Поперечно обтекаемый пучок из труб, представляющих в сечении трилистник, для теплообменников

Настоящая полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована при создании теплообменников и устройств промышленного и энергетического назначения, основу которых составляют поперечно обтекаемые трубчатые поверхности.
Известен интенсифицированный трубный пучок поперечно обтекаемый одинакового диаметра с квадратной схемой размещения осей [Патент RU 151132, F28D 9/00, опубл. 20.03.2015]. Оси продольных рядов труб, соответствующие шахматной (треугольной) схеме их расположения в пучке, образуют с продольной осью канала, в котором расположен пучок, и направлением вектора течения потока теплоносителя в нем угол ϕопт≈30°  обеспечивающий оптимальную ориентацию поверхности поперечно обтекаемых труб относительно направления течения.
Известен трубчатый теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб переменного сечения с последовательно чередующимися вдоль оси коническими расширяющимися участками поверхности с оптимальным углом раскрытия конуса [Патент RU 185495, F28D 7/16, опубл. 06.12.2018]. При шахматной схеме компоновки трубы в смежных рядах пучка имеют противоположную периодичность чередования конических участков, обеспечивая наиболее полное обтекание потоком расположенных по течению круговых элементов поверхности с непрерывно изменяющейся вдоль оси трубы от большего основания конуса к меньшему его основанию величиной наружного диаметра.
Недостатком перечисленных аналогов является низкая энергоэффективность, обусловленная повышенным перепадом давления и, как следствие, повышенными затратами мощности на прокачку теплоносителя (воздуха) ввиду использования в конструкции: круглых цилиндрических труб [Патент RU 151132, F28D 9/00, опубл. 20.03.2015]; пучка труб переменного сечения с последовательно чередующимися вдоль оси коническими расширяющимися участками поверхности с оптимальным углом раскрытия конуса [Патент RU 185495, F28D 7/16, опубл. 06.12.2018].
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является интенсифицированный трубный пучок поперечно обтекаемый с периодически расположенными вдоль оси и последовательно чередующимися по потоку цилиндрическими участками наружной поверхности с разными, большим d1 и меньшим d2, диаметрами с шахматной или коридорной схемами разбивки [Патент RU 146012, F28F 1/00, опубл. 27.09.2014]. При этом каждая из труб пучка представляет собой несущую круглую цилиндрическую трубу постоянного сечения диаметром d2 с размещенными на ней с гарантированным плотным термическим контактом цилиндрическими втулками-насадками диаметром d1>d2 с длиной цилиндрической поверхности, равной длине участка поверхности несущей трубы между ними.
Недостатком данной полезной модели является пониженная энергоэффективность, обусловленная повышенным перепадом давления и, как следствие, повышенными затратами мощности на прокачку теплоносителя (воздуха) ввиду использования в конструкции круглых цилиндрических труб.
Задачей полезной модели является разработка поперечно обтекаемого пучка из труб, представляющих в сечении трилистник, в котором устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является снижение перепада давления и, как следствие, снижение затрат мощности на прокачку теплоносителя (воздуха) и повышение энергетической эффективности.
Технический результат достигается при использовании в теплообменнике поперечно обтекаемого пучка из труб, размещенных в шахматном порядке, согласно предлагаемой полезной модели каждая из труб пучка представляет в сечении трилистник диаметром d, расстояние между центрами труб в пучке - 2d.
В теплообменниках предлагается использовать поперечно обтекаемый пучок из труб, представляющих в сечении трилистник, размещенных в шахматном порядке. Диаметр сечения одной трубы равен d. Расстояние между центрами труб в пучке - 2d.
Для численных исследований использовался диаметр сечения трубы 5 мм, расстояние между центрами труб в пучке - 10 мм. Численные параметрические расчеты показали, что данные значения являются наиболее оптимальными. Диаметры труб в пучке могут быть увеличены в зависимости от специфики технологического процесса, но расстояние между центрами труб в пучке должно быть равно 2d, где d - диаметр трубы. Длина труб равна длине корпуса, длина корпуса зависит от особенностей технологического процесса.
На фиг. 1 изображена одиночная труба, представляющая в сечении трилистник; на фиг. 2 изображен трубный пучок.
Показатель энергетической эффективности рассчитан по формуле [Бажан П.П., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.: ил.]
где Q - тепловой поток с поверхности трубы, Вт; δP - мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя (воздуха), Вт [Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.: ил.]
где GV - объемный расход воздуха, м3/с; Δр - перепад давления, Па; G - массовый расход воздуха, кг/с; ρ - плотность воздуха, кг/м3.
Значения теплового потока с поверхности труб, представляющих в сечении трилистник, и труб круглого сечения демонстрируют близкие значения (фиг. 3).
На фиг. 3-5 в легенде указан тип сечения трубы.
При этом перепад давления при использовании в теплообменнике пучка из труб, представляющих трилистник в сечении, будет меньше в сравнении с трубами круглого сечения (фиг. 4).
Следовательно, затраты мощности на прокачку воздуха в случае трилистника также будут ниже в связи с зависимостью мощности от перепада давления [формула (2)]. Относительно трубы круглого сечения затраты мощности в случае трубы, представляющей в сечении трилистник, будут меньше на (13-26)% в зависимости от скорости потока воздуха, поступающего в канал (сравнивались значения для скоростей 0,01; 0,05; 0,25; 1,25 м/с). Чем ниже скорость, тем ниже затраты мощности.
Поскольку показатель энергетической эффективности равен отношению теплового потока к мощности, затрачиваемой на прокачку воздуха [формула (1)], снижение затрат мощности приводит к повышению энергетической эффективности (фиг. 5). Так, относительно элемента круглого сечения прирост энергоэффективности трилистника составляет (6-30)% в зависимости от скорости потока воздуха. Чем меньше скорость, тем больше энергоэффективность.
Предпочтительной же для прокачки воздуха в межтрубном пространстве является скорость 1,25 м/с, так как при обтекании пучка труб, представляющих трилистник в сечении, на данной скорости наблюдается снижение затрат мощности на 26,30% и прирост энергетической эффективности на 28,47% относительно трубы круглого сечения.
В результате численных исследований, при сравнении различных видов геометрий (круг, трилистник, четырехлистник, пятилистник), также было выявлено преимущество труб, представляющих в сечении трилистник (фиг. 3-5).
Достоинствами данной полезной модели являются снижение перепада давления и, следовательно, снижение затрат мощности на прокачку воздуха и прирост энергетической эффективности.
Таким образом, можно сделать вывод, что использование в теплообменниках пучка труб, представляющих трилистник в сечении, может быть предпочтительным в сравнении с использованием труб других геометрий.