УСТРОЙСТВО КОСВЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА И СПОСОБ ТЕПЛООБМЕНА
DEVICE OF INDIRECT HEAT EXCHANGE AND HEAT EXCHANGE METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству косвенного теплообмена, которое содержит оребренные трубки теплообменника, и относится к способу теплообмена между первой и второй текучими средами.
Уровень техники
Оребренные трубки теплообменника могут быть использованы в устройствах косвенного теплообмена, в которых первая текучая среда, проходящая внутри оребренных трубок, может обмениваться теплом со второй текучей средой, расположенной снаружи трубок.
По многим причинам центр тяжести поперечного сечения контура ребер трубок теплообменника иногда не совпадает с осью трубки. В документе DE-A-1451143 описано устройство косвенного теплообмена, в котором ребра внешних трубок теплообменника содержат приспособления, предназначенные для затенения этих внешних ребер от солнца или других источников тепла. В документе GB-A-281289 описаны оребренные трубки теплообменника, расположение ребер которых смещено относительно центра трубки, при этом трубки расположены слоями, в которых трубки смещены противоположным образом, что принуждает газы проходить по синусоидальному пути и, таким образом, увеличивает эффективность устройства. В документе US-A-4002198 описан десублиматор, предназначенный для изолирования сублимированных продуктов и содержащий оребренные трубки, на которые изнутри по очереди воздействуют нагревающая среда и хладагент, поперечные ребра указанных трубок расположены рядами, смещенными вбок в шахматном порядке в противоположных направлениях на величину, соответствующую целому расстоянию между краями соседних ребер, что сделано для того, чтобы обеспечить дополнительные завихряющие поверхности, вызывающие большие перепады давления. В документе US-A-4440216 описаны укороченные ребра, расположенные сверху трубки теплообменника для того, чтобы жидкость была распределена по трубкам более равномерно. Ребра трубок теплообменника с жидкостью имеют сравнительно малую площадь поверхности, то есть отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки составляет, по существу, менее 5.
Оребренные трубки теплообменника могут, в частности, использоваться в теплообменных устройствах с воздушным охлаждением, в котором текучей средой, расположенной снаружи трубок, является воздух.
Теплообменники с воздушным охлаждением также можно называть устройствами воздушного охлаждения. Устройства воздушного охлаждения описаны в руководстве Perry's Chemical Engineers' handbook, 7-е издание, 1997, страницы с 11-47 по 11-52. Устройства воздушного охлаждения используются, например, в процессах нефтепереработки, нефтехимических и химических процессах для охлаждения или конденсации рабочих текучих сред внутри трубки с помощью воздуха, находящегося снаружи трубки. Обычно устройства воздушного охлаждения содержат пучок оребренных трубок, и вентилятор, который перемещает воздух поперек трубок.
В теплообменниках с воздушным охлаждением теплопередача от текучей среды, расположенной в трубке, к самой трубке обычно гораздо более эффективна по сравнению с теплопередачей между текучей средой, расположенной снаружи трубки (воздух), к самой трубке. Эффективность теплопередачи может быть выражена, например, так называемым пленочным коэффициентом теплопередачи, определенным в руководстве Perry's, страницы от 5-12 до 5-19. Чтобы компенсировать разницу пленочных коэффициентов теплопередачи, с помощью ребер увеличивают площадь внешней поверхности трубки теплообменника, так что произведение пленочного коэффициента теплопередачи и площади поверхности внутри и снаружи трубки теплообменника являются величинами одного порядка.
Следующее равенство описывает теплопередачу, происходящую благодаря свободной конвекции:
w
∞
dQ/dt=hА(Т-T).
w
∞
2
Отношение dQ/dt теплоты Q (также называемое мощностью), переданной окружающей текучей среде, пропорционально открытой площади А объекта и разнице между температурой T объекта и температурой T свободного потока текучей среды. Коэффициент h пропорциональности представляет собой коэффициент конвективной теплопередачи, также называемый пленочным коэффициентом теплопередачи [единица измерения - W/(m·К)].
