A RU 2025102660A RU 2025102660 A RU2025102660 A RU 2025102660A RU 2844670 C1 RU2844670 C1 RU 2844670C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
spiral
flat sections
tubes
channels
Prior art date
Application number
RU2025102660A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Аркадьевич Ошев
Original Assignee
Юрий Аркадьевич Ошев
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Аркадьевич Ошев filed Critical Юрий Аркадьевич Ошев
Application granted granted Critical
Publication of RU2844670C1 publication Critical patent/RU2844670C1/en

Links

Abstract

FIELD: heat engineering.
SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used in various axisymmetric devices, such as gas turbine engines and power plants, one of heat carriers can be incoming air flow. Other heat carrier passes through multiple family of tubes with the specified total flow area and length to provide the required heat exchange. Device design is built on the basis of one simplest element – flat section of a group of tubes and end elements in the form of rings for large and small diameters of matrix, which finally forms groups of spiral-like channels around longitudinal axis of matrix in volume of toroidal heat exchanger. Length of spiral-like channels exceeds by many times longitudinal size of heat exchanger. At one step of the spiral-like channels they make a full turn about the axis of the matrix, at that the radial dimension from the axis of the spiral matrix of tubes alternately varies between large and small diameters of the matrix in its successive layers.
EFFECT: improving heat exchange efficiency.
12 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в составе различных осесимметричных аппаратов, таких как газотурбинные двигатели и энергоустановки.The invention relates to the field of heat engineering and can be used as part of various axisymmetric devices, such as gas turbine engines and power plants.

Известен теплообменник пластинчатого типа (Европейская заявка №0434553, 1990 г. ), который содержит пакет тонких прямоугольных пластин, установленный в корпусе, пластины пайкой неразъемно соединены между собой по периметру пластин и периметру отверстий для попеременной раздельной подачи теплоносителей между пластинами. При рабочем давлении в теплообменнике на края соединенных пластин воздействуют силы, расщепляющие паяное или сварное соединение. При эксплуатации в течение заданного ресурса происходит развитие усталостной трещиноватости от расщепляющих усилий вблизи сварки или пайки с разгерметизацией полостей теплообменника. Весь пакет пластин поэтому помещается дополнительно в силовой корпус, чтобы пакет не увеличивался в размерах при подаче давления. При этом возрастает масса и габариты теплообменника. Кроме того, прямоугольные блоки пластинчатого теплообменника в виде «чемоданов» сложно размещать в осесимметричных конструкциях, например, в ядерных энергоустановках космического применения. Корпус цилиндрической конструкции предпочтительней, он с минимальной массой выдерживает рабочее давление теплоносителей.A plate-type heat exchanger is known (European application No. 0434553, 1990), which contains a package of thin rectangular plates installed in a housing, the plates are permanently connected to each other by soldering along the perimeter of the plates and the perimeter of the holes for alternate separate supply of heat carriers between the plates. At operating pressure in the heat exchanger, forces act on the edges of the connected plates, splitting the soldered or welded joint. During operation for a specified service life, fatigue cracking develops from splitting forces near the welding or soldering with depressurization of the cavities of the heat exchanger. Therefore, the entire plate package is additionally placed in a power housing so that the package does not increase in size when pressure is applied. In this case, the mass and dimensions of the heat exchanger increase. In addition, rectangular "suitcase"-shaped plate heat exchanger blocks are difficult to place in axisymmetric structures, such as in space-based nuclear power plants. A cylindrical housing is preferable, as it can withstand the operating pressure of coolants with minimal weight.

Известна осесимметричная система охлаждения многоконтурной газотурбинной установки (RU 2680636), содержащая многосекционный кольцевой рекуперативный теплообменник, размещенный в потоке охлаждающего воздуха проточной части второго контура газотурбинной установки и состоящий из механически связанных между собой унитарных секций, представляющих каждая пучок полых трубчатых теплообменных элементов. Конструкция такого теплообменника не обеспечивает достаточно высокой надежности в рабочем диапазоне тепловых режимов, поскольку тепловые перемещения трубчатых теплообменных элементов сложной пространственной конфигурации приводят к появлению дефектов (трещин), и к прямым потерям рабочего тела.An axisymmetric cooling system for a multi-circuit gas turbine unit is known (RU 2680636), containing a multi-section annular recuperative heat exchanger placed in the cooling air flow of the flow part of the second circuit of the gas turbine unit and consisting of mechanically interconnected unitary sections, each representing a bundle of hollow tubular heat exchange elements. The design of such a heat exchanger does not provide a sufficiently high reliability in the operating range of thermal modes, since thermal movements of tubular heat exchange elements of complex spatial configuration lead to the appearance of defects (cracks) and to direct losses of the working fluid.

Известен трубчатый теплообменник (RU 2727105), в котором матрица теплообменника представляет собой осесимметричную конструкцию из трубок, сгруппированных в плоские секции, причем каждая секция состоит из нескольких трубок, и двух концевых элементов в форме колец, в которые выходят концы трубок, секции уложены слоями в плоскостях, перпендикулярных оси матрицы с совмещением концевых элементов и соединены через отверстия в концевых элементах между собой так что образуют осевые каналы, параллельные оси матрицы. При всей повышенной ремонтопригодности конструкция не обеспечивает надежности работы теплообменника, особенно при циклических режимах со значительным разогревом, влияющим на усилие стяжки плоских секций теплообменника.A tubular heat exchanger is known (RU 2727105), in which the heat exchanger matrix is an axisymmetric structure of tubes grouped into flat sections, where each section consists of several tubes and two end elements in the form of rings into which the ends of the tubes extend, the sections are laid in layers in planes perpendicular to the matrix axis with the end elements aligned and connected through openings in the end elements to each other so that they form axial channels parallel to the matrix axis. Despite all the increased maintainability, the design does not ensure the reliability of the heat exchanger, especially in cyclic modes with significant heating, affecting the tightening force of the flat sections of the heat exchanger.

