Кожухотрубный теплообменник

Полезная модель относится к теплообменной технике. Кожухотрубный теплообменник содержит пучок труб разных наружных диаметров, большего d₁, и меньшего d₂(d ₁>d₂). При этом трубы меньшего диаметра размещены в центре квадратных ячеек с трубами большего диаметра с минимально допустимыми межтрубными расстояниями и образуют в целом комбинированную разновеликую трубчатую поверхность с условной треугольной схемой осей разбивки. Положение вертикальных осей треугольника разбивки с трубами одинакового диаметра d₁ или d₂ при его основании относительно продольной вертикальной плоскости симметрии кожуха, проходящей через его патрубки, устанавливает угловой интервал 15°_опт30°, определяющий оптимальную ориентацию поверхности пучка труб, обеспечивающую при наличии сегментных перегородок благоприятные условия поперечного обтекания и интенсификацию теплоотдачи трубчатой поверхности на стороне кожуха. 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 кожухотрубные теплообменники, содержащие поперечно обтекаемые пучки цилиндрических гладких труб одинакового диаметра с разнообразными схемами движения теплоносителей и различными схемами размещения труб в трубных пучках [1, с.7-8, рис.1.1а; с.25-26, табл.1.5], [2, с.10-12; с.169-171; с.207-215, рис.11.2].

В каждом конструктивном варианте трубного пучка должна быть обеспечена максимальная эффективность поверхности с учетом теплофизических и гидродинамических параметров теплоносителей. Известно, что интенсивность теплоотдачи поверхности пучка труб с коридорным расположением ниже, чем с шахматным из-за характерного для линейно расположенных относительно вектора потока теплоносителя труб одинакового диаметра негативного экранирующего эффекта, когда каждая последующая труба пучка находится в гидродинамическом следе предыдущей и проявляется пониженная активность вихревых процессов в рециркуляционных зонах межтрубного пространства. При шахматном расположении труб в пучке отмеченный эффект существенно снижается и теплоотдача поверхности заметно возрастает. Однако при этом возрастают гидравлическое сопротивление и затраты энергии на прокачку теплоносителя. Создание благоприятных условий поперечного обтекания труб в пучке является важным фактором повышения эффективности теплообмена.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб большего и меньшего диаметров и коллекторы с трубными досками, образованный путем дополнительного введения труб меньшего диаметра d₂ в схемы прямоугольной (коридорной) или треугольной (шахматной) разбивки осей труб большего диаметра d₁ при условии сохранения минимально допустимых межтрубных расстояний [3, Трубчатый теплообменник. Патент на изобретение РФ 2006780, БИ, 1994, 2]. При этом особенностью образованной на основе прямоугольной схемы расположения труб большего диаметра комбинированной поверхности с треугольной схемой размещения осей труб разных диаметров является наличие при ее основании соответствующих труб одинакового диаметра, большего или меньшего, что конструктивно представляет собой реализацию более эффективной, чем коридорная (линейная) с трубами одного диаметра, шахматной (треугольной) схемы расположения в пучке труб большего d₁ и меньшего d₂ диаметров, обеспечивающей выгодные условия обтекания разновеликих элементов поверхности и дополнительную турбулизацию потока теплоносителя.

Вместе с тем наблюдается возможность определенного усиления положительного эффекта дополнительной турбулизации потока и интенсификации теплоотдачи трубчатой поверхности при использовании более рациональной схемы компоновки, при которой взаимное гидродинамическое воздействие труб разных диаметров на поток приводит к улучшению условий отрывного поперечного обтекания, и связанной, в частности, с наличием оптимального угла ориентации трубчатой поверхности _опт относительно направления потока теплоносителя. Заметим, что в случае квадратной схемы размещения осей труб большего диаметра при повороте вертикальной оси треугольника шахматной комбинированной схемы на угол =45° относительно направления потока реализуется линейная (коридорная) схема последовательно расположенных труб большего d₁ и меньшего d₂ диаметров. При определенных геометрических параметрах поверхности и массовых расходах теплоносителя, как было установлено на основании экспериментальных исследований в [4, Эффективность теплообмена поперечно обтекаемых комбинированных пучков труб с различными схемами расположения элементов поверхности // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. - 3. - С.88-97], наиболее эффективной является промежуточная между треугольной (шахматной) и линейной (коридорной) схема расположения труб с d₁ и d₂ с оптимальным угловым интервалом ориентации 15°_опт30°, определяемым изменением положения осей шахматной (треугольной) схемы расположения труб разных диаметров (_ш=0°) относительно вектора течения во всем опытном интервале 0°45° (_к=45° - угол ориентации поверхности, определяющий линейное расположение труб с d₁ и d₂).