Поток текучей среды снаружи трубки обычно вызван работой вентилятора. Чем выше скорость воздуха, тем больше коэффициент теплопередачи и тем больше мощность. Тем не менее, скорость воздуха часто ограничена, например, максимальным уровнем шума вентилятора, например, 80 децибел в среднем. Для конкретного вентилятора, вращающегося на определенной скорости, скорость воздуха поперек пучка оребренных трубок определяется статическим перепадом давления (сопротивлением) пучка. Если перепад давления (сопротивление) мал, то может быть достигнута большая скорость воздуха.
Оребренные трубки также используются в нагревателях или печах, например в печах прямого нагрева, для улучшения теплопередачи от нагревающей текучей среды, окружающей трубки, к текучей среде, расположенной внутри трубок. Было замечено, что коксование текучей среды, расположенной внутри трубок теплообменника, происходит преимущественно с расположенной выше по направлению движения потока стороны текучей среды, находящейся снаружи трубок, например, в нагревателях сырой нефти, поступающей в блок дистилляции сырой нефти. Обычно нагревающей текучей средой являются продукты сгорания, полученные от сгорания топлива и перемещающиеся в нагревателе вверх.
Желательно увеличить эффективность теплопередачи теплообменных устройств, которые содержат оребренные трубки теплообменника.
Раскрытие изобретения
Таким образом, предложено устройство косвенного теплообмена, содержащее трубки теплообменника, расположенные, по меньшей мере, в два слоя, при этом каждый из этих слоев содержит, по меньшей мере, две трубки теплообменника, указанные трубки теплообменника являются оребренными с эксцентриситетом трубками, и отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки равно, по меньшей мере, 5, в указанном устройстве трубки теплообменника имеют одинаковый эксцентриситет ребер.
Оребренные трубки теплообменника имеют ось и снабжены ребрами, указанные ребра определяют контур, поперечное сечение этого контура ребер имеет центр тяжести. В теплообменниках с расположенными с эсцентриситетом ребрами центр тяжести поперечного сечения ребер трубки теплообменника расположен на расстоянии от оси трубки.
х
у
x
y
Центр тяжести площади, такой как поперечное сечение ребер, совпадает с центром масс тела. Вычисление центра тяжести основано на геометрической форме площади. Декартовы координаты С, С геометрического центра тяжести могут быть определены, например, интегрированием по площади A, C=∫xdA/A, C=∫уdA/A, A=∫dA.
Ось трубки представляет собой продольную ось внутренней части трубки.
Эксцентриситет определяют как расстояние, с учетом его величины и направления, между осью трубки и центром тяжести поперечного сечения ребер трубки, расположенной в устройстве. Оребренные с одинаковым эксцентриситетом трубки теплообменника представляют собой оребренные с эксцентриситетом трубки, эксцентриситет которых одинаков как по величине, так и по направлению, для мест расположения трубок в теплообменном устройстве. Влияние места расположения в устройстве на смещение трубки ясно из фиг.1, 3 и 4 документа GB-A-281289, где эксцентриситет соседних слоев противоположен с точки зрения направления из-за различного положения трубок в соседних слоях.
В устройстве косвенного теплообмена, которое соответствует настоящему изобретению, большая часть трубок, предпочтительно все трубки, из множества оребренных трубок теплообменного устройства имеют одинаковый эксцентриситет. Предпочтительно, чтобы оребренные трубки теплообменного устройства, которое соответствует настоящему изобретению, имели одинаковый эксцентриситет как с точки зрения величины, так и направления.
Предпочтительно, чтобы направление эксцентриситета ребер трубок теплообменного устройства было параллельно, то есть направление или совпадало, или было противоположным направлению обычного течения текучей среды снаружи трубок.
Существенная часть статического перепада давлений, вызванного оребренной трубкой теплообменника, имеет своей причиной ребра. Было замечено, что эффективность оребрения для теплопередачи выше для расположенной выше по направлению потока стороны трубки, а не для расположенной ниже по направлению потока стороны трубки. В описании и формуле изобретения расположенная выше по направлению потока сторона (также называемая стороной, направленной к потоку) является стороной, у которой поток текучей среды снаружи трубок направлен к оребренным трубкам, а у расположенной ниже по направлению потока стороны (также называемой стороной, направленной от потока) поток текучей среды снаружи трубок направлен от трубок.
