СОТОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ЗАКРУТКОЙ ПОТОКА
HONEYCOMB HEAT EXCHANGER WITH FLOW SWIRLING

Изобретение относится к области проектирования и изготовления теплообменных аппаратов и теплообменных узлов рекуперативного типа 3-го поколения, отличающихся от существующих совокупностью трех признаков: во-первых, заменой трубной доски на сотовую шестигранную правильную конструкцию, составленную из концов труб, во-вторых, закруткой потока в спирально-профильных трубах (СПТ) и, в-третьих, устройством полых спиральных ребер в межтрубном пространстве.
Известны теплообменные аппараты, состоящие из труб с выпукло-вогнутыми спиральными поверхностями, встроенные в трубные доски в шахматном порядке (Панин В.И. Котельные установки малой и средней мощности. Стройиздат. М., 1975 г., стр.210-218, и «Справочник машиностроителя» под ред. Э.Сателя. М.: Машиностроение, 1964, т.3, с.205-210 и том 5, кн. 2, с.746-759).
Наиболее близким аналогом являются теплообменные аппараты, выполненные с выпукло-вогнутыми спиральными конвективными поверхностями, обеспечивающими увеличение параметров теплообмена за счет увеличения суммарной поверхности теплопередачи, содержащие зафиксированный в трубных досках пучок труб со спиральными многозаходными поверхностями теплообмена, концы которых выполнены в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей в виде ромба или квадрата, при смыкании которых образуются трубные доски, при этом диаметр условно вписанной в их поперечное сечение окружности равен или превышает наружный диаметр спиральной поверхности теплообмена (Патент РФ №2157494 «Сотовый теплообменный аппарат», 7 F28D 3/04).
Недостатки сотового теплообменного аппарата (аналога) заложены в четырехугольной (ромбической или квадратной) форме законцовок трубы, а именно
- поток теплоносителя через такие законцовки является неравномерным по сечению, перпендикулярному оси потока. В углах четырехугольника возникают застойные зоны, увеличивается гидросопротивление и степень солеотложения;
- переход теплоносителя из четырехугольной части трубы в круглую ее часть увеличивает переходную неустойчивую зону течения, что приводит к увеличению гидросопротивления основной части трубы;
- технологически сложно выполнить законцовку на круглой трубе в форме четырехугольника из-за малых углов гибки стенки трубы;
- сложно выполнить такой теплообменник в цилиндрическом обычном корпусе, а ромбический или квадратный корпус также вызывает сложности в его изготовлении.
Задачей изобретения является улучшение основных параметров теплообменных аппаратов, таких как:
- увеличение теплоотдачи на внутритрубных и межтрубных поверхностях;
- снижение степени загрязненности и солеотложения на поверхностях;
- снижение гидросопротивления;
- возможность выбора оптимального по коэффициенту теплопередачи соотношения между общими площадями сечения внутритрубного и межтрубного потоков;
- увеличение компактности и единичной мощности;
- снижение материалоемкости, трудоемкости и в целом себестоимости в расчете на единицу теплопроизводительности аппаратов;
- улучшение ремонтопригодности.
Для достижения поставленной задачи в сотовом теплообменнике с закруткой потока, содержащем трубный пучок из теплообменных труб, имеющих законцовки, выполненные в виде равносторонних многогранников, примыкающих друг к другу и соединенных между собой по граням, согласно изобретению законцовки каждой трубы выполнены в форме шестигранника, одна труба или несколько труб, соединенных между собой беззазорно и герметично, выполнены с образованием модуля, а трубный пучок составлен из одного модуля или нескольких герметично соединенных между собой модулей и скреплен обечайками по законцовкам, в качестве теплообменных труб использованы спирально-профильные трубы, теплообменник снабжен корпусом с патрубками, замыкающим межтрубное пространство, охватывающим трубный пучок и соединенным с ним герметично по наружному контуру законцовок, кроме того, спирально-профильные трубы выполнены с равными или различными углами подъема спирали, при этом боковая поверхность каждой трубы состоит из одной или нескольких зон, каждая из которых имеет свою геометрическую форму, число заходов и угол подъема спирали, а также могут быть выполнены оребренными по наружной поверхности контура, кроме того, образующие внешний контур трубного пучка боковые шестигранные поверхности законцовок, контактирующие с внутренней поверхностью обечайки, выполнены по форме внутренней поверхности обечайки.