Задачами предлагаемой полезной модели являются повышение эффективности теплоотдачи поверхности пучков труб, снижение металлоемкости и увеличение компактности теплообменников.

Поставленные задачи решаются при использовании кожухотрубного теплообменника, содержащего пучок труб с сегментными перегородками, коллекторы с трубными досками, входной и выходной патрубки для холодного теплоносителя, при этом пучок состоит из труб большего диаметра d₁ с квадратной схемой размещения осей и труб меньшего диаметра d₂, размещенных с минимально допустимыми межтрубными расстояниями в центре квадратных ячеек с трубами диаметром d₁, отличающийся тем, что пучок труб выполнен с образованием комбинированной разновеликой трубчатой поверхности с треугольной схемой размещения осей труб, при этом трубы размещены из условия расположения вертикальных осей в треугольной схеме труб одинакового диаметра d₁ или d₂ при ее основании относительно продольной вертикальной плоскости симметрии кожуха, проходящей через входной и выходной патрубки холодного теплоносителя и совпадающей с направлением вектора течения потока теплоносителя на стороне кожуха, в угловом интервале 15°_опт30°.

На фиг.1 изображена схема комбинированной трубчатой поверхности в условиях изменения угла ее ориентации относительно направления потока теплоносителя; на фиг.2 - схема кожухотрубного теплообменника с одним ходом в трубах разных наружных диаметров (d₁>d₂) и одним ходом в снабженном перегородками кожухе; на фиг.3 - схема размещения осей труб разных диаметров d₁ и d₂ и положение пучка в кожухе с углом ориентации и сегментных перегородок относительно вертикальной плоскости симметрии кожуха (сечение А-А на фиг.2).

При работе кожухотрубного теплообменника, содержащего пучок труб с разными наружными диаметрами (d₁>d₂), теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно омывающему наружную поверхность трубного пучка. Выполненные экспериментальные исследования теплоаэродинамических характеристик поверхности поперечно обтекаемых пучков латунных труб диаметром d₁=11 мм с последовательно размещенными в центре каждой их квадратной ячейки со стороной s=16 мм трубами диаметром d₂=6 мм показали возможность повышения теплоэнергетической эффективности комбинированной трубчатой поверхности в условиях изменения угла ее ориентации относительно направления воздушного потока в интервале 0°45° (соответствующем шахматной схеме размещением труб с _ш=0° и коридорной с _к=45°) приблизительно до 40% по сравнению с эффективностью поверхности симметричного коридорного пучка труб одинакового диаметра d=11 мм с шагом s=16 мм в угловом интервале 15°30° (при соответствующей величине расхода теплоносителя) [4, с.95, 96, рис.3].

Таким образом, оптимальная ориентация пучка труб с разными наружными диаметра относительно вектора течения потока с последовательно чередующимися по длине перегородками, сегментные срезы которых расположены под прямым углом к вертикальной плоскости симметрии кожуха, позволит обеспечить благоприятные условия поперечного обтекания и взаимодействия потока теплоносителя отрывного характера с трубчатой поверхностью, что при активизации механизмов переноса в рециркуляционных зонах межтрубного пространства будет способствовать интенсификации теплообмена в пучке труб на стороне кожуха.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

1. П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.

2. А. Фраас, М. Оцисик. Расчет и конструирование теплообменников. Перев. с англ. - М., Энергоатомиздат, 1971. - 358 с.

3. В.И. Евенко, А.К. Анисин и др. Трубчатый теплообменник / Патент на изобретение РФ 2006780 // БИ. - 1994. - 2.

4. Буглаев В.Т., Анисин А.К., Анисин А.А. Эффективность теплообмена поперечно обтекаемых комбинированных пучков труб с различными схемами расположения элементов поверхности // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. - 3. - С.88-97.

Кожухотрубный теплообменник, содержащий пучок труб с сегментными перегородками, коллекторы с трубными досками, входной и выходной патрубки для холодного теплоносителя, при этом пучок состоит из труб большего диаметра d₁ с квадратной схемой размещения осей и труб меньшего диаметра d₂, размещенных с минимально допустимыми межтрубными расстояниями в центре квадратных ячеек с трубами диаметром d₁, отличающийся тем, что пучок труб выполнен с образованием комбинированной разновеликой трубчатой поверхности с треугольной схемой размещения осей труб, при этом трубы размещены из условия расположения вертикальных осей в треугольной схеме труб одинакового диаметра d₁ или d₂ при ее основании относительно продольной вертикальной плоскости симметрии кожуха, проходящей через входной и выходной патрубки холодного теплоносителя и совпадающей с направлением вектора течения потока теплоносителя на стороне кожуха, в угловом интервале 15°_опт30°.

РИСУНКИ