КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, конкретнее к области теплообмена, а именно для изготовления теплообменников, преимущественно для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.
Известен теплообменник (Авт. Св. СССР №1562656 А1. Кожухотрубный теплообменник. МКИ 5: F28D 7/16, Бюл. №17, 07.05.1990 г.), содержащий кожух, в котором размещены закрепленные в трубных досках теплообменные трубы, снабженные компенсаторами температурных расширений. Теплообменные трубы выполнены составными из установленных с зазором автономных обрезков труб, имеющих на свободных концах внутренние цилиндрические проточки, а компенсатор выполнен в виде пары вставленных друг в друга с диаметрально противоположными продольными разрезами. Недостатком известного теплообменника является низкая надежность и технологичность конструкции.
Известен теплообменник (Авт. Св. СССР №1632729 А1. Способ изготовления кожухотрубного теплообменника. МКИ 5: В23Р 15/26, Бюл. №9, 07.03.1991 г.), содержащий кожух, в котором размещен пучок теплообменных трубок с охлаждающими ребрами, закрепленные концами трубок в сквозных отверстиях трубных досок, причем концы трубок выступают за пределы досок. Межтрубное пространство разделено поперечными перегородками, образующими охладительный контур с патрубками подвода и отвода внутритрубной среды. Недостатком известного
теплообменника является сложность его сборки, т.к. внешний контур поперечных перегородок формируется спеканием на трубках ферромагнитных частиц между собой, образуя монолитную перегородку между трубками, внешний контур которых требует дополнительной обработки в размер кожуха непосредственно на пучке труб, обладающем малой жесткостью конструкции.
отв.
oтв.
отв
отв.
отв.
отв.
Известен Кожухотрубный теплообменник и способ его сборки (патент РФ №2238501 С1, МПК 7, F28D 7/16 от 22.04.2003 г.), содержащий кожух, в котором размещен пучок трубок с охлаждающими ребрами, закрепленный концами трубок в сквозных отверстиях трубных решеток, причем концы трубок выступают за пределы решетки, а межтрубное пространство разделено поперечными перегородками, образующими охладительный контур с патрубками ввода и отвода внутритрубной среды, присоединенные к фланцам кожуха с обеих сторон теплообменника. Одна из трубных решеток защемлена между фланцем кожуха и коллектором, а другая размещена герметично внутри кожуха с возможностью свободного перемещения при температурных изменениях длины пучка теплообменных трубок. Концевые части трубок вмонтированы в сквозные отверстия в трубных решетках дорнованием. Сквозные отверстия в трубных решетках выполнены ступенчатыми со стороны конца теплообменной трубки. Длина соединения теплообменной трубки с трубной решеткой выбрана из условия 0,5d<Т<2,0d, где Т длина соединения теплообменной трубки с трубной решеткой, d - диаметр сквозного отверстия в трубной решетке. Сквозные отверстия в трубных решетках выполняют с фасками, высота которых выбрана из условия 0,1d<h<0,2d, где h - высота фасок, d - диаметр сквозного отверстия. Трубные решетки выполнены из закаленной стали, а теплообменные трубки выполнены из латуни с отпуском как минимум на длине более толщины трубной решетки. Сквозные отверстия в трубных решетках обрабатывают с шероховатостью стенок в пределах от 6,3 до 25,0 мкм. Дорнование в сквозных отверстиях трубных решеток проводят до
увеличения наружного диаметра концевой части трубки до размера, по крайней мере, превышающего диаметр сквозного отверстия на глубину шероховатости. Сквозные отверстия в трубных решетках выполняют диаметром, большим наружного диаметра теплообменной трубки на величину суммарного допуска, состоящего из суммы допусков на наружный диаметр, на толщину стенки теплообменной трубки и на диаметр сквозного отверстия в трубной решетке. Дорнование концевых частей теплообменник трубок в сквозных отверстиях трубных решеток производят за несколько переходов. Данный теплообменник принят за прототип.
Недостатком известного теплообменника, принятого за прототип, является технологическая сложность сборки, требующая большого разнообразия инструмента в зависимости от колебаний допусков диаметров и толщин стенок теплообменных трубок.
Основной задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель кожухотрубного теплообменника, является уменьшение температуры охлаждаемой среды на выходе из теплообменника и снижение трудоемкости изготовления.
Единым техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является снижение на выходе температуры охлаждаемой среды и снижение трудоемкости.