Решение задачи изобретения обеспечивается за счет следующих технических решений:
- замена четырехугольной формы сечения законцовок на правильную шестигранную, что снижает гидросопротивление потока, упрощает и удешевляет изготовление пучка и делает соединение труб более прочным, приводит к увеличению турбулизации и уменьшению вязкого пристенного слоя, что также приводит к увеличению теплоотдачи, уменьшению трения о стенки и уменьшению степени загрязнения поверхностей и солеотложения;
- предоставляет более широкие возможности выбора величины вписанного диаметра законцовки при ее изготовлении и получить любое расстояние между смежными трубами в пучке - от нуля и выше, что дает проектировщику право отдать предпочтение расчетному соотношению между сечениями межтрубного и внутритрубного потоков с учетом их реологических свойств;
- прочность соединения труб увеличилась, так как правильные шестигранные соты являются более прочной конструкцией;
- увеличилась теплоотдача изнутри за счет закрутки потока и снаружи - за счет внешнего оребрения;
- продольная пружинность СПТ гасит вибрацию, гидроудары и теплоудары, что увеличивает усталостную прочность и дольше сохраняет правильную геометрию конструкции законцовок;
- радиальная жесткость СПТ позволяет исключить промежуточные поддерживающие перегородки;
- модульная конструкция сотового трубного пучка позволяет унифицировать его изготовление и упростить разборку, осмотр, чистку и ремонт трубного пучка.
Шестигранная сотовая конструкция является идеальной как по прочности, так и по гидродинамике проходящих через нее потоков. На входе и выходе потока она плавно переходит в спирально-профильную поверхность, образуя матрицу теплообмена. Благодаря этому внутритрубный поток закручивается, а межтрубный получает оребрение, что в совокупности обеспечивает высокую теплопередачу, низкое гидросопротивление и низкую степень загрязненности и солеотложения по сравнению с пластинчатыми (2-е поколение) и кожухотрубными, включающими также завихрители и турбулизатры, (1-е поколение) аппаратами (см. таблица).
Таблица
Сравнение Сотового Аппарата со Спиральными трубами (САС)
Критерии оценки
Кожухотрубные (1-е поколение)
Пластинчатые (2-е поколение)
САС (3-е поколение)
Коэффициент теплоотдачи
низкий
средний
высокий
Удельное гидравлическое сопротивление
среднее
высокое
низкое
Степень солеобразования
средняя
высокая
низкая
Приведенная стоимость
средняя
высокая
низкая
Изобретение применяется для любых газовых, жидких и газожидкостных сред, проходящих в любых сочетаниях по внутритрубному и межтрубному пространству: «жидкость-жидкость», «газ-газ», «газ-жидкость» и т.д…, а также для любых течений - турбулентных, переходных и ламинарных.
Наиболее типичные сферы применения изобретения:
1) горизонтальные секционные водоводяные и пароводяные подогреватели в системах отопления и горячего водоснабжения ЖКХ (бойлеры);
2) паровые и водогрейные котлы;
3) оборудование для ТЭЦ, бойлеры сетевой воды, конденсаторы пара;
4) конвективные поверхности теплообмена котельных установок;
5) регенераторы (утилизаторы) тепла газопоршневых (ГПУ) и газотурбинных (ГТУ) когенерационных установок;
6) промежуточные воздухоохладители ГТУ;
7) аппараты воздушного охлаждения (АВО) газа;
8) подогреватели нефти и мазута, маслоохладители на ламинарных потоках;
9) теплообменники химической и нефтехимической промышленности;
10) технологические теплообменные и холодильные аппараты пищевой промышленности;
11) испарители и конденсаторы кожухотрубных холодильных установок и систем кондиционирования воздуха;
12) парогенераторы и подогреватели реакционного газа типа «труба в трубе»;
13) вихревые газохимические реакторы нового поколения;
14) аппараты стабилизации скважинного газа;
15) очистка от примесей и сепарация газов, осушка сжатого воздуха.
Таким образом, теплообменник согласно изобретению состоит из пучка параллельных труб, концы которых (законцовки) выполнены в форме правильных шестигранных призм и соединены между собой беззазорно и герметично так, что образуется правильная сотовая конструкция, при этом диаметр вписанной в шестигранник окружности равен или больше внешнего описанного диаметра остальной части трубы.
Соединение может быть не разъемным на основе сварки, пайки, клейки, завальцовки, «микровзрыва», сварки трением и т.д…, или разъемным, использующим пластичные герметизирующие прокладки.
Несколько труб, соединенных таким образом между собой, могут образовать на торцах законцовок разные фигуры, в том числе снова правильный шестиугольник. Такое соединение труб может рассматриваться как модуль (в частном случае модуль состоит из одной трубы). Отдельные модули могут собираться в трубный пучок произвольного размера и соединяться как не разъемным, так и разъемным способом. Для увеличения надежности разъемных креплений применяется механический замковый способ крепления законцовок друг с другом. Для этого на гранях скрепляемых законцовок выполняется одна или несколько пар смежных пуклевок - одна вогнутая, другая выпуклая - так, что при смыкании граней соседних законцовок пуклевка одной грани заходит через пластическую прокладку в пуклевку другой грани, образуя замок, препятствующий осевому смещению труб относительно друг друга.
