ТЕПЛООБМЕННИК, СОДЕРЖАЩИЙ ТРУБЫ С ПРОФИЛИРОВАННЫМИ РЕБРАМИ
HEAT EXCHANGER CONTAINING TUBES WITH SHAPED RIBS

Настоящее изобретение касается трубчатого теплообменника, содержащего трубы с ребрами, в котором трубы проходят в некотором осевом направлении и оборудованы теплообменными ребрами, при этом каждое ребро содержит теплообменную поверхность, которая окружает трубу и проходит в некотором радиальном направлении относительно трубы и выполнена рельефно, образуя желобки, отстоящие друг от друга в радиальном направлении.
Изобретение применяется, в частности, для трубчатого теплообменника, использующего воздух в качестве вспомогательной текучей среды-теплоносителя, такого как устройство типа воздушного охладителя, воздушного конденсатора, воздушного нагревателя или воздушного испарителя, применяемое соответственно для охлаждения, конденсации, нагрева и испарения текучей среды, в частности, в процессах нефтеочистки, на станциях обработки и сжатия газа, в установках сжижения газа, в установках синтеза угля и газа, электрогенерирующих установках, установках регазификации или в любой другой установке обработки текучей среды.
Как правило, такое устройство содержит главный теплообменник, оборудованный пучком труб с наружными ребрами, в которых циркулирует текучая среда, предназначенная для охлаждения, конденсации, нагрева или испарения, а также коллекторы подачи и распределения текучей среды между трубами. В частности, охлаждение текучей среды происходит в трубах с наружными ребрами за счет теплообмена с второй текучей средой, циркулирующей вокруг труб и наружных ребер, в частности, с окружающим воздухом. Для этого циркуляцию или принудительную вентиляцию окружающего воздуха обеспечивают вентиляторы, установленные либо снизу (что называют принудительной тягой), либо сверху (что называют наведенной тягой) труб теплообменника.
Как правило, окружающий воздух нагнетают пульсирующим потоком поперек пучка оребренных труб с относительно низкой фронтальной скоростью, составляющей от 1,5 до 4 метров в секунду (м/с). При таких скоростях и при рассматриваемой геометрической конфигурации (в частности, сечений прохождения воздуха, пространства между двумя ребрами или между двумя смежными трубами) режим потока окружающего воздуха в основном является ламинарным с несколькими локальными завихрениями, что характеризуется относительно слабым теплообменом с наружными ребрами. Зоны теплообменника, в которых происходит наибольший теплообмен, находятся на передних кромках ребер и труб в направлении потока воздуха. Таким образом, учитывая структуру потока и конструкцию теплообменника, зоны труб, находящиеся сзади труб в направлении потока воздуха, практически не используются для теплообмена. Эти зоны, называемые зонами рециркуляции теплообменника, отличаются рециркуляцией воздуха, которая становится причиной потерь напора, и не обеспечивают хорошего охлаждения ребра.
Из патентного документа US-2008023180 известно ребро для трубы воздушного охлаждения, которое содержит рельефную поверхность с выемками или желобками, выполненными путем механической деформации ребер. Такие выемки или желобки позволяют увеличить теплообмен между воздухом и ребром, благодаря созданию завихрений, и одновременно приводят к увеличению потери давления. В частности, на каждом ребре выполнены концентричные желобки 42 с полуцилиндрическим сечением.
Из патентного документа WO 2007/147754 известно также ребро для трубы теплообменника, оборудованной отражателями воздушного потока в виде выступающих поверхностей, которые изменяют структуру воздушного потока, чтобы улучшить теплообмен между воздухом и ребром. Эти поверхности имеют вид прямоугольных или треугольных вырезов в ребре. Однако, поскольку теплообменники чаще всего находятся снаружи, и окружающий воздух не фильтруется, эти вырезы, выполненные в ребре, становятся источником загрязнения по причине попадания в них пыли, насекомых и т.д., которые закупоривают вырезы.
Настоящее изобретение призвано предложить конструкцию профилированного ребра для трубы теплообменника, которая позволяет увеличить теплообмен между воздухом и текучей средой, циркулирующей в трубе, без ухудшения потери напора.