Известен принятый за прототип трубчатый теплообменник (RU 2699851), содержащий тороидальный корпус, устройства для подвода и отвода теплоносителей и матрицу теплообменника, которая выполнена монолитной без сварных или паяных соединений и представляет собой осесимметричную конструкцию из трубок, уложенных слоями в плоскостях, перпендикулярных оси матрицы, причем трубки, расположенные в соседних слоях перекрещиваются, а концы трубок соединены с концевыми элементами, образующими продольные каналы, параллельными оси матрицы.A tubular heat exchanger (RU 2699851), adopted as a prototype, is known, containing a toroidal body, devices for supplying and removing heat carriers and a heat exchanger matrix, which is made monolithic without welded or soldered joints and is an axisymmetric structure of tubes laid in layers in planes perpendicular to the axis of the matrix, wherein the tubes located in adjacent layers intersect, and the ends of the tubes are connected to end elements that form longitudinal channels parallel to the axis of the matrix.

Недостатком этого теплообменника является его низкая эффективность, поскольку теплообмен между средой, поступающей в трубки, и средой в межтрубном пространстве, происходит на короткой длине, равной длине трубки между осевыми каналами, собранными из концевых элементов, расположенных на большом и малом диаметрах тороидальной матрицы. Кроме того, процесс теплообмена может быть неустойчив по расходу теплоносителя при его разогреве в системе многочисленных параллельных трубчатых каналов.The disadvantage of this heat exchanger is its low efficiency, since heat exchange between the medium entering the tubes and the medium in the intertube space occurs over a short length equal to the length of the tube between the axial channels assembled from end elements located on the large and small diameters of the toroidal matrix. In addition, the heat exchange process may be unstable in terms of coolant flow when it is heated in a system of numerous parallel tubular channels.

Техническим результатом при использовании заявляемого изобретения является повышение эффективности теплообмена.The technical result of using the claimed invention is an increase in the efficiency of heat exchange.

Указанный технический результат достигается тем, что тороидальный трубчатый теплообменник содержит тороидальную матрицу, образованную из перпендикулярных оси матрицы слоев из плоских секций, состоящих каждая из нескольких трубок и двух концевых элементов в виде колец, расположенных на большом и малом диаметрах матрицы, отличающийся тем, что внутри тороидальной матрицы вокруг продольной оси образованы спиралеподобные каналы из сгруппированных по плоским секциям трубок, с чередующимся изменением радиального размера спирали между большим и малым диаметрами матрицы в последовательных слоях матрицы, при этом количество групп спиралеподобных каналов равно количеству плоских секций в слое матрицы.The specified technical result is achieved in that the toroidal tubular heat exchanger contains a toroidal matrix formed from layers of flat sections perpendicular to the matrix axis, each consisting of several tubes and two end elements in the form of rings located on the large and small diameters of the matrix, characterized in that inside the toroidal matrix around the longitudinal axis, spiral-like channels are formed from tubes grouped by flat sections, with an alternating change in the radial size of the spiral between the large and small diameters of the matrix in successive layers of the matrix, wherein the number of groups of spiral-like channels is equal to the number of flat sections in the matrix layer.

Группы спиралеподобных каналов образованы посредством размещения на малом (или большом) диаметре матрицы заглушек на концевые элементы плоских секций крайних слоев матрицы и между четными и нечетными слоями матрицы и, соответственно, на большом (или малом) диаметре матрицы заглушек на концевые элементы плоских секций между нечетными и четными слоями матрицы.Groups of spiral-shaped channels are formed by placing plugs on the end elements of flat sections of the outer layers of the matrix and between even and odd layers of the matrix on a small (or large) diameter of the matrix and, accordingly, on a large (or small) diameter of the matrix, plugs on the end elements of flat sections between odd and even layers of the matrix.

На концевые элементы плоских секций крайних слоев матрицы установлены кольцевые коллекторы, соответственно, на большом (или малом) диаметре матрицы.Ring collectors are installed on the end elements of the flat sections of the outer layers of the matrix, respectively, on the large (or small) diameter of the matrix.

Между соседними четным и нечетным (или нечетным и четным) слоями матрицы установлен кольцевой проходной коллектор, соответственно, на большом (или малом) диаметре матрицы.Between the adjacent even and odd (or odd and even) layers of the matrix, a ring-shaped pass-through collector is installed, respectively, on the large (or small) diameter of the matrix.

Заглушки на концевые элементы плоских секций одного слоя матрицы выполнены в виде общего кольца, соответствующего большому (или малому) диаметру матрицы.The plugs on the end elements of the flat sections of one matrix layer are made in the form of a common ring corresponding to the large (or small) diameter of the matrix.

Слой матрицы может быть образован из плоских секций с расположением концевых элементов в соседних угловых секторах слоя матрицы (тип А), при этом шаг спирали равенThe matrix layer can be formed from flat sections with the end elements located in adjacent angular sectors of the matrix layer (type A), while the spiral pitch is equal to

Слой матрицы моет быть образован из плоских секций с расположением концевых элементов через один соседний угловой сектор слоя матрицы (тип Б), при этом шаг спирали равенThe matrix layer can be formed from flat sections with the end elements arranged through one adjacent angular sector of the matrix layer (type B), while the spiral pitch is equal to

где t - шаг спирали спиралеподобных каналов; δ - толщина концевого элемента плоской секции; n - количество групп спиралеподобных каналов в матрице, равное количеству плоских секций в слое матрицы.where t is the pitch of the spiral of spiral-like channels; δ is the thickness of the end element of the flat section; n is the number of groups of spiral-like channels in the matrix, equal to the number of flat sections in the matrix layer.

Трубки плоских секций могут быть выполнены прямолинейными.The tubes of flat sections can be made straight.

Плоские секции могут быть выполнены монолитными с заглушками в виде набора плоских секций с различным соответствующим размещением заглушек на концевых элементах.Flat sections can be made monolithic with plugs in the form of a set of flat sections with different corresponding placement of plugs on the end elements.