Указанный технический результат достигается тем, что известный кожухотрубный теплообменник, содержащий кожух, в котором размещен пучок теплообменных трубок с охлаждающими ребрами, закрепленный концами теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток, причем концы теплообменных трубок выступают за пределы решеток и соединены с ними герметично методом дорнования, а межтрубное пространство разделено поперечными перегородками, образующими охладительный контур с патрубками подвода и отвода межтрубной среды, установленными таким образом, что разделяют охладительный контур на две части, соединенные между собой, при этом охлаждаемая среда проходит в
тр.
тp.
тр.
ф
тр.
ф
тр.
дорн.
тр.
дорн.
тp.
начале через одну часть охладительного контура, а затем через вторую часть охладительного контура к выходному патрубку, причем сквозные отверстия в трубных решетках выполнены диаметром (D+b)Н7, где D - номинал наружного диаметра теплообменной трубки, b - номинал толщины стенки теплоотводящей трубки, Н7 - величина поля допуска на сквозное отверстие в трубной решетке. В сквозных отверстиях трубной решетки для снижения контактного давления (снижения коэффициента концентрации напряжений) выполнены фаски со стороны теплообменных трубок, причем диаметр фасок выбран из условия 1,1D<d<1.2D, где d - диаметр фаски, D - номинал наружного диаметра теплообменной трубки. Трубные решетки изготовлены из стали с твердостью не более 240НВ, а теплообменные трубки изготовлены из меди. Охлаждающие ребра усечены, причем усеченные части размещены группами с разворотом на 180°. Дорнование теплообменных трубок выполнено сквозным с диаметром финишного дорна выбранного из условия D≥D, где D - диаметр дорна, D- номинал наружного диаметра теплообменной трубки.
Расчет диаметра сквозного отверстия в трубных решетках выполнен с привязкой к номинальным размерам наружного диаметра и толщины стенки теплоотводящей трубки и не зависит величин допусков на изготовление теплоотводящей трубки, отличающихся в каждой партии поставки.
Такой метод расчета с привязкой к номинальной величине наружного диаметра теплоотводящей трубки исключает необходимость подбора инструмента в зависимости от допусков полученной от производителя партии теплообменных трубок.
Твердостью стали не более 240НВ обеспечивают после дорнования герметичность соединения теплообменной трубки с трубной решеткой с надежностью, гарантированной наличием диффузии материалов в области максимальных контактных напряжений.
Сквозное дорнование теплообменных трубок повышает эффективность работы теплообменника за счет увеличения наружной
поверхности теплообменных трубок и уменьшения их толщины, а также снижает трудоемкость сборки за счет исключения необходимости смены инструмента и переустановки изделия при дорновании концов трубок для обеспечения герметичности.
Например, при исходных параметрах трубки:
тр
наружный диаметр D=8 мм;
толщина b=0,5 мм
тp
тр
2
2
2
площадь поперечного сечения трубки S в мм будет вычисляться по формуле S=π/4*(D -(D-2*b)) и будет равна 11,78 мм.
дор
тp
вн. нов.
тp
тp
тp
тр.нов
дор
тр.нов
2
2
2
2
Наружный диаметр финишного дорна зададим равным наружному диаметру исходной трубки, т.е. D=D, тогда внутренний диаметр трубки после финишного дорнования dбудет равен D в мм. Исходя из условия равенства площадей сечения трубки до и после дорнования можно записать равенство S=π/4*(D -(D-2*b))=π/4*(D -D ), где D - наружный диаметр трубы после сквозного дорнования. Тогда
тp.нoв
тp
2
2
D =4/π*S+D .
Подставляя исходные данные и проведя вычисления получим
тр.нов
D=8,88 мм, т.е. наружный диаметр трубки увеличился на 0,88 мм а толщина стенки трубки уменьшилась на 0,5-(8,88-8)/2=0,06 мм.
тр.
-0,1
+0,15
Диаметр отверстий в трубных решетках выполнен по размеру (D+b)Н7=(8+0.5)Н7=8,5. Таким образом до дорнования трубка свободно входит в отверстие с диаметральным зазором. После окончательного дорнования дорном диаметром 8 мм посадка трубок в трубных решетках обеспечивается с натягом.
Толщина трубной решетки (длина соединения теплообменной трубки с трубной решеткой) выбирается из условия обеспечения герметичности соединения трубок с трубной решеткой в процессе эксплуатации.
«Если два жидких или газообразных тела, имеющих различную температуру, разделены твердым телом (плоской перегородкой), то процесс передачи теплоты происходит в 3 стадии:
- Теплоотдача из первой среды к поверхности перегородки, описываемая формулой (Т18.4);
- Теплопроводность через перегородку, описываемая формулой (Т18.1);
- Теплоотдача с поверхности перегородки к второй среде, описываемая формулой (Т18.4).