Различную эффективность для обычных концентрических круглых ребер можно обнаружить следующим образом: температура концов таких ребер меньше на стороне, расположенной выше по направлению потока, а не на стороне, расположенной ниже по направлению потока. Различие в температуре конца ребра и текучей средой, окружающей конец ребра, здесь и далее называемое разностью температур, также больше для ребер, находящихся на стороне, расположенной выше по направлению потока, для таких обычных трубок теплообменника. По этой причине целесообразно оребрение расположить эксцентрично на трубках или, другими словами, использовать неконцентрические ребра. Ясно, что различие в эффективности более резко выражено для трубок теплообменника со сравнительно большой площадью поверхности, то есть когда отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки составляет более 5, точнее равно, по меньшей мере, 6, точнее равно, по меньшей мере, 7, точнее равно, по меньшей мере, 8, точнее равно, по меньшей мере, 9, и наиболее точно равно, по меньшей мере, 10. Особенно предпочтительно, чтобы устройства косвенного теплообмена, соответствующие настоящему изобретению, содержали трубки теплообменника с такой большой площадью поверхности. Предпочтительно, чтобы отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки составляло самое большее 25. Площадь поверхности ребер представляет собой площадь поверхности ребер, которая контактирует с текучей средой снаружи трубки, а площадь поверхности трубки представляет собой площадь поверхности трубки, которая контактирует с текучей средой внутри трубки.
Особым явлением, имеющим место при теплопередаче с помощью оребренных трубок, являются круговороты, то есть завихрения, образующиеся в текучей среде у стороны, расположенной ниже по направлению потока, указанное явление препятствует эффективной теплопередаче. Это явление также минимизируется в случае, когда большая часть площади поверхности ребра расположена у стороны, расположенной выше по направлению потока. Благодаря надлежащей конструкции для конкретной области применения, можно добиться ситуации, когда разности температур выше по направлению потока и ниже по направлению потока у концов ребер трубок теплообменника, по существу, будут равны.
Форма ребра может быть любой подходящей, например круглой, эллиптической, овальной, многоугольной или яйцеобразной (то есть приблизительно овальной с несколько различающимися радиусами на концах; целесообразно, чтобы больший радиус находился на стороне, расположенной ниже по направлению потока). Хорошие результаты получаются при эллиптической форме.
Благодаря оптимизации теплопередачи, для достижения той же мощности требуется меньшее оребрение. Более того, если использовано меньшее оребрение, уменьшится статический перепад давлений на пучке трубок, так что увеличится максимальная скорость воздуха при заданной мощности вентилятора, так что может быть увеличена общая мощность.
Устройство косвенного теплообмена, соответствующее настоящему изобретению, содержит, по меньшей мере, два слоя, предпочтительно, по меньшей мере, три слоя, более предпочтительно, по меньшей мере, 4 слоя трубок теплообменника. Предпочтительно, чтобы число слоев составляло самое большее 10, более предпочтительно самое большее 9. Далее каждый слой содержит, по меньшей мере, 2, более предпочтительно, по меньшей мере, 3, более предпочтительно, по меньшей мере, 4 трубки теплообменника. Число слоев и количество трубок представляют собой число расположенных трубок, независимо от того, соединены ли трубки между собой, например, с помощью колена.
Предпочтительно, чтобы трубки теплообменника в соседних слоях были расположены в шахматном порядке друг относительно друга, при этом трубки в устройстве по-прежнему имеют одинаковый эксцентриситет ребер.
Теплообменное устройство, соответствующее настоящему изобретению, может дополнительно содержать вентилятор, направление обдува или направление всасывания которого проходит поперек трубок теплообменника и определяет сторону трубок теплообменника, расположенную выше по направлению потока, при этом центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника находится выше по направлению потока относительно оси трубки.
Проблема неравномерного коксования в нагревателе также может быть решена с помощью теплообменного устройства, соответствующего настоящему изобретению. Согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника был расположен ниже по направлению потока по отношению к оси трубок относительно направления течения нагревающей текучей среды поперек теплообменного устройства (обычно верхняя сторона). Соответственно, согласно конкретному аспекту изобретения предложено устройство косвенного теплообмена, расположенное в нагревателе с направлением течения нагревающей текучей среды, которое проходит поперек теплообменного устройства и которое определяет сторону трубок теплообменного устройства, расположенную ниже по направлению потока, при этом центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника расположен ниже по направлению потока относительно оси трубок. Таким образом, достигается более равномерная теплопередача по периферии трубки, так что минимизируется разность температур у внутренней стенки между стороной, расположенной выше по направлению потока, и стороной, расположенной ниже по направлению потока. Это сдерживает большее коксование со стороны, расположенной выше по направлению потока, внутри трубок.