Слои матрицы могут быть выполнены монолитными в виде набора слоев с различным соответствующим размещением составляющих деталей.The matrix layers can be made monolithic in the form of a set of layers with different corresponding placement of the component parts.

Матрица может быть помещена в тороидальный корпус и теплоноситель с большим давлением подключен к трубкам спиралеподобных каналов, а с меньшим давлением - к межтрубному объему корпуса.The matrix can be placed in a toroidal housing and the coolant with high pressure is connected to the tubes of the spiral-shaped channels, and with lower pressure - to the inter-tube volume of the housing.

Группы спиралеподобных каналов, каждая или по нескольку штук, могут быть подключены к разным теплоносителям.Groups of spiral-shaped channels, each or several, can be connected to different heat carriers.

Теплообменник представляет собой конструкцию в чем-то напоминающую многозаходную резьбу: число заходов резьбы равно числу плоских секций в слое матрицы; заходы резьбы начинаются от концевых элементов, например, находящихся на большом диаметре матрицы крайнего слоя матрицы; глубина резьбы варьируется между радиусами концевых элементов относительно продольной оси матрицы, располагаемых попеременно на большом и малом радиусах матрицы; шаг резьбы определяется между двумя точками одного спиралеподобного канала, лежащими на продольной линии вдоль оси матрицы. Внешний теплоноситель занимает объем теплообменника с внешней стороны множества трубок плоских секций, расположенных в последовательных слоях матрицы.The heat exchanger is a structure somewhat reminiscent of a multi-start thread: the number of thread starts is equal to the number of flat sections in the matrix layer; the thread starts start from the end elements, for example, located on the large diameter of the matrix of the outer layer of the matrix; the thread depth varies between the radii of the end elements relative to the longitudinal axis of the matrix, located alternately on the large and small radii of the matrix; the thread pitch is determined between two points of one spiral-like channel lying on a longitudinal line along the matrix axis. The external coolant occupies the volume of the heat exchanger on the outside of a plurality of tubes of flat sections located in successive layers of the matrix.

Образуемые группы спиралеподобных каналов в матрице теплообменника обеспечивают многократное увеличение эффективности теплообмена через увеличение площади поверхности теплообмена, поскольку длина спиралеподобных каналов во много раз превосходит известную у прототипа, где она равна площади поверхности группы трубок только одной плоской секции при однократном проходе теплоносителя между концевыми элементами на большом и малом диаметрах.The formed groups of spiral-like channels in the heat exchanger matrix provide a multiple increase in heat exchange efficiency through an increase in the heat exchange surface area, since the length of the spiral-like channels is many times greater than that known in the prototype, where it is equal to the surface area of the group of tubes of only one flat section with a single passage of the coolant between the end elements on the large and small diameters.

Условия требуемого теплообмена определяют длину спиралеподобных каналов, пропорциональную количеству слоев матрицы, и проходное сечение, равное сумме площадей поперечного сечения всех трубок всех плоских секций, расположенных в слое матрицы.The conditions of the required heat exchange determine the length of the spiral-shaped channels, proportional to the number of matrix layers, and the flow section, equal to the sum of the cross-sectional areas of all the tubes of all the flat sections located in the matrix layer.

Постановка промежуточных кольцевых коллекторов обеспечивает перемешивание внутреннего теплоносителя, предотвращая возможный неравномерный расход его через разные трубки теплообменника.The installation of intermediate ring collectors ensures mixing of the internal heat carrier, preventing possible uneven flow through different heat exchanger tubes.

Применение тороидального корпуса позволяет организовать циркуляцию двух разных теплоносителей. При этом направление теплоносителя с большим давлением по трубкам спиралеподобных каналов позволяет частично их разгрузить противодавлением теплоносителя в межтрубном объеме и применить трубки с меньшей толщиной стенки. В свою очередь этот факт дополнительно увеличивает эффективность теплообмена между теплоносителями и, кроме того, уменьшает суммарную массу теплообменника.The use of a toroidal body allows for the circulation of two different heat carriers. At the same time, the direction of the heat carrier with high pressure through the tubes of spiral-shaped channels allows for their partial unloading by the back pressure of the heat carrier in the inter-tube volume and the use of tubes with a thinner wall thickness. In turn, this fact additionally increases the efficiency of heat exchange between the heat carriers and, in addition, reduces the total mass of the heat exchanger.

Группы спиралеподобных каналов, каждая в отдельности или по нескольку штук могут быть подключены к разным теплоносителям, что позволяет применить теплоноситель для трубок из областей с разным давлением и даже применить несколько разнородных теплоносителей.Groups of spiral-shaped channels, each individually or several pieces, can be connected to different heat carriers, which allows using a heat carrier for tubes from areas with different pressures and even using several different heat carriers.

При близких значениях большого и малого диаметров матрицы с увеличением количества плоских секций в слое матрицы трубки спиралеподбных каналов возможно выполнять прямолинейными в поставочном состоянии без гибки их перед сваркой в составе плоских секций. Это значительно упрощает технологию сборки матрицы и в целом повышает общую надежность устройства.With close values of the large and small diameters of the matrix with an increase in the number of flat sections in the matrix layer, the tubes of spiral-like channels can be made rectilinear in the delivered state without bending them before welding as part of flat sections. This significantly simplifies the matrix assembly technology and generally increases the overall reliability of the device.

Выполнение слоев матрицы из плоских секций в виде набора монолитных секций (правая, левая, коллектор и пр.) и тем более выполнение матрицы в виде набора монолитных слоев (правый, левый, коллектор и пр.) значительно упрощает сборку теплообменника.The implementation of matrix layers from flat sections in the form of a set of monolithic sections (right, left, collector, etc.) and, even more so, the implementation of the matrix in the form of a set of monolithic layers (right, left, collector, etc.) significantly simplifies the assembly of the heat exchanger.

