КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании теплообменных аппаратов и устройств промышленного и энергетического назначения, основу которых составляют поперечно обтекаемые трубчатые поверхности.
Известны кожухотрубные теплообменники, содержащие поперечно обтекаемые пучки цилиндрических гладких труб одинакового диаметра с разнообразными схемами движения теплоносителей и различными схемами размещения труб в трубных пучках [1, с.7-8, рис.1.1а; с.25-26, табл.1.5], [2, с.10-12; с.169-171; с.207-215, рис.11.2].
В каждом конструктивном варианте трубного пучка должна быть обеспечена максимальная эффективность поверхности с учетом теплофизических и гидродинамических параметров теплоносителей. Известно, что интенсивность теплоотдачи поверхности пучка труб с коридорным расположением ниже, чем с шахматным из-за характерного для линейно расположенных относительно вектора потока теплоносителя труб одинакового диаметра негативного экранирующего эффекта, когда каждая последующая труба пучка находится в гидродинамическом следе предыдущей и проявляется пониженная активность вихревых процессов в рециркуляционных зонах межтрубного пространства. При шахматном расположении труб в пучке отмеченный эффект существенно снижается и теплоотдача поверхности заметно возрастает. Однако при этом возрастают гидравлическое сопротивление и затраты энергии на прокачку теплоносителя. Создание благоприятных условий поперечного обтекания труб в пучке является важным фактором повышения эффективности теплообмена.
2
1
1
2
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб большего и меньшего диаметров и коллекторы с трубными досками, образованный путем дополнительного введения труб меньшего диаметра dв схемы прямоугольной (коридорной) или треугольной (шахматной) разбивки осей труб большего диаметра d при условии сохранения минимально допустимых межтрубных расстояний [3, Трубчатый теплообменник. Патент на изобретение РФ №2006780, БИ, 1994, №2]. При этом особенностью образованной на основе прямоугольной схемы расположения труб большего диаметра комбинированной поверхности с треугольной схемой размещения осей труб разных диаметров является наличие при ее основании соответствующих труб одинакового диаметра, большего или меньшего, что конструктивно представляет собой реализацию более эффективной, чем коридорная (линейная) с трубами одного диаметра, шахматной (треугольной) схемы расположения в пучке труб большего d и меньшего d диаметров, обеспечивающей выгодные условия обтекания разновеликих элементов поверхности и дополнительную турбулизацию потока теплоносителя.
опт
1
2
1
2
опт
ш
к
1
2
Вместе с тем наблюдается возможность определенного усиления положительного эффекта дополнительной турбулизации потока и интенсификации теплоотдачи трубчатой поверхности при использовании более рациональной схемы компоновки, при которой взаимное гидродинамическое воздействие труб разных диаметров на поток приводит к улучшению условий отрывного поперечного обтекания, и связанной, в частности, с наличием оптимального угла ориентации трубчатой поверхности φ относительно направления потока теплоносителя. Заметим, что в случае квадратной схемы размещения осей труб большего диаметра при повороте вертикальной оси треугольника шахматной комбинированной схемы на угол φ=45° относительно направления потока реализуется линейная (коридорная) схема последовательно расположенных труб большего d и меньшего d диаметров. При определенных геометрических параметрах поверхности и массовых расходах теплоносителя, как было установлено на основании экспериментальных исследований в [4, Эффективность теплообмена поперечно обтекаемых комбинированных пучков труб с различными схемами расположения элементов поверхности // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. - №3. - С.88-97], наиболее эффективной является промежуточная между треугольной (шахматной) и линейной (коридорной) схема расположения труб с dи d с оптимальным угловым интервалом ориентации 15°≤φ≤30°, определяемым изменением положения осей шахматной (треугольной) схемы расположения труб разных диаметров (φ=0°) относительно вектора течения во всем опытном интервале 0°≤φ≤45° (φ=45° - угол ориентации поверхности, определяющий линейное расположение труб с d и d).
