КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов и устройств промышленного и энергетического назначения, основу которых составляют гладкие трубчатые поверхности.
Известен теплообменник, содержащий пучок труб одинакового диаметра с треугольной или прямоугольной разбивкой и коллекторы с трубными досками [1, с.7-8, рис.1.1 а; с.25-26, табл.1.5]. Недостатком такого теплообменника являются низкая эффективность теплоотдачи и невысокая компактность поверхности, обусловленные тем, что трубный пучок выполнен из прямых гладких труб одинакового диаметра.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кожухотрубный теплообменник, содержащий продольно обтекаемый шахматный пучок теплообменных труб с периодически повторяющимся по длине диффузорно-конфузорным профилем с углом раскрытия диффузора и конфузора 6-10°, смещенных между собой на половину периода профиля "диффузор-конфузор" [2].
Недостатком этого кожухотрубного теплообменника являются пониженная эффективность теплоотдачи и повышенная металлоемкость. Отмеченная пониженная интенсивность теплоотдачи в трубах обусловлена ослабленным взаимодействием потока, сформировавшегося в узком сечении канала на границе конфузорных и диффузорных участков, с поверхностью в области максимального сечения на границе диффузорных и конфузорных участков из-за его "проскока" и отсутствия возможности наиболее полно следовать профилю стенки трубы в условиях отрыва и вихреобразования. Подобное снижение эффекта интенсификации теплоотдачи проявляется и в межтрубном пространстве при внешнем обтекании пучка смежным теплоносителем, поскольку управляющее воздействие формы и геометрии "элементарных" трубных ячеек на структурирование потока недостаточно результативно. Кроме того, использование труб указанного профиля конструктивно реализуется в данном техническом решении только в виде шахматной (треугольной) компоновки пучка.
Задачей изобретения являются повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение металлоемкости и повышение компактности теплообменника.
1
2
1
2
1
2
Указанная задача решается в кожухотрубном теплообменнике, содержащем пучок труб переменного сечения с чередующимися соосными одинаковыми по длине цилиндрическими участками поверхности с большим d и меньшим d наружными диаметрами (d>d) и, соединяющими их диффузорными и конфузорными участками с оптимальными углами раскрытия диффузора и конфузора и коллекторы с трубными досками, отличающийся тем, что трубы в пучке имеют противоположную относительно друг друга периодичность чередования коническо-цилиндрических участков в условиях продольного и поперечного их обтекания потоком; при этом оси труб пучка с прямыми концевыми участками одинакового диаметра d или d совпадают с противоположными вершинами прямоугольника разбивки трубных досок при коридорной компоновке или с вершинами при основании треугольника разбивки при шахматной компоновке труб пучка, и в каждом компоновочном варианте в межтрубном пространстве реализуется сложное извилистое и перемежающееся течение потока.
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технико-экономические результаты:
1. Повышение эффективности теплообмена в трубном пучке за счет дополнительной турбулизации потока, обусловленной созданием благоприятных условий отрывного обтекания поверхности как в межтрубном пространстве, так и в трубах с оптимальным коническо-цилиндрическим профилем.
2. Уменьшение шага разбивки труб в трубных досках за счет использования профильных труб с разными концевыми диаметрами и соответствующее повышение компактности поверхности теплообмена и снижение металлоемкости теплообменника.
На фиг.1 изображена схема кожухотрубного теплообменника с коридорной компоновкой труб пучка (квадратная разбивка), продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - трубная ячейка пучка в сечении А-А; на фиг.5 - трубная ячейка пучка в сечении Б-Б.
В случае шахматной компоновки труб пучка (равносторонняя треугольная разбивка) схема трубных ячеек в соответствующих характерных сечениях А-А и Б-Б показана на фиг.6, 7.
1
2
1
2
1
2
1к
2к
1ш
2ш
Трубчатый теплообменник содержит кожух 1, в котором размещен пучок труб 2 переменного сечения с чередующимися соосными, одинаковыми по длине, цилиндрическими участками поверхности а и 6 разных диаметров d и d (d>d) и, соединяющими их диффузорными (в) и конфузорными (г) коническими участками с оптимальными углами раскрытия диффузора и конфузора, и коллекторы 3 с трубными досками 4. Профильные трубы закреплены в трубных досках прямыми концами 5 с разными диаметрами, обеспечивая таким образом равномерное распределение по сечению межтрубного пространства поступающего первичного теплоносителя. При этом трубы с одинаковыми концевыми диаметрами d или d могут быть расположены в противоположных вершинах прямоугольника или в вершинах при основании треугольника разбивки трубных досок, образуя коридорную (прямоугольную) с шагами s и s (фиг.4, 5) или шахматную (треугольную) с шагами s и s (фиг.6, 7) компоновки пучка. Трубы в пучке имеют противоположную относительно друг друга периодичность чередования коническо-цилиндрических участков в условиях продольного и поперечного их обтекания потоком теплоносителя.
1
2
Использование пучков труб переменного сечения с представленной конфигурацией в кожухотрубных теплообменных аппаратах позволит осуществить интенсификацию теплоотдачи и снижение гидравлического сопротивления как по наружной их стороне за счет эффекта внешнего благоприятного отрывного обтекания, сокращающего турбулентные потери в ядре основного течения в межтрубных каналах, так и по внутренней, путем генерирования в потоке нестационарных микроотрывов при наличии оптимальных углов раскрытия диффузорных и конфузорных участков трубчатой поверхности. При этом вихревые структуры, образующиеся в диффузорных участках, могут быть полезно использованы для активизации процессов теплоотдачи поверхности в цилиндрических участках канала большего диаметра d, так же как и эффект увеличения скорости пристенного слоя в конфузорных участках, - в цилиндрических участках канала меньшего диаметра d. Можно также полагать, что указанная геометрия внутритрубного канала с оптимальными углами раскрытия конических участков не только обеспечит минимально возможный коэффициент потерь напора, но и будет способствовать частичному восстановлению профиля скорости и давления при переходе от диффузорного участка к конфузорному через соединяющие их цилиндрические участки трубы.
При работе кожухотрубного теплообменника теплота от первичного теплоносителя, проходящего в межтрубных продольных каналах со сложной пространственной конфигурацией передается через стенки труб вторичному теплоносителю, проходящему внутри трубных каналов с периодически чередующимися коническо-цилиндрическими участками. В результате обеспечивается положительный эффект дополнительной турбулизации потоков и наибольшая интенсификация теплоотдачи по обеим сторонам трубчатой поверхности и в целом повышение энергетической эффективности теплообменника.
Источники информации
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. Авторское свидетельство SU1763842 А1. Кожухотрубный теплообменник. - БИ №35, 1992.