Сущность изобретения поясняется чертежами: The essence of the invention is explained by the drawings:

Фиг. 1 - схема тороидального трубчатого теплообменника; Fig. 1 - diagram of a toroidal tubular heat exchanger;

Фиг. 2 - фрагмент теплообменника - плоская секция из группы трубок и концевых элементов для большого и малого диаметров матрицы; Fig. 2 - fragment of a heat exchanger - a flat section from a group of tubes and end elements for large and small matrix diameters;

Фиг. 3 - схемы одного канала теплообменника типа А при разных n; Fig. 3 - diagrams of one channel of a heat exchanger of type A at different n;

Фиг. 4 - схемы одного канала теплообменника типа Б при разных n; Fig. 4 - diagrams of one channel of a type B heat exchanger for different n;

Фиг. 5 - условная поперечная схема теплообменника типа Б при n=8, tБ - 4 δ; Fig. 5 - conventional transverse diagram of a heat exchanger of type B with n=8, t B - 4 δ;

Фиг. 6 - условная продольная схема теплообменника типа Б при n=8, t=4 δ; Fig. 6 - conventional longitudinal diagram of a heat exchanger of type B at n=8, t=4 δ;

Фиг. 7 - поперечная схема теплообменника типа Б с прямыми трубками плоских секций при n=32, tБ=16 δ;Fig. 7 - transverse diagram of a heat exchanger of type B with straight tubes of flat sections at n=32, t B =16 δ;

Фиг. 8 - схема одного канала теплообменника типа Б с прямыми трубками плоских секций при n=32, tБ=16 δ,Fig. 8 - diagram of one channel of a heat exchanger of type B with straight tubes of flat sections at n=32, t B =16 δ,

Фиг. 9 - схемная компоновка рекуператора газотурбинной энергоустановки.Fig. 9 - schematic layout of the gas turbine power plant recuperator.

На фигурах приняты обозначения цифр со сносками, буквенные и цифр без сносок:On the figures, the designations of numbers with footnotes, letters and numbers without footnotes are accepted:

1 - тороидальный корпус теплообменника,1 - toroidal heat exchanger body,

2 - входной патрубок внешнего теплоносителя,2 - external coolant inlet pipe,

3 - выходной патрубок внешнего теплоносителя,3 - outlet pipe of external coolant,

4 - входной патрубок внутреннего теплоносителя,4 - inlet pipe of the internal coolant,

5 - входной кольцевой коллектор внутреннего теплоносителя,5 - inlet ring collector of the internal coolant,

6 - выходной патрубок внутреннего теплоносителя,6 - outlet pipe of the internal coolant,

7 - выходной кольцевой коллектор внутреннего теплоносителя,7 - outlet ring collector of the internal coolant,

8 - осесимметричная матрица,8 - axisymmetric matrix,

9 - группа трубок плоской секции,9 - group of flat section tubes,

10 - концевой элемент плоской секции для большого диаметра матрицы,10 - end element of flat section for large matrix diameter,

11 - концевой элемент плоской секции для малого диаметра матрицы,11 - end element of flat section for small matrix diameter,

12 - кольцевой проходной коллектор,12 - annular flow-through collector,

n - количество групп спиралеподобных каналов в матрице, равное количеству плоских секций в слое матрицы,n is the number of groups of spiral-shaped channels in the matrix, equal to the number of flat sections in the matrix layer,

Δ - толщина тороидальной спирали спиралеподобного канала,Δ - thickness of the toroidal spiral of the spiral-shaped channel,

t - шаг спиралеподобного канала,t - pitch of the spiral channel,

D - большой диаметр матрицы,D - large matrix diameter,

d - малый диаметр матрицы,d - small diameter of the matrix,

δ - толщина концевого элемента плоской секции,δ - thickness of the end element of the flat section,

Ф - диаметр концевого элемента плоской секции,F - diameter of the end element of the flat section,

2 m - общее количество слоев в матрице теплообменника,2 m - total number of layers in the heat exchanger matrix,

А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, И - обозначение концевых элементов на большом радиусе матрицы, а, 6, в, г, д, е, ж, и - обозначение концевых элементов на малом радиусе матрицы,A, B, C, D, E, G, I - designation of end elements on the large radius of the matrix, a, b, c, g, d, e, g, i - designation of end elements on the small radius of the matrix,

1, 2, 3…16 (без сносок) - обозначение порядковых номеров плоских секций и слоев в матрице теплообменника (на схемах выделенной одной группы спиралеподобного канала теплообменника - фиг. 3, 4, 8).1, 2, 3…16 (without footnotes) - designation of the serial numbers of flat sections and layers in the heat exchanger matrix (in the diagrams of a single group of the spiral-shaped heat exchanger channel - Fig. 3, 4, 8).

Конструкция тороидального трубчатого теплообменника показана на фиг. 1. Тороидальный корпус 1 применяется при работе с двумя теплоносителями, в том числе в условиях космического пространства. Без корпуса 1 тороидальный трубчатый теплообменник может использоваться, например, в качестве воздухо-воздушного теплообменника в набегающем потоке наружного канала двухконтурного турбореактивного двигателя. Входной патрубок 4 через кольцевой входной коллектор 5 подает внутренний теплоноситель в матрицу 8, составленную из слоев плоских секций.The design of the toroidal tubular heat exchanger is shown in Fig. 1. The toroidal body 1 is used when working with two coolants, including in outer space conditions. Without the body 1, the toroidal tubular heat exchanger can be used, for example, as an air-to-air heat exchanger in the incident flow of the outer channel of a dual-circuit turbojet engine. The inlet branch pipe 4, through the annular inlet manifold 5, supplies the internal coolant to the matrix 8, composed of layers of flat sections.

Каждая плоская секция-фрагмент теплообменника (см. фиг.2) - содержит группу трубок 9 и два концевых элемента: 10 - для большого диаметра матрицы и 11 - для малого диаметра матрицы 8.Each flat section-fragment of the heat exchanger (see Fig. 2) contains a group of tubes 9 and two end elements: 10 - for a large diameter of the matrix and 11 - for a small diameter of the matrix 8.

