Трубчатый теплообменник

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании теплообменных аппаратов и устройств транспортного, энергетического и промышленного назначения, основу которых составляют поперечно обтекаемые трубчатые поверхности.
Известен теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб одинакового диаметра с прямоугольной или треугольной разбивкой и коллекторы с трубными досками [Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам. / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с., с. 7-8, рис. 1.1 а; с. 25-26, табл. 1.5].
Недостатком такого теплообменника является пониженная эффективность теплоотдачи наружной поверхности труб и повышенная металлоемкость, обусловленные тем, что трубный пучок выполнен из труб одинакового диаметра с характерным наличием малоактивных рециркуляционных зон в межтрубном пространстве и ограниченным уровнем турбулентности потока. В наибольшей мере указанные недостатки проявляются в теплообменниках с коридорной компоновкой труб.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является трубчатый теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб с наружной поверхностью в виде чередующихся одинаковых по длине круговых цилиндрических участков с разными, большим и меньшим, наружными диаметрами, последовательно расположенных по ходу потока, и коллекторы с трубными досками [А.А. Анисин, А.К. Анисин, В.Т. Буглаев. Трубчатый теплообменник. / Патент на изобретение РФ №2171439 // БИ. - 2001. - №21].
Недостатком этого теплообменника являются сравнительно невысокая эффективность теплообмена и повышенная металлоемкость.
Отмеченное снижение тепловой эффективности может быть связано с ослаблением механизма генерирования дополнительной турбулентности потока теплоносителя в межтрубном пространстве с внешней стороны разновеликих цилиндрических элементов при уменьшении относительных шагов их расположения [Анисин А.А. Сравнение эффективности теплоотдачи поперечно обтекаемых потоком воздуха симметричных коридорных пучков труб переменного сечения с различной конфигурацией. // Справочник. Инженерный журнал. - 2008. - №3. - С. 60, рис. 3], а также наличием местных потерь напора из-за непостоянного сечения в местах изменения формы внутренних каналов труб с резкими расширениями и сужениями потока.
Задачей полезной модели являются повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение металлоемкости и уменьшение объема теплообменника.
Поставленная задача решается в трубчатом теплообменнике, содержащем поперечно обтекаемый пучок труб, поверхность которых разделена на одинаковые по длине трубы осесимметричные цилиндрические участки с разной геометрией, и коллекторы с трубными досками. Участки наружной трубчатой поверхности различной формы, цилиндрической круговой и профильной в виде сдвоенных цилиндрических круглых элементов выполнены чередующимися и последовательно расположены по ходу потока теплоносителя в пучке. При этом оси труб пучка с цилиндрическими круговыми концевыми участками одинакового диаметра совпадают с вершинами прямоугольника разбивки трубных досок при коридорной компоновке труб в пучке, обеспечивая минимально допустимые межтрубные расстояния.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи за счет дополнительной турбулизации потока при поперечном обтекании чередующихся участков с разной геометрией трубчатой поверхности, формирующих трехмерный характер отрывного течения потока в межтрубных каналах.
2. Снижение металлоемкости и повышение компактности трубчатых теплообменных аппаратов.
1к
2к
1к
2к
На фиг. 1 изображена схема трубчатого теплообменника, продольный разрез; на фиг. 2 - элемент поверхности трубного пучка с трубными досками; на фиг. 3 - аксонометрическое изображение элемента трубчатой поверхности; на фиг. 4 - схема разбивки труб в трубных досках при коридорной компоновке с шагами s=s, сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 5 - схема соответствующей разбивки труб в трубных досках при коридорной компоновке с шагами s<s.
1
2
2
1
1к
2к
Трубчатый теплообменник содержит поперечно обтекаемый пучок труб 1, поверхность которых разделена на одинаковые по длине трубы чередующиеся осесимметричные участки различной формы, цилиндрической круговой 4 с наружным диаметром d и профильной 5 в виде сдвоенных цилиндрических круглых элементов с наружным диаметром d (d<d) и шириной с, и коллекторы 2 с трубными досками 3. Участки трубчатой поверхности с разной геометрией располагаются последовательно по ходу потока теплоносителя. Трубы в пучке расположены по вершинам прямоугольника (фиг. 4, 5), образуя коридорную с шагами s и sкомпоновку трубчатых элементов.
При работе трубчатого теплообменника теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно обтекающему наружную поверхность труб.
Предлагаемая периодическая геометрия поверхности исключает формирование полностью развитого режима течения, характерного для потока в обычной цилиндрической трубе постоянного сечения. При переходе потока из участка 4 с цилиндрической круговой формой в профильный 5 в виде сдвоенных цилиндрических круглых трубчатых элементов с меньшим эквивалентным диаметром каждого из них происходит перестройка профиля скорости течения во внутренней области пограничного слоя, что предполагает повышение интенсивности теплоотдачи на внутренней стороне стенки профильного участка трубы в пучке. Вместе с тем величина проходного сечения внутреннего канала практически не изменяется вдоль оси трубы при указанном переходе потока из участка в участок, исключая таким образом увеличение гидравлического сопротивления по внутренней стороне трубчатой поверхности. Одновременное улучшение условий отрывного обтекания труб с чередующимися участками цилиндрической круговой 4 и профильной 5 наружной поверхности и дополнительная турбулизация потока в межтрубном пространстве обеспечивают наибольшую эффективность теплоотдачи наружной поверхности поперечно обтекаемого трубного пучка.