Разъемное - через пластическую герметичную прокладку соединение модулей в трубный пучок, позволяет снизить степень разрушающих конструкцию вибраций и неравномерного расширения ее частей и дольше сохранить правильную геометрию трубного пучка в процессе эксплуатации. Это также позволяет отказаться от устройства перегородок, разделяющих и поддерживающих трубы в пучке.
По внешнему контуру законцовок трубный пучок скрепляется обечайкой, которая служит для: скрепления труб в модуле и модулей в трубном пучке; неразъемного или разъемного, например фланцевого, соединения трубного участка с патрубками, подводящими и отводящими входной и выходной потоки; герметичной изоляции потока, проходящего через входной патрубок, внутритрубное пространство и выходной патрубок, от потоков, циркулирующих в межтрубном пространстве.
Для замыкания межтрубного пространства трубный пучок с патрубками может быть снабжен корпусом (кожухом) с патрубками для подвода и отвода межтрубного потока, при этом корпус герметично разъемным или не разъемным способом соединен с трубным пучком по линии обечайки. Указанное соединение может быть как жестким, так и не жестким («плавающим» в направлении оси трубного пучка) для снижения степени разрушающей вибрации. Шестигранный профиль законцовок СПТ позволяет конструировать разные формы корпусов теплообменных аппаратов, в том числе: ромбические, квадратные, прямоугольные, шестигранные, восьмигранные и круглые, при сохранении одинаковыми межосевых расстояний между центрами осей труб.
Между законцовками располагается основная часть трубы - спирально-профильная боковая поверхность, при этом указанная поверхность может состоять из нескольких зон произвольной относительной длины, каждая из которых имеет свою геометрическую форму: число заходов, глубину и форму канавок, угол подъема спирали (зона может иметь и простую гладкостенную поверхность).
Для увеличения поверхности теплообмена на профильную часть СПТ устанавливают оребрение в виде ленты, навитой по спирали, либо колец, в виде отдельных лепестков. Лента и лепестки закрепляются по вершинам гофров спирали беззазорно.
Внутренняя поверхность СПТ организует внутри закрутку потока по спирали, а внешняя организует оребрение для межтрубного потока.
Технико-экономические показатели эффективности сотового теплообменного аппарата со спирально-профильными трубами выражаются в повышении теплотехнических и гидравлических параметров теплообменных аппаратов, увеличении их компактности и удельной теплопроизводительности, снижении себестоимости изготовления, а также в повышении эксплуатационной надежности и снижении эксплуатационных расходов.
На фиг.1 представлена спирально-профильная теплообменная труба (СПТ). Законцовки трубы выполнены в виде правильных шестигранных призм, а основная часть трубы имеет спирально-профильную шестизаходную боковую поверхность, при этом D≥d, где D - диаметр окружности, вписанной в поперечное сечение законцовки, d - описанный наружный диаметр спирально-профильной части СПТ, h - длина законцовки, увеличивая которую, можно увеличить площадь граней и силу сцепления труб в пучке.
На фиг.2 показан вариант трубного пучка под круглую обечайку. Размер межтрубного расстояния измеряется величиной D-d и определяется путем оптимизации теплопередачи между внутритрубным и межтрубным потоками в зависимости от их реологических и гидродинамических свойств.
На фиг.3 представлена принципиальная схема бескожухного теплообменника, где 1 - трубный пучок, 2 - обечайка, 3 - фланец, 4 и 5 - патрубки входа и выхода (исполнение 2 ГОСТ 27590-88 или ГОСТ 17378-2001) внутритрубного потока.
На фиг.4 представлена варианты набора сотовых теплообменных аппаратов.
На фиг.5 в качестве примера представлена схема поверхностного теплообменного аппарата с шестигранными поверхностями концов труб, содержащего трубный пучок СПТ 1, корпус 8, перепускной короб 10 с размерами, относящимися к теплообменному аппарату по ГОСТ 27590-88.
На фиг.6 представлена схема водоподогревателя 168×2 на СПТ, вписывающегося в габариты водоподогревателя, рекомендуемого ГОСТ 27590-88, где 6 и 7 - патрубки для входа и выхода охлаждаемой воды, 8 - корпус, 9 - калач соединительный (исполнение 1 ГОСТ 27590-88).
Водоподогреватель по предложенному изобретению имеет трубный пучок, состоящий из 55 теплообменных труб (в нашем случае - спирально-профильных), в то время как традиционный водоподогреватель не может вместить более 37 труб, что и отражено в ГОСТ 27590-88. Приведенный пример наглядно иллюстрирует преимущество предложенного технического решения, обеспечивающего увеличение числа теплообменник труб, а значит, и компактность в 1,5 раза.