В этой связи, объектом настоящего изобретения является трубчатый теплообменник, содержащий трубы с ребрами, в котором трубы проходят в некотором осевом направлении и оборудованы теплообменными ребрами, при этом каждое ребро содержит теплообменную поверхность, которая окружает трубу и проходит в некотором радиальном направлении относительно трубы и выполнена рельефно, образуя желобки, отстоящие друг от друга в радиальном направлении, и в котором желобки ребра имеют разные размеры, которые уменьшаются по мере удаления от трубы в радиальном направлении, обеспечивая направление текучей среды вокруг трубы.
Основным преимуществом такого ступенчатого выполнения рельефа ребер является то, что оно позволяет лучше направлять воздух сзади труб в радиальном направлении труб (в направлении потока, который поступает на трубы). Используя трубы с наружным ребрами в соответствии с настоящим изобретением, можно существенно уменьшить зону рециркуляции воздуха сзади труб в направлении воздушного потока, которая обычно является большой, когда используют трубы с ребрами без рельефа (с плоским профилем). Таким образом, поверхность в виде ступенчатого рельефа, направляющая воздух сзади труб, позволяет уменьшить зоны рециркуляции, где теплообмен является недостаточным, и, следовательно, использовать наилучшим образом поверхность ребер. Так, при использовании ребра в соответствии с настоящим изобретением выигрыш в термических характеристиках может быть очень большим.
Согласно некоторым отличительным признакам теплообменника в соответствии с настоящим изобретением, желобки ребра могут иметь разные глубину и ширину, которые уменьшаются по мере удаления от трубы в упомянутом радиальном направлении. Желобки ребра могут отстоять друг от друга согласно концентричной схеме или согласно эллиптической схеме. Желобки ребра могут находиться очень близко друг к другу, то есть могут быть прилегающими. Желобки могут находиться на обеих сторонах ребра. Каждое ребро может быть спиралевидно намотано вокруг трубы, или ребра могут быть выполнены в виде диска.
Настоящее изобретение и его другие преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания нескольких вариантов выполнения, представленных в качестве неограничивающих примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематичный вид в разрезе теплообменника.
Фиг.2 - вид сверху ребра в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - вид в частичном радиальном разрезе по оси III-III фиг.2 трубы с двумя ребрами в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 - вид в частичном радиальном разрезе по оси III-III фиг.2 трубы с двумя ребрами в соответствии с настоящим изобретением согласно другому варианту выполнения.
Фиг.5 - вид сверху ребра в соответствии с настоящим изобретением согласно еще одному варианту выполнения.
Фиг.6 - вид в радиальном разрезе по оси III-III фиг.2 трубы, оборудованной несколькими ребрами в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.7 - вид в радиальном разрезе набора труб с ребрами плоского профиля с показом линий потока в плоскости между двумя ребрами, полученных путем цифрового моделирования.
Фиг.8 - вид в радиальном разрезе набора труб с ребрами в соответствии с настоящим изобретением с показом линий потока, полученных путем цифрового моделирования.
Фиг.9 - график, характеризующий потерю напора в зависимости от фронтальной скорости воздуха, поступающего на ребро в соответствии с настоящим изобретением и на ребро с плоским профилем.
Фиг.10 - график, характеризующий обмениваемую мощность в зависимости от фронтальной скорости воздуха, поступающего на ребро в соответствии с настоящим изобретением и на ребро с плоским профилем.
На фиг.1 показан теплообменник 1, содержащий пучок труб 2 с круглым сечением и с ребрами, расположенными в виде нескольких находящихся друг над другом, по существу, параллельных рядов, проходящих в осевом направлении А, в которых циркулирует предназначенная для охлаждения текучая среда между входом В и выходом С текучей среды и вокруг которых циркулирует пульсирующий поток окружающего воздуха, вытягиваемого снизу вверх в направлении, указанном стрелками D, поперечном к трубам 2, вентиляторами 3, установленными над теплообменником 1. В данном случае циркуляция текучей среды распределена по трем последовательным проходным сечениям или проходам 2а, 2b, 2с, схематично показанным на фиг.1, что позволяет улучшить охлаждение текучей среды. Таким образом, как правило, теплообменник 1 содержит от трех до восьми находящихся друг над другом рядов труб 2, расположенных в шахматном порядке или выровненных линейно относительно направления циркуляции текучей среды в трубах 2, как показано стрелками F.