Набор из «n» - плоских секций образует слой в матрице 8, перпендикулярный оси матрицы. При этом слой может формироваться по-разному:A set of "n" flat sections forms a layer in the matrix 8, perpendicular to the axis of the matrix. The layer can be formed in different ways:

- образованием слоя матрицы из плоских секций с расположением концевых элементов в соседних угловых секторах (тип А);- formation of a matrix layer from flat sections with the location of end elements in adjacent corner sectors (type A);

- образованием слоя матрицы из плоских секций с расположением концевых элементов через один соседний угловой сектор (тип Б) и т.д.- formation of a matrix layer from flat sections with the end elements located through one adjacent angular sector (type B), etc.

На фиг. 3 приведены схемы одного спиралеподобного канала теплообменника типа А с разным количеством плоских секций в слое матрицы с изменяющимся шагом tA спиралеподобного канала. Аналогичные схемы одного канала теплообменника типа Б приведены на фиг. 4. На фиг. 3, 4 каждый элемент в виде отрезка кривой означает одну плоскую секцию в одном слое матрицы (конструкция плоской секции описана ранее по фиг. 2).Fig. 3 shows the diagrams of one spiral-shaped channel of a heat exchanger of type A with a different number of flat sections in the matrix layer with a changing pitch t A of the spiral-shaped channel. Similar diagrams of one channel of a heat exchanger of type B are shown in Fig. 4. In Fig. 3, 4, each element in the form of a curve segment means one flat section in one matrix layer (the design of the flat section was described earlier in Fig. 2).

Теплоноситель проходит из начального концевого элемента на большом диаметре матрицы по трубкам плоской секции первого слоя до концевого элемента на малом диаметре (сплошная линия со стрелкой), затем переходит в концевой элемент на малом диаметре плоской секции второго слоя матрицы и по трубкам второго слоя матрицы доходит до концевого элемента на большом диаметре (пунктирная линия) и т.д. пока теплоноситель не выполнит полный оборот вокруг оси матрицы и не вернется в начальную точку по положению концевого элемента, но уже через шаг t спиралеподобного канала. При этом надо помнить, что каждый слой матрицы содержит «n» групп спиралеподобных каналов, каждая группа из которых состоит из нескольких трубок одной плоской секции. Таким образом формируется перекрестно-противоточная схема теплообмена, поскольку в межтрубном пространстве поток внешнего теплоносителя идет справа налево.The heat carrier passes from the initial end element on the large diameter of the matrix through the tubes of the flat section of the first layer to the end element on the small diameter (solid line with an arrow), then passes to the end element on the small diameter of the flat section of the second layer of the matrix and through the tubes of the second layer of the matrix reaches the end element on the large diameter (dashed line), etc. until the heat carrier makes a full revolution around the axis of the matrix and returns to the initial point by the position of the end element, but already through a step t of the spiral-like channel. It should be remembered that each layer of the matrix contains "n" groups of spiral-like channels, each group of which consists of several tubes of one flat section. Thus, a cross-countercurrent heat exchange scheme is formed, since in the intertube space the flow of the external heat carrier goes from right to left.

На фиг.5 приведена поперечная схема теплообменника типа Б для n=8, tБ=4δ. Многоходовость спиралеподобного канала на шаге tБ, т.е. суммарное количество переходов от большого диаметра матрицы к малому диаметру и обратных переходов, зависит от количества групп спиралеподобных каналов «n» и его четности или нечетности, т.к. от этого зависит количество слоев, в шаге t. При четном количестве групп каналов шаг спиралеподобного канала становится короче. Это отслеживается на приведенных схемах одного канала: фиг. 3 а) в) - шаг равен tA=2n δ; фиг. 3 б) г) - шаг равен tA=n δ; фиг. 4 б) - шаг равен tБ=2nδ; фиг.4 а) - шаг равен tБ=n δ; фиг. 4 в) г) - шаг равен tБ=nδ/2.Fig. 5 shows the transverse diagram of the heat exchanger type B for n=8, t B =4δ. The multi-pass nature of the spiral-like channel at step t B , i.e. the total number of transitions from the large diameter of the matrix to the small diameter and the reverse transitions, depends on the number of groups of spiral-like channels "n" and its evenness or oddness, since the number of layers in step t depends on this. With an even number of channel groups, the step of the spiral-like channel becomes shorter. This is traced in the given diagrams of one channel: Fig. 3 a) c) - the step is equal to t A =2n δ; Fig. 3 b) d) - the step is equal to t A =n δ; Fig. 4 b) - the step is equal to t B =2nδ; Fig. 4 a) - the step is equal to t B =n δ; Fig. 4 c) d) - the step is equal to t B =nδ/2.