Совокупность трех таких процессов называется теплопередачей.»
Кухлинг X. Справочник по физике, Перевод с нем., - М., Мир, 1982 г. стр.207.
В нашем случае процесс теплопередачи через медную трубку может быть описан совокупностью трех уравнений:
1
1
1
1
Q=α*A*t*ΔT (Т 18.4)
2
2
2
Q=λ*A*t*ΔT/l (T18.1)
3
2
3
3
Q=α*А*t*ΔТ (Т 18.4)
1
3
Где Q и Q - количество теплоты, проходящее через поверхность соприкосновения;
1
α - коэффициент теплоотдачи на внутренней граничной поверхности трубки;
1
A - площадь внутренней поверхности трубки, через которую совершается теплопередача;
t - продолжительность процесса теплопроводности;
1
ΔT - разность температур двух сред;
2
Q - количество теплоты передаваемое через трубку;
λ - коэффициент теплопроводности материала трубки;
2
А - площадь поперечного сечения трубки;
2
ΔT - разность температур на наружной и внутренней поверхностях трубки;
l - толщина трубки;
2
α - коэффициент теплоотдачи на внешней граничной поверхности трубки;
3
А - площадь наружной поверхности трубки, через которую совершается теплопередача;
3
ΔТ - разность температур двух сред;
Суммарное количество передаваемой теплоты равно:
1
2
3
ΣQ=Q+Q+Q
Увеличение суммарного количества передаваемой теплоты при сквозном дорновании трубки происходит благодаря увеличению его составляющих.
1
Q - увеличивается в прямой пропорции с увеличением площади внутренней поверхности трубки.
2
Q - увеличивается в прямой пропорции с уменьшением толщины стенки трубки.
3
Q - увеличивается в прямой пропорции с увеличением площади наружной поверхности трубки.
Разделение охладительного контура на две части, соединенные между собой, и наличие разделительных перегородок между группами усеченных охлаждающих ребер, обеспечивают направление потока охлаждаемой среды и повышенный отвод тепла. Усеченные охлаждающие ребра снижают гидравлическое сопротивление теплообменника.
Реализация полезной модели повышает эффективность работы теплообменника. Что приводит к снижению расхода топлива, увеличению мощности и обеспечению экологичности двигателя внутреннего сгорания.
Описание полезной модели проиллюстрировано чертежами, где изображены:
на Фиг.1 - общий вид теплообменника (часть трубок условно не показана);
на Фиг.2 - разрез А-А Фиг.1;
на Фиг.3 - схема установки теплоотводящей трубки в отверстие с фасками на трубной решетке.
тp.
тр.
Кожухотрубный теплообменник, содержит кожух 1, в котором размещен пучок теплообменных трубок 2 с охлаждающими ребрами 3, закрепленный концами теплообменных трубок в сквозных отверстиях 4 трубных решеток 5. Межтрубное пространство разделено поперечными перегородками 6, образующими охладительный контур с патрубками подвода 7 и отвода 8 межтрубной среды, установлены таким образом, что разделяют охладительный контур на две части 9 и 10, соединенных между собой каналом 11. Охлаждаемая среда проходит в начале через одну часть охладительного контура, а затем через вторую часть охладительного контура к выходному патрубку. Сквозные отверстия в трубных решетках выполнены диаметром (D+b)H7, где D - номинал наружного диаметра теплообменной трубки, b - номинал толщины стенки теплоотводящей трубки, Н7 - величина поля допуска на сквозное отверстие в трубной решетке. В сквозных отверстиях трубной решетки выполнены фаски со стороны теплообменных трубок. Трубные решетки 5 изготовлены из стали с твердостью не более 240НВ, а теплообменные трубки 2 изготовлены из меди. Охлаждающие ребра 3 усечены, причем усеченные части размещены группами с разворотом на 180° (Фиг.1). Дорнование теплообменных трубок выполнено сквозным.
Область дорнования разбита как минимум на три равные части. При этом на первом этапе дорнования происходит фиксация охлаждающих ребер 3 на теплообменных трубках 2, на втором и последующих этапах - фиксация теплообменных трубок 2 в трубных решетках 5 и их герметизация.
Такое соединение трубки с трубной решеткой выдерживает длительное время воздействие осевых нагрузок и обладает высокой виброударной прочностью.
Настоящая полезная модель применима, так как может быть изготовлена с применением обычных технологий механической обработки и протяжки на стандартном оборудовании.