Трубы 2 оборудованы наружными радиальными кольцевыми ребрами 4, по существу перпендикулярными к трубе 2 и по существу параллельными между собой, способствующими теплообмену между окружающим воздухом и текучей средой, а также позволяющими направлять воздух к задней части труб 2 в осевом направлении, что будет описано ниже. Как правило, наружные ребра 4 позволяют увеличить наружную поверхность теплообмена в 15-25 раз по сравнению с поверхностью аналогичной трубы 2 без ребер. Такое увеличение поверхности позволяет увеличить теплообмен, но приводит также к потерям напора, которые можно компенсировать, в частности, за счет использования сильных вентиляторов 3.
Для большей ясности на фиг.1 показаны несколько ребер 4, отстоящих друг от друга на трубе 2, однако понятно, что ребра 4 предпочтительно расположены вдоль всех труб 2 теплообменника 1. Кроме того, форма и размер наружных ребер 4 могут меняться от одной трубы к другой в пучке труб 2. Внутри пучка труб 2 конфигурация труб 2 с наружными ребрами 4 не обязательно должна быть одинаковой, в частности диаметр труб 2 может меняться.
На фиг.2 вокруг трубы 2 показано ребро 4 в соответствии с настоящим изобретением с радиальной рельефной поверхностью 5, образующей желобки 5а, 5b, 5с, отделенные друг от друга в некотором радиальном направлении Е, по существу, плоским кольцевым участком 8 ребра. Желобки 5а, 5b, 5с ребра 4 имеют разные размеры, которые уменьшаются по мере удаления от трубы 2, чтобы обеспечивать направление окружающего воздушного потока вокруг трубы 2 в осевом направлении А. В частности, желобки 5а, 5b, 5с ребра 4 имеют соответственно глубину р1, р2, р3 с разными значениями в осевом направлении и разную соответствующую ширину l1, l2, l3 в радиальном направлении Е, при этом глубина и ширина желобков уменьшается по мере удаления от трубы 2 от внутреннего края 4b ребра 4, закрепленного на трубе 2, к свободному наружному периферическому краю 4а ребра 4. Как более наглядно показано на фиг.3, самый внутренний желобок 5а является наиболее высоким и наиболее широким из желобков, самый наружный желобок 5с является наименее высоким и наименее широким, и средний желобок 5b имеет промежуточные высоту и ширину.
Предпочтительно число желобков 5а, 5b, 5с на одном ребре 4 составляет от двух до четырех, однако можно добавлять другие желобки в зависимости от назначения. На фиг.3 рельефная поверхность 5 состоит из трех круговых желобков 5а, 5b, 5с, расположенных концентрично и центрованных вокруг трубы 2. Смежные ребра 4 могут иметь концентричные желобки 5а, 5b, 5с, которые выровнены соответственно в осевом направлении (ребра 4 имеют одинаковую рельефную поверхность 4, и, следовательно, желобок 5а, 5b, 5с ребра 4 выровнен в осевом направлении с соответствующим желобком других ребер 4 на трубе 2). Как показано на фиг.3, смежные концентричные желобки 5а, 5b, 5с одного ребра отделены (разделены) в радиальном направлении друг от друга кольцевыми плоскими участками 8 ребра. Эти кольцевые участки 8 могут иметь в радиальном направлении Е одинаковую ширину d1, d2 или разную ширину согласно переменной схеме, при этом значения d1, d2 составляют, например, от 1 до 5 мм. Например, значения ширины участков уменьшаются от трубы 2 к наружному периферическому краю 4А или наоборот. Можно также предусмотреть смежные желобки, прилегающие друг к другу, и в этом случае ширина участков 8 разделения является очень незначительной (меньше 1 мм).