В описании и формуле изобретения выражение «центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника расположен выше (ниже) по направлению течения относительно оси трубки» относится к положению центра тяжести в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через ось трубки, и перпендикулярной направлению течения текучей среды снаружи трубок, и при этом плоскость расположена более высоко (или более низко) по направлению потока по сравнению с плоскостью, проходящей через ось трубки, соответственно в целесообразных вариантах осуществления изобретения центр тяжести расположен выше (или ниже) по направлению потока вдоль направления течения текучей среды снаружи трубок относительно оси трубки.
В изобретении также предложено использовать устройство косвенного теплообмена, которое соответствует изобретению, для теплообмена между первой текучей средой, расположенной внутри трубок, и второй текучей средой, расположенной снаружи трубок. Соответственно, в изобретении предложен способ теплообмена между первой текучей средой и второй текучей средой, указанный способ включает в себя следующее:
- обеспечивают наличие устройства косвенного теплообмена, которое соответствует изобретению;
- пропускают первую текучую среду по трубкам теплообменного устройства;
- пропускают вторую текучую среду вдоль направления течения поперек трубке теплообменника, при этом направление смещения трубок теплообменника параллельно направлению течения второй текучей среды.
Предпочтительно, чтобы разности температур выше по направлению потока и ниже по направлению потока, что определено выше и относится к потоку текучей среды снаружи трубок, на конце ребер трубок теплообменника, по существу, были равны при использовании для способа, который соответствует настоящему изобретению.
Вторая текучая среда может быть газом, при желании в сочетании с ограниченным количеством жидкости. Предпочтительно, чтобы вторая текучая среда представляла собой только газ.
Когда вторая текучая среда является охлаждающей текучей средой, в частности воздухом, предпочтительно, чтобы указанный центр тяжести был расположен выше по направлению потока относительно оси трубки. Когда вторая текучая среда является нагревающей текучей средой, в частности, содержащей продукты сгорания, предпочтительно, чтобы центр тяжести был расположен ниже по направлению потока относительно оси трубки.
Трубки теплообменника, предназначенные для использования в устройстве, которое соответствует настоящему изобретению, могут быть изготовлены многими различными способами.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в изометрии, схематически показывающий обычную оребренную трубку теплообменника;
фиг.2 - вид, схематически показывающий поперечный разрез обычной оребренной трубки теплообменника с фиг.1;
фиг.3 - вид, схематически показывающий поперечный разрез первого варианта осуществления оребренной трубки теплообменника, предназначенной для использования в устройстве, которое соответствует изобретению;
фиг.4 - вид, схематически показывающий поперечный разрез второго варианта осуществления оребренной трубки теплообменника, предназначенной для использования в устройстве, которое соответствует изобретению;
фиг.5 - вид, схематически показывающий устройство косвенного теплообмена и вентилятор, которые соответствуют изобретению.
Когда одинаковые ссылочные позиции используются на различных чертежах, они относятся к одним и тем же или аналогичным объектам.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематически показана обычная оребренная трубка 1 теплообменника. Трубка снабжена ребрами 3 круглого поперечного сечения. Ребра получены путем спирального наматывания полоски металла на внутреннюю трубку 5. Ребра определяют контур 7 круглого поперечного сечения 8. Центр тяжести круга 8 находится в центре 9, который совпадает в этом случае с продольной осью 10 трубки 1. На фиг.2 показано поперечное сечение обычной оребренной трубки 1 теплообменника.
На фиг.3 схематически показана оребренная трубка 21 теплообменника, предназначенная для использования в устройстве, которое соответствует изобретению. Трубка снабжена ребрами 23, определяющими контур 24, который имеет эллиптическое поперечное сечение 25 и который смещен относительно продольной оси 30 трубки 21, то есть центр 37 тяжести, расположенный на пересечении главной оси 32 и малой оси 33 эллипса, находится на расстоянии от оси 30.