От каждого начального концевого элемента в первом слое матрицы уходят внутрь матрицы сквозные спиралеподобные каналы, образуя семейство перекрестно-поперечных трубок плоских секций - пример на фиг. 5 (при этом одна линия на фиг. 5 обозначает семейство трубок плоской секции, как это видно на фиг. 2). Этот же пример теплообменника приведен на фиг. 6 в виде условной продольной схемы, где цифры 1, 2…(при буквах А, В…указывают на порядковый слой матрицы. Спиралеподобные каналы образованы прикреплением заглушек на малом диаметре матрицы на концевые элементы крайних слоев матрицы и между четными и нечетными слоями матрицы, и, соответственно, на большом диаметре матрицы прикреплением заглушек на концевые элементы между нечетными и четными слоями. На фиг.6 заглушки обозначены жирными линиями. Одна из групп спиралеподобных каналов образована, например, А1 - a1 - в2 - В2 - Д3-д3 -ж4 - Ж4 - А5 - а5 -… Д(2 m-1) - д(2m-1) - ж(2m) - Ж(2m). В рассматриваемом примере матрицы таких групп спиралеподобных каналов восемь, с началом А1, Б1, В1, Г1, Д1, Е1, Ж1, И1. Выходной кольцевой коллектор 7 установлен на конце матрицы, кратной шагу спиралеподобного канала. На расстоянии, равном tБ=4δ, установлен кольцевой проходной коллектор 12, выравнивающий перемешиванием температуру внутреннего теплоносителя, выходящего из разных тороидальных спиралей спиралеподобных каналов: от Ж4 до Е4 в слое матрицы перед коллектором 12 (см. фиг.6 и 5). Кольцевой коллектор может быть установлен между четными и нечетными или нечетными и четными слоями матрицы, но при этом, соответственно, для большого или малого диаметра матрицы.From each initial end element in the first layer of the matrix, through spiral-like channels go into the matrix, forming a family of cross-transverse tubes of flat sections - an example in Fig. 5 (in this case, one line in Fig. 5 denotes a family of tubes of a flat section, as can be seen in Fig. 2). The same example of a heat exchanger is shown in Fig. 6 in the form of a conventional longitudinal diagram, where the numbers 1, 2 ... (with the letters A, B ... indicate the ordinal layer of the matrix. Spiral-like channels are formed by attaching plugs on the small diameter of the matrix to the end elements of the outer layers of the matrix and between the even and odd layers of the matrix, and, accordingly, on the large diameter of the matrix by attaching plugs to the end elements between the odd and even layers. In Fig. 6, the plugs are indicated by bold lines. One of the groups of spiral-like channels is formed, for example, A1 - a1 - b2 - B2 - D3-d3 -zh4 - Zh4 - A5 - a5 - ... D (2 m-1) - d (2m-1) - zh (2m) - Zh (2m). In the example of the matrix under consideration, there are eight such groups of spiral-like channels, with the beginning A1, B1, B1, G1, D1, E1, Zh1, I1. The output ring collector 7 is mounted at the end matrix, multiple of the pitch of the spiral-like channel. At a distance equal to t B =4δ, an annular through-flow collector 12 is installed, equalizing by mixing the temperature of the internal coolant coming out of different toroidal spirals of the spiral-like channels: from Ж4 to Е4 in the matrix layer in front of the collector 12 (see Fig. 6 and 5). The annular collector can be installed between even and odd or odd and even layers of the matrix, but in this case, respectively, for a large or small diameter of the matrix.

Матрица теплообменника может быть выполнена с любым количеством слоев (необязательно кратным шагу) для выполнения габаритных продольных размеров теплообменника, с учетом постановки кольцевых коллекторов.The heat exchanger matrix can be made with any number of layers (not necessarily multiple of the pitch) to achieve the overall longitudinal dimensions of the heat exchanger, taking into account the placement of the ring collectors.

В зависимости от диаметров D и d при проектировании теплообменника выбирается схема теплообменника типа А или Б и количество групп спиралеподобных каналов «n» в матрице так, чтобы трубки плоских секций соседних слоев образовывали более частую пространственную решетку. На всех фиг.3 - 5, 7, 8 каждая линия между концевыми элементами А - а, Б - 6 и т.д. обозначает семейство из нескольких трубок, соединяющих концевые элементы плоских секций, расположенные на большом и малом диаметрах матрицы, как показано на фиг.2.Depending on the diameters D and d, when designing a heat exchanger, a heat exchanger scheme of type A or B and the number of groups of spiral-like channels "n" in the matrix are selected so that the tubes of the flat sections of adjacent layers form a more frequent spatial lattice. In all Figs. 3 - 5, 7, 8, each line between the end elements A - a, B - 6, etc. denotes a family of several tubes connecting the end elements of the flat sections located on the large and small diameters of the matrix, as shown in Fig. 2.

Для некоторых применений возможно изготовление матрицы теплообменника сборкой отдельных слоев из одинаковых плоских секций, каждая из которых изготавливается, например, современным процессом выборочной лазерной наплавки трубок, заготовок концевых элементов и заглушек. При этом появляется уже целый набор плоских секций: правая, левая, заглушка на малом или на большом диаметре. Собранная матрица стягивается продольными шпильками, проходящими между трубок на всю длину матрицы. Также монолитными могут изготавливаться целые слои матрицы в виде соответствующих наборов.For some applications, it is possible to manufacture the heat exchanger matrix by assembling individual layers of identical flat sections, each of which is manufactured, for example, by a modern process of selective laser cladding of tubes, end element blanks and plugs. In this case, a whole set of flat sections appears: right, left, plug on a small or large diameter. The assembled matrix is pulled together by longitudinal pins passing between the tubes along the entire length of the matrix. Also, whole layers of the matrix can be made monolithic in the form of corresponding sets.

В космических ядерных газотурбинных энергоустановках имеется по схеме два теплообменника: рекуператор и холодильник. И если холодильник может быть конструктивно объединен с внешним холодильником-излучателем энергоустановки, то рекуператор призван улавливать отходящее тепло, и теплообмен в нем происходит между отработавшим в турбине теплоносителем и теплоносителем, выходящим из компрессора в нагреватель для подогрева. В рекуператоре по трубкам пускается теплоноситель с большим давлением (после компрессора), а по межтрубному объему в корпусе - с меньшим давлением (после турбины). Это позволяет уменьшить толщину стенок трубок 9 и концевых элементов 10, 11 (фиг. 2), рассчитывая их прочность только на разность давлений теплоносителей. Стенки трубок получаются тоньше, что дополнительно увеличивает эффективность теплообмена.In space nuclear gas turbine power plants, there are two heat exchangers according to the scheme: a recuperator and a refrigerator. And if the refrigerator can be structurally combined with the external refrigerator-emitter of the power plant, then the recuperator is designed to capture the waste heat, and heat exchange in it occurs between the coolant used in the turbine and the coolant leaving the compressor into the heater for heating. In the recuperator, a coolant with a high pressure (after the compressor) is supplied through the tubes, and through the intertube volume in the casing - with a lower pressure (after the turbine). This allows you to reduce the thickness of the walls of the tubes 9 and end elements 10, 11 (Fig. 2), calculating their strength only for the difference in pressures of the coolants. The walls of the tubes are thinner, which additionally increases the efficiency of heat exchange.