Для упрощения изготовления труба 2 имеет ребра 4 одинаковой конфигурации по всей своей длине. Однако в теплообменнике 1 можно предусмотреть трубы 2 с разными конфигурациями ребер 4. Например, можно выполнить трубу 2, ребра 4 которой имеют смежные желобки 5а, 5b, 5с, для которых значения ширины d1, d2 разделительного участка 8 увеличиваются к наружному периферическому краю 4А, и смежную трубу 2, ребра 4 которой имеют смежные желобки 5а, 5b, 5с, для которых значения ширины d1, d2 разделительного участка 8, наоборот, уменьшаются к наружному периферическому краю 4А.
На ребре 4, показанном на фиг.3, желобки 5а, 5b, 5с выполнены на одной стороне 4с ребра 4, то есть ориентированы в одном направлении относительно ребра 4. На фиг.4 показан другой вариант выполнения ребра 4 в соответствии с настоящим изобретением, в котором желобки 5d, 5e, 5f ориентированы по обе стороны от ребра 4, то есть они расположены с чередованием на двух противоположных сторонах 4с, 4d ребра 4, что обеспечивает лучшую механическую прочность по сравнению с желобками 5а, 5b, 5с.
На фиг.5 показан еще один вариант выполнения ребра 4 в соответствии с настоящим изобретением, в котором концентричные желобки 5а, 5b, 5с заменены желобками 6а, 6b, 6с, расположенными согласно схеме эллиптической формы 4. Такие эллиптические желобки 6а, 6b, 6с позволяют лучше использовать направление воздуха желобками и одновременно ограничивать увеличение соответствующей потери напора. Преимуществом этого решения является повышение эффективности при аналогичных условиях использования, то есть при одинаковой скорости и одинаковой потере напора.
Наружные ребра 4 можно выполнить из алюминиевого листа 7 или из листа другого теплопроводящего материала, намотанного спиралевидно в осевом направлении А вокруг каждой трубы 2, как схематично показано на фиг.6. Следует отметить, что в данном случае ребра 4 имеют небольшой наклон относительно трубы 2 и направления А, что показано стрелкой 4е, и этот наклон является незначительным, поскольку ребра 4 находятся очень близко друг к другу, то есть можно считать, что ребра 4 являются почти перпендикулярными к трубе 2. Можно также выполнить трубу 4 с ребрами 4, более наклоненными относительно осевого направления А трубы 2. Другим способом выполнения наружного ребра 4 является формование при помощи ряда вращающихся дисков. Соединение ребра 4 и трубы 2 можно осуществить, например, либо путем посадки ребра 4, например, в паз (не показан), предварительно выполненный на периферии трубы 2, либо путем наматывания ребра 4, в основании которого производят сгибание, затем запрессовку на трубе 2, например содержащей накатку. Ребро 4 можно также выполнить формованием или деформацией дополнительной алюминиевой трубы, которая закрывает трубу 2. Ребро 4 можно также выполнить при помощи набора дисков.
Как показано на фиг.3, ребро 4 имеет толщину, которая уменьшается по мере удаления от трубы, начиная от внутреннего края 4b ребра 4, к его наружному краю 4а. Предпочтительно толщина е1 ребра 4 на его наружном крае 4а может составлять приблизительно от 0,15 до 0,4 миллиметра (мм), а толщина е2 ребра 4 на его внутреннем крае 4b может составлять приблизительно от 0,1 до 1 мм.
Желобки 5а, 5b, 5с имеют соответствующую глубину р1, р2, р3, составляющую приблизительно от 0,4 до 1,5 мм, а также соответствующую ширину l1, l2, l3 в основании желобка, составляющую приблизительно от 1 до 4 мм, при этом желобки 5а, 5b, 5с имеют разную высоту и ширину, что позволяет получить ступенчатый рельеф, понижающийся по мере удаления от трубы 2, то есть p1>p2>p3 и l1>l2>l3.