На фиг.4 схематично показан другой вариант осуществления оребренной трубки 41 теплообменника, предназначенной для использования в устройстве, которое соответствует изобретению. Здесь ребра 43 определяют контур 44 круглого поперечного сечения 45. Центр 46 круга 45 расположен на расстоянии от продольной оси 50 трубки 41.
На фиг.5 схематически показано устройство 51, соответствующее изобретению и содержащее смещенные оребренные трубки 53 теплообменника, при этом устройство 51 размещено в устройстве 54 с вентилятором 55, которое образует, например, теплообменник с воздушным охлаждением. Устройство в этом примере содержит четыре слоя трубок (если смотреть вдоль направления 58 обдува вентилятора 55), каждый из указанных слоев содержит три или четыре трубки теплообменника. Каждая трубка имеет сторону 60, расположенную выше по направлению потока, и сторону 61, расположенную ниже по направлению потока, при этом при работе вентилятора сторона, расположенная выше по направлению потока, находится ближе к вентилятору 55, чем сторона, расположенная ниже по направлению потока. Оребренные трубки 53 имеют ребра эллиптической формы, расположенные эксцентрично, как описано при обсуждении фиг.3.
При работе устройства 54 первая текучая среда проходит по внутренней части 62 трубок 53, вентилятор нагнетает вторую текучую среду (например, воздух) поперек трубок согласно направлению 58 обдува, что делается для осуществления теплообмена между первой и второй текучими средами, то есть для охлаждения воздухом первой текучей среды.
Эллиптические ребра расположены неконцентрически, так что центр тяжести их сечения находится ниже оси трубок на фиг.5, со стороны работающего вентилятора.
Чтобы сравнить мощности теплопередачи и перепад давления четырехслойной группы оребренных трубок теплообменника, которые соответствуют изобретению, и аналогичной конструкции из обычных круглых оребренных трубок, были выполнены расчеты по вычислительной гидродинамике. Расчеты осуществлялись с использованием так называемого программного обеспечения EFD.Lab.
В модели рассматривались трубки с медной сердцевиной и алюминиевыми ребрами. Температура сердцевины трубки была фиксированной и составляла 100°С. Температура окружающего воздуха оставляла 30°С. Окружающий воздух проходил поперек трубок со скоростью 4 м/с. При расчетах были использованы следующие параметры.
Размеры оребренных трубок (все примеры):
Чистый внешний диаметр внутренней трубки: 25,4 мм;
Толщина ребра: 0,4 мм;
Шаг оребрения (10 ребер/дюйм): 2,54 мм;
Расстояние между ребрами: 2,14 мм;
Отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки: 20;
Размеры группы:
Шаг трубок: 63 мм;
Угол шахматного расположения: 60 градусов.
Каждый из 4 слоев содержит несколько трубок.
Пример 1
Устройство, соответствующее изобретению, содержит трубки с эллиптическим и смещено расположенным оребрением.
Главный диаметр: 74,4 мм;
Малый диаметр 42,98 мм;
Минимальная высота ребра: 10 мм;
Максимальная высота ребра: 39 мм;
Величина смещения: 15 мм.
Сравнительный пример 2
Устройство, которое не соответствует изобретению и содержит обычные трубки с концентрическим и круглым оребрением.
Высота ребра: 15,88 мм;
Внешний диаметр контура ребер: 57,15 мм.
В примере 1 была достигнута мощность на метр длины оребренной трубки, равная 1366,9 Вт при перепаде давления, равном 101,5 Па. В сравнительном примере 2 мощность была несколько выше: 1505,5 Вт/м, но перепад давлений был гораздо выше, а именно 132,0 Па. Отношение мощности к перепаду давлений было на 18% больше в примере 1, который соответствует изобретению.
Вариант реализации нагревателя, в котором должно быть ослаблено неравномерное коксование, аналогичен варианту с фиг.5, но вместо вентилятора должна быть предусмотрена горелка, и эллиптические ребра должны быть расположены так, чтобы центр тяжести поперечного сечения ребер был расположен над осью трубок с фиг.5, по другую сторону от горелки.