Интенсифицированный трубный пучок
Поверхность трубчатого теплообменника представляет собой интенсифицированный поперечно обтекаемый пучок труб с периодически расположенными вдоль оси и последовательно чередующимися по потоку цилиндрическими участками наружной поверхности с разными, большим d1 и меньшим d2, диаметрами с шахматной или коридорной схемами разбивки. При этом каждая из труб пучка представляет собой несущую круглую цилиндрическую трубу постоянного сечения диаметром d2 с размещенными на ней с гарантированным плотным термическим контактом цилиндрическими втулками-насадками диаметром d1>d2 с длиной цилиндрической поверхности, равной длине участка поверхности несущей трубы между ними. Полезная модель обеспечивает интенсификацию теплоотдачи по наружной стороне пучка и характерную для гладких каналов величину сопротивления по внутренней, а также снижение металлоемкости и повышение компактности поверхности теплообменника. 3 ил.
Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании теплообменных аппаратов и устройств промышленного и энергетического назначения, основу которых составляют поперечно обтекаемые трубчатые поверхности.
Известны теплообменники, содержащие поперечно обтекаемые пучки цилиндрических труб одинакового диаметра с прямоугольной (коридорной) или треугольной (шахматной) разбивкой, и коллекторы с трубными досками [1, с.7-8, рис.1.1а; с.25-26, табл.1.5].
Недостатком указанных теплообменников является невысокая эффективность теплоотдачи наружной поверхности пучка труб одинакового диаметра, обусловленная пониженной активностью механизмов переноса в рециркуляционных зонах межтрубного пространства.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб с поверхностью в виде чередующихся одинаковых по длине трубы участков двух разных диаметров, большего и меньшего, последовательно расположенных по ходу потока, с шахматной или коридорной схемами разбивки, и коллекторы с трубными досками [2, Патент на изобретение РФ 
2171439 // БИ. - 2001. - 21]. Наряду с высокой теплоэнергетической эффективностью наружной трубчатой поверхности недостатком этого теплообменника является повышенная величина гидравлического сопротивления по внутренней стороне трубного пучка из-за резкого изменения проходного сечения внутритрубных каналов, сопровождающегося внезапными расширениями и сужениями потока, что на поверхности перехода и в зоне отрыва потока приводит к потерям напора, увеличению затрат мощности на прокачивание внутреннего теплоносителя, и, в целом, к снижению теплоэнергетической эффективности теплообменника.
Принимая во внимание установленную по результатам экспериментальных исследований в работе [3, Эффективность поперечно обтекаемой трубчатой поверхности с различной формой и геометрией // Справочник. Инженерный журнал. - 2009. - 7, с.62, рис.4, п.4; с.63, рис.5, п.3] высокую теплоэнергетическую эффективность наружной поверхности пучка цилиндрических труб переменного сечения, обусловленную благоприятными условиями обтекания и положительным эффектом дополнительной турбулизации потока теплоносителя путем гидродинамического воздействия на его структуру участков поверхности труб с разными диаметрами, наблюдается возможность применения труб с цилиндрическими участками наружной поверхности разных диаметров, образованных при последовательном размещении вдоль оси несущей трубы постоянного сечения диаметром d2 цилиндрических втулок-насадок диаметром d1>d 2 с гарантированным плотным термическим контактом.
Задачами предлагаемой полезной модели являются повышение теплоэнергетической эффективности, снижение металлоемкости и повышение компактности поверхности теплообменных устройств.
Поставленные задачи решаются при использовании в теплообменнике поперечно обтекаемый пучок труб с периодически расположенными вдоль оси и последовательно чередующимися по потоку цилиндрическими участками наружной поверхности с разными, большим d1 и меньшим d2, диаметрами с шахматной или коридорной схемами разбивки, отличающийся тем, что каждая из труб пучка представляет собой несущую круглую цилиндрическую трубу постоянного сечения диаметром d2 с размещенными на ней с гарантированным плотным термическим контактом цилиндрическими втулками-насадками с гладкой или интенсифицированной поверхностью, диаметром d 1>d2 с длиной цилиндрической поверхности, равной длине участка поверхности несущей трубы между ними.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи путем дополнительной турбулизации потока теплоносителя при поперечном обтекании участков трубчатой поверхности с разными наружными диаметрами при одновременном обеспечении характерной для гладких каналов постоянного сечения величины сопротивления по внутренней стороне трубного пучка.