Ребро 4 в соответствии с настоящим изобретением имеет длину Н приблизительно от 10 до 20 мм и предпочтительно приблизительно от 12 до 18 мм. Шаг Р между двумя последовательными ребрами вдоль трубы 2 составляет приблизительно от 2,2 до 3,5 мм и предпочтительно приблизительно от 2,5 до 3,2 мм, как правило, меньший классического промежутка между двумя последовательными ребрами с плоским профилем.
Как правило, теплообменник 1 содержит пучок труб 2, опирающийся на стальную конструкцию (не показана) и состоящий приблизительно из 50-300 труб 2 диаметром приблизительно от 15 миллиметров до 55 миллиметров, при этом ширина теплообменника 1 составляет от 0,3 метра до 5 метров, а его длина составляет от 8 метров до 18 метров.
Трубы 2 можно выполнять из стали, например из нержавеющей стали, или из углеродистой стали, или из высоколегированной стали, такой как Incoloy, при этом выбор материала труб 2 зависит от транспортируемой текучей среды, которая может быть агрессивной, и от условий работы. Как правило, наружные ребра 4 можно выполнять из алюминия, а также из нержавеющего материала или из любого другого теплопроводящего материала.
На фиг.7 и 8 показаны линии потока (полученные путем цифрового моделирования) окружающего воздуха, циркулирующего в направлении D вокруг нескольких труб 2 теплообменника 1 в плоскости М, по существу перпендикулярной к трубам 2 и находящейся в центре между двумя соседними ребрами 4, как показано на фиг.1 и 3. В частности, на фиг.7 показан случай ребра с плоским профилем, а на фиг.8 показан случай ребра 4 в соответствии с настоящим изобретением, содержащего концентричные желобки 5а, 5b, 5с. Как показано на фиг.7, зона рециркуляции Z1 текучей среды находится сзади труб 2 в направлении потока D воздуха, в которой теплообмен происходит плохо. С другой стороны, на фиг.8 показано очень сильное уменьшение рециркуляции текучей среды в зоне Z2, находящейся сзади труб 2 в направлении потока D воздуха. Это происходит благодаря желобкам 5а, 5b, 5с ребра 4, которые направляют воздушный поток к задней стороне труб 2 в осевом направлении, что позволяет уменьшить зоны с плохим теплообменом и, следовательно, наилучшим образом использовать ребра 4.
На фиг.9 показана потеря напора в зависимости от фронтальной скорости воздуха, поступающего на трубы 2, для труб 2 с ребрами плоского профиля (кривая 9А) и для труб 2 с ребрами в соответствии с настоящим изобретением (кривая 9В). В целом, отмечается увеличение потери напора, вызываемое рельефной поверхностью 5 или желобками 5а, 5b, 5с ребер 4. Это увеличение потери напора можно компенсировать путем удаления ребер 4 относительно друг друга вдоль трубы 2. Для этих и последующих вычислений шаг Р между двумя последовательными ребрами является, таким образом, разным в зависимости от того, является поверхность ребер рельефной или нет: 2,54 мм в случае ребра с плоским профилем и 3 мм для ребра в соответствии с настоящим изобретением с концентричными желобками 5а, 5b, 5с. Таким образом, как показано на фиг.9, увеличение потери напора по причине рельефа поверхности 5 остается очень небольшим.
На фиг.10 показана обмениваемая мощность в зависимости от фронтальной скорости воздуха, поступающего на трубы 2, для труб 2 с ребрами плоского профиля (кривая 10А) и для труб 2 с ребрами в соответствии с настоящим изобретением с концентричными желобками 5а, 5b, 5с (кривая 10В) и для указанных выше шагов Р между ребрами. Обмениваемая мощность теплообменника 1, то есть полученный выигрыш, увеличивается примерно на 10-25% в зависимости от фронтальной скорости воздуха, что соответствует повышению эффективности на единицу длины от 2 до 10%.
Кроме того, выполнение ребер 4 с промежутками вдоль трубы позволяет уменьшить количество материала для выполнения ребер, что компенсирует увеличение количества материала для выполнения рельефной поверхности 5 на ребре 4 при изменении поверхности ребра и уменьшает количество используемого материала с экономией порядка 3-6% на метр.