При сравнительно близких значениях диаметров D и d можно увеличивать количество групп спиралеподобных каналов, при этом трубки в плоских секциях между концевыми элементами выполняют прямолинейными без гибки, что значительно упрощает технологию сборочных операций при изготовлении теплообменников. Пример показан на фиг. 7 для одной четверти круга поперечной схемы теплообменника типа Б и на фиг. 8 для схемы одного спиралеподобного канала того же теплообменника с параметрами: n=32, tБ=16 δ. При применении в плоских секциях (фиг. 2) трубок диаметром 12x1 мм толщина концевых элементов δ равна 16 мм, и вся сборка матрицы из 16 слоев составляет продольный размер 256 мм. При этом суммарное проходное сечение всех спиралеподобных каналов (при четырех трубках 12x1 мм в плоской секции) составляет 102 см2, что эквивалентно трубопроводу с внутренним диаметром 5,7 см. При этом, по оценкам, площадь теплообмена примерно соотносится как 7700 (Д-д) против 2320 см2.With relatively close values of the diameters D and d, it is possible to increase the number of groups of spiral-shaped channels, while the tubes in the flat sections between the end elements are made straight without bending, which significantly simplifies the technology of assembly operations in the manufacture of heat exchangers. An example is shown in Fig. 7 for one quarter of the circle of the transverse diagram of a type B heat exchanger and in Fig. 8 for the diagram of one spiral-shaped channel of the same heat exchanger with the parameters: n = 32, t B = 16 δ. When using tubes with a diameter of 12 x 1 mm in flat sections (Fig. 2), the thickness of the end elements δ is 16 mm, and the entire assembly of the matrix of 16 layers makes up a longitudinal size of 256 mm. In this case, the total flow cross-section of all spiral-shaped channels (with four 12x1 mm tubes in a flat section) is 102 cm2 , which is equivalent to a pipeline with an internal diameter of 5.7 cm. In this case, according to estimates, the heat exchange area is approximately related as 7700 (D-d) versus 2320 cm2 .

Схемная компоновка рекуператора газотурбинной энергоустановки приведена на фиг. 9, где I - внутренний теплоноситель, II - внешний. Для наземного и атмосферного применения в ряде случаев корпус теплообменника необязателен и внешним теплоносителем служит обтекающий поток воздуха.The schematic layout of the gas turbine power plant recuperator is shown in Fig. 9, where I is the internal coolant, II is the external. For ground and atmospheric applications, in some cases, the heat exchanger body is not necessary and the flowing air stream serves as the external coolant.

При проектировании теплообменника в каждом конкретном случае выбирается набор параметров, которые обеспечивают наиболее равномерное распределение перекрещивающихся трубок между большим и малым диаметрами в матрице теплообменника. При проектировании определяют размеры теплообменника по требуемому расходу внутреннего теплоносителя: диаметр трубок и их количество в плоской секции, диаметр концевых элементов, количество плоских секций и спиралеподобных каналов из условия постоянства и достаточности проходного поперечного сечения. Также определяется количество слоев матрицы при заданной длине теплообменника; расположение крайних кольцевых коллекторов на каком диаметре матрицы; направление выводов теплоносителя из крайних коллекторов; возможное секционирование/группирование.When designing a heat exchanger, a set of parameters is selected in each specific case that ensure the most uniform distribution of intersecting tubes between large and small diameters in the heat exchanger matrix. When designing, the dimensions of the heat exchanger are determined by the required flow rate of the internal coolant: the diameter of the tubes and their number in a flat section, the diameter of the end elements, the number of flat sections and spiral-shaped channels from the condition of constancy and sufficiency of the flow cross-section. The number of matrix layers is also determined for a given length of the heat exchanger; the location of the outer ring collectors on which diameter of the matrix; the direction of the coolant outlets from the outer collectors; possible sectioning/grouping.

Конструкция теплообменника позволяет через отдельные группы спиралеподобных каналов подавать внутренний теплоноситель от разных систем, автономно работающих друг от друга, и даже внутренние теплоносители разного типа; при общем внешнем теплоносителе в межтрубном пространстве теплообменника.The design of the heat exchanger allows for the supply of internal heat carrier from different systems operating autonomously from each other, and even internal heat carriers of different types, through separate groups of spiral-shaped channels; with a common external heat carrier in the intertube space of the heat exchanger.

Claims (15)