2. Уменьшение металлоемкости и повышение компактности поверхности теплообмена.
На фиг.1 изображен элемент трубы с втулками-насадками; на фиг.2 - элемент поверхности трубного пучка с трубными досками; на фиг.3 - схема разбивки труб в трубных досках, сечение А-А на фиг.2.
Трубы в пучке с концевыми участками несущей трубы диаметром d2 могут быть размещены по вершинам прямоугольника или треугольника разбивки трубных досок 3, образуя коридорную с шагами s1к и s2к или шахматную с шагами s1ш и s 2ш компоновки элементов трубчатой поверхности с минимально допустимыми межтрубными расстояниями. При этом участки наружной трубчатой поверхности с разными диаметрами d1>d 2 и одинаковой длиной l последовательно расположены в поперечном и продольном (по глубине пучка) направлении.
При работе теплообменника, содержащего интенсифицированный трубный пучок, теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри несущих труб 1 постоянного сечения диаметром d2, через стенки передается поверхности втулок-насадок 2 с диаметром d 1>d2 и одновременно от участков наружной поверхности с разными диаметрами d1 (участки втулок-насадок а) и d2 (участки несущей трубы б) холодному теплоносителю, поперечно омывающему наружную поверхность пучка. Эффективность процесса теплопередачи в пучке определяется в значительной мере интенсивностью теплоотдачи между наружной поверхностью труб и омывающим ее теплоносителем. При этом обеспечиваются управление потоком и благоприятные условия обтекания трубчатой поверхности. Одновременно с эффектом интенсификации теплообмена при наличие дополнительной турбулизации потока по наружной стороне трубного пучка сохраняется соответствующая гладким каналам постоянного сечения величина гидравлического сопротивления по внутренней его стороне и, в целом, повышается теплоэнергетическая эффективность пучка труб со сложной геометрией поверхности.
Выполненные экспериментальные исследования теплоаэродинамических характеристик поперечно обтекаемых потоком воздуха симметричных коридорных пучков гладких латунных труб с разновеликими цилиндрическими участками (d1/d2=11/8) показали возможность повышения теплоэнергетической эффективности наружной комбинированной трубчатой поверхности по сравнению с показателями поверхности пучка гладких труб с d=11 мм в среднем до 30% [3, с.62, рис.4]. В плане реализации предлагаемой полезной модели наряду с трубами с втулками-насадками из одинакового материала возможно использование труб с насадками из высокотеплопроводного материала (или, в практически обоснованных случаях, труб с разновеликой наружной поверхностью и постоянным сечением канала из композитных, металлокерамических высокотеплопроводных материалов).
Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.
2. А.А. Анисин, А.К. Анисин, В.Т. Буглаев. Трубчатый теплообменник / Патент на изобретение РФ 2171439 // БИ. - 2001. - 21.
3. Анисин А.А. Эффективность поперечно обтекаемой трубчатой поверхности с различной формой и геометрией // Справочник. Инженерный журнал. - 2009. - 7. - С.59-64.
Интенсифицированный поперечно обтекаемый пучок труб с периодически расположенными вдоль оси и последовательно чередующимися по потоку цилиндрическими участками наружной поверхности с разными, большим d1 и меньшим d2, диаметрами с шахматной или коридорной схемами разбивки, отличающийся тем, что каждая из труб пучка представляет собой несущую круглую цилиндрическую трубу постоянного сечения диаметром d2 с размещенными на ней с гарантированным плотным термическим контактом цилиндрическими втулками-насадками с гладкой или интенсифицированной поверхностью диаметром d1>d2 с длиной цилиндрической поверхности, равной длине участка поверхности несущей трубы между ними.
РИСУНКИ