Задачами предлагаемой полезной модели являются повышение эффективности теплоотдачи поверхности пучков труб, снижение металлоемкости и увеличение компактности теплообменников.
1
2
1
1
2
опт
Поставленные задачи решаются при использовании кожухотрубного теплообменника, содержащего пучок труб с сегментными перегородками, коллекторы с трубными досками, входной и выходной патрубки для холодного теплоносителя, при этом пучок состоит из труб большего диаметра d с квадратной схемой размещения осей и труб меньшего диаметра d, размещенных с минимально допустимыми межтрубными расстояниями в центре квадратных ячеек с трубами диаметром d, отличающийся тем, что пучок труб выполнен с образованием комбинированной разновеликой трубчатой поверхности с треугольной схемой размещения осей труб, при этом трубы размещены из условия расположения вертикальных осей в треугольной схеме труб одинакового диаметра d или d при ее основании относительно продольной вертикальной плоскости симметрии кожуха, проходящей через входной и выходной патрубки холодного теплоносителя и совпадающей с направлением вектора течения потока теплоносителя на стороне кожуха, в угловом интервале 15°≤φ≤30°.
1
2
1
2
На фиг.1 изображена схема комбинированной трубчатой поверхности в условиях изменения угла ее ориентации φ относительно направления потока теплоносителя; на фиг.2 - схема кожухотрубного теплообменника с одним ходом в трубах разных наружных диаметров (d>d) и одним ходом в снабженном перегородками кожухе; на фиг.3 - схема размещения осей труб разных диаметров d и d и положение пучка в кожухе с углом ориентации φ и сегментных перегородок относительно вертикальной плоскости симметрии кожуха (сечение А-А на фиг.2).
1
2
1
2
ш
к
При работе кожухотрубного теплообменника, содержащего пучок труб с разными наружными диаметрами (d>d), теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно омывающему наружную поверхность трубного пучка. Выполненные экспериментальные исследования теплоаэродинамических характеристик поверхности поперечно обтекаемых пучков латунных труб диаметром d=11 мм с последовательно размещенными в центре каждой их квадратной ячейки со стороной s=16 мм трубами диаметром d=6 мм показали возможность повышения теплоэнергетической эффективности комбинированной трубчатой поверхности в условиях изменения угла φ ее ориентации относительно направления воздушного потока в интервале 0°≤φ≤45° (соответствующем шахматной схеме размещением труб с φ=0° и коридорной с φ=45°) приблизительно до 40% по сравнению с эффективностью поверхности симметричного коридорного пучка труб одинакового диаметра d=11 мм с шагом s=16 мм в угловом интервале 15°≤φ≤30° (при соответствующей величине расхода теплоносителя) [4, с.95, 96, рис.3].
Таким образом, оптимальная ориентация пучка труб с разными наружными диаметра относительно вектора течения потока с последовательно чередующимися по длине перегородками, сегментные срезы которых расположены под прямым углом к вертикальной плоскости симметрии кожуха, позволит обеспечить благоприятные условия поперечного обтекания и взаимодействия потока теплоносителя отрывного характера с трубчатой поверхностью, что при активизации механизмов переноса в рециркуляционных зонах межтрубного пространства будет способствовать интенсификации теплообмена в пучке труб на стороне кожуха.
Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.
2. А. Фраас, М. Оцисик. Расчет и конструирование теплообменников. Перев. с англ. - М., Энергоатомиздат, 1971. - 358 с.
3. В.И. Евенко, А.К. Анисин и др. Трубчатый теплообменник / Патент на изобретение РФ №2006780 // БИ. - 1994. - №2.
4. Буглаев В.Т., Анисин А.К., Анисин А.А. Эффективность теплообмена поперечно обтекаемых комбинированных пучков труб с различными схемами расположения элементов поверхности // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. - №3. - С.88-97.