1. Тороидальный трубчатый теплообменник, содержащий тороидальную матрицу, образованную из перпендикулярных оси матрицы слоев из плоских секций, состоящих каждая из нескольких трубок и двух концевых элементов в виде колец, расположенных на большом и малом диаметрах матрицы, отличающийся тем, что внутри тороидальной матрицы вокруг продольной оси образованы спиралеподобные каналы из сгруппированных по плоским секциям трубок, с чередующимся изменением радиального размера спирали между большим и малым диаметрами матрицы в последовательных слоях матрицы, при этом количество групп спиралеподобных каналов равно количеству плоских секций в слое матрицы.1. A toroidal tubular heat exchanger containing a toroidal matrix formed from layers of flat sections perpendicular to the matrix axis, each consisting of several tubes and two end elements in the form of rings located on the large and small diameters of the matrix, characterized in that inside the toroidal matrix around the longitudinal axis, spiral-like channels are formed from tubes grouped by flat sections, with an alternating change in the radial size of the spiral between the large and small diameters of the matrix in successive layers of the matrix, wherein the number of groups of spiral-like channels is equal to the number of flat sections in the matrix layer. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что группы спиралеподобных каналов образованы посредством размещения на малом или большом диаметре матрицы заглушек на концевые элементы плоских секций крайних слоев матрицы и между четными и нечетными слоями матрицы и, соответственно, на большом или малом диаметре матрицы заглушек на концевые элементы плоских секций между нечетными и четными слоями матрицы.2. The device according to item 1, characterized in that the groups of spiral-shaped channels are formed by placing plugs on the end elements of the flat sections of the outer layers of the matrix and between the even and odd layers of the matrix on a small or large diameter of the matrix and, accordingly, plugs on the end elements of the flat sections between the odd and even layers of the matrix on a large or small diameter of the matrix. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на концевые элементы плоских секций крайних слоев матрицы установлены кольцевые коллекторы, соответственно на большом или малом диаметре матрицы.3. The device according to item 1, characterized in that ring collectors are installed on the end elements of the flat sections of the outer layers of the matrix, respectively on the large or small diameter of the matrix. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между соседними четным и нечетным или нечетным и четным слоями матрицы установлен кольцевой проходной коллектор, соответственно, на большом или малом диаметре матрицы.4. The device according to item 1, characterized in that between adjacent even and odd or odd and even layers of the matrix, an annular through-flow collector is installed, respectively, on the large or small diameter of the matrix. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что заглушки на концевые элементы плоских секций одного слоя матрицы выполнены в виде общего кольца, соответствующего большому или малому диаметру матрицы.5. The device according to item 1, characterized in that the plugs on the end elements of the flat sections of one layer of the matrix are made in the form of a common ring corresponding to the large or small diameter of the matrix. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что слой матрицы образован из плоских секций с расположением концевых элементов в соседних угловых секторах слоя матрицы, тип А, при этом шаг спирали равен6. The device according to item 1, characterized in that the matrix layer is formed from flat sections with the end elements located in adjacent angular sectors of the matrix layer, type A, while the pitch of the spiral is equal to 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что слой матрицы образован из плоских секций с расположением концевых элементов через один соседний угловой сектор слоя матрицы, тип Б, при этом шаг спирали равен7. The device according to item 1, characterized in that the matrix layer is formed from flat sections with the end elements arranged through one adjacent angular sector of the matrix layer, type B, while the pitch of the spiral is equal to где t - шаг спирали спиралеподобных каналов; δ - толщина концевого элемента плоской секции; n - количество групп спиралеподобных каналов в матрице, равное количеству плоских секций в слое матрицы.where t is the pitch of the spiral of spiral-like channels; δ is the thickness of the end element of the flat section; n is the number of groups of spiral-like channels in the matrix, equal to the number of flat sections in the matrix layer. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что трубки плоских секций выполнены прямолинейными.8. The device according to item 1, characterized in that the tubes of the flat sections are made rectilinear. 9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плоские секции выполнены монолитными с заглушками в виде набора плоских секций с различным соответствующим размещением заглушек на концевых элементах.9. The device according to item 1, characterized in that the flat sections are made monolithic with plugs in the form of a set of flat sections with different corresponding placement of plugs on the end elements. 10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что слои матрицы выполнены монолитными в виде набора с различным соответствующим размещением составляющих деталей.10. The device according to item 1, characterized in that the matrix layers are made monolithic in the form of a set with different corresponding placement of the component parts. 11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что матрица помещена в тороидальный корпус и теплоноситель с большим давлением подключен к трубкам спиралеподобных каналов, а с меньшим давлением - к межтрубному объему корпуса.11. The device according to item 1, characterized in that the matrix is placed in a toroidal housing and the coolant with high pressure is connected to the tubes of the spiral-shaped channels, and with lower pressure - to the inter-tube volume of the housing. 12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что группы спиралеподобных каналов, каждая или по нескольку штук, подключены к разным теплоносителям.12. The device according to item 1, characterized in that the groups of spiral-shaped channels, each or several, are connected to different heat carriers.
RU2025102660A 2025-02-07 Toroidal tubular heat exchanger RU2844670C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2844670C1 true RU2844670C1 (en) 2025-08-04

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4800955A (en) * 1986-10-20 1989-01-31 Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Munchen Gmbh Heat exchanger
RU2680636C1 (en) * 2018-05-14 2019-02-25 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Cooling system of a multi-circuit gas turbine unit
RU2699851C1 (en) * 2019-05-20 2019-09-11 Акционерное общество "ОДК-Климов" Tubular heat exchanger
RU2727105C1 (en) * 2019-11-05 2020-07-20 Акционерное общество "ОДК-Климов" Tubular heat exchanger

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4800955A (en) * 1986-10-20 1989-01-31 Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Munchen Gmbh Heat exchanger
RU2680636C1 (en) * 2018-05-14 2019-02-25 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Cooling system of a multi-circuit gas turbine unit
RU2699851C1 (en) * 2019-05-20 2019-09-11 Акционерное общество "ОДК-Климов" Tubular heat exchanger
RU2727105C1 (en) * 2019-11-05 2020-07-20 Акционерное общество "ОДК-Климов" Tubular heat exchanger

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3193125B1 (en) Heat exchanger channels
CN110553519B (en) Tube bundle type heat exchanger
KR101367484B1 (en) Steam generator
US6910528B2 (en) Plate fin heat exchanger for a high temperature
CA1065145A (en) Concentric crossflow recuperator for stirling engine
JP6114379B2 (en) Spiral tube EGR cooler
US4475586A (en) Heat exchanger
EP1834153B1 (en) Heat exchanger
US3255818A (en) Involute plate heat exchanger
SE512582C2 (en) Method for manufacturing annular heat exchanger for gas turbine engines
US11879691B2 (en) Counter-flow heat exchanger
CN110822942A (en) Three-dimensional cobweb laminated tube type heat exchanger based on bionics
RU2844670C1 (en) Toroidal tubular heat exchanger
US4077215A (en) Compact ceramic recuperator preheater for stirling engine
EP4089356B1 (en) Heat exchanger tube support
US5097896A (en) Heat exchanger
RU2680636C1 (en) Cooling system of a multi-circuit gas turbine unit
CN118347324A (en) Heat exchanger based on bamboo joint type reinforced heat exchange structure and heat exchange method
US5117904A (en) Heat exchanger
CN118188164A (en) An integrated structure of flow channel and variable geometry precooler
CN215638937U (en) Multi-flow mosquito-repellent incense coil type heat exchanger
US3789494A (en) Method of spirally winding strip to produce pinned units
US3055641A (en) Heat exchanger
CN107192279A (en) A kind of circular passage inside spin shell and tube gas-gas heat exchanger
RU2819324C1 (en) Plate heat exchanger with helical turbulators for gas turbine plant