КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменному оборудованию, и может использоваться в энергетической, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен кожухотрубный теплообменник (SU №840662, кл. F28D 7/00, F28F 1/06, опубл. 1981), содержащий пучок винтообразно закрученных труб овального профиля, закрепленных прямыми круглыми концами в трубных досках, причем трубы в каждом поперечном ряду пучка установлены с зазорами, образующими по длине пучка щелевые каналы с максимальной шириной, равной половине разности между максимальным и минимальным размерами овала, и имеют касание только с трубами соседних рядов.
Известен теплообменник (SU №1239501, кл. F28D 7/00, опубл. 1986), содержащий кожух и размещенный внутри него пучок теплообменных труб с переменным продольным профилем, повторяющимся с заданным шагом по длине трубы. Шаг продольного профиля труб выполнен уменьшающимся в направлении движения холодного теплоносителя трубного пространства в пределах 40-0,25d, где d - наибольший внутренний диаметр трубы.
Основным недостатком указанных теплообменных аппаратов является недостаточно высокая эффективность теплоотдачи наружной поверхности труб.
Наиболее близким к заявленному изобретению является кожухотрубный теплообменник (SU №1763842, кл. F28D 7/16, F28F 1/06, опубл. 1992), содержащий шахматный пучок теплообменных труб с периодически повторяющимся по длине диффузорно-конфузорным профилем, имеющих угол раскрытия диффузора и конфузора 6-10°, степень сужения сечения 0,6-0,8, образующих в межтрубном пространстве продольные криволинейные периодически расширяющиеся и сужающиеся каналы, при этом теплообменные трубы в пучке размещены со смещением между собой на половину периода профиля диффузор-конфузор, а относительный поперечный шаг труб составляет 1,10-1,16 максимального диаметра трубы.
Недостаток известного кожухотрубного теплообменника с теплообменными трубами диффузорно-конфузорного профиля заключается в том, что профиль труб в продольном сечении очерчен пологими синусоидальными линиями. При обтекании труб в каждом сечении попарно образуются области относительного давления и разрежения, однако геометрия диффузорно-конфузорных участков не обеспечивает условий оптимального поперечного обтекания наружной трубчатой поверхности, что ухудшает гидродинамическую обстановку и уменьшает возможный уровень турбулентности потока теплоносителя, генерируемый трубчатыми элементами поверхности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности теплоотдачи и достижение оптимальной интенсификации теплообмена.
Поставленная задача решена тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем шахматный пучок теплообменных труб с переменным продольным профилем, повторяющимся с заданным шагом по длине труб, размещенных со смещением между смежными трубами, согласно изобретению продольный профиль труб содержит прямые участки и выступы, а трубы в пучке размещены с чередованием поперечных сечений F1 и F2 межтрубного пространства, причем 0,4<F1/F2<0,6, где F1 - площадь сечения, образованного выступами смежных труб, F2 - площадь сечения, образованного прямыми участками смежных труб, и чередованием длин каналов L1 и L2 межтрубного пространства, причем 0,2<L1/L2<0,4, где L1 - длина канала между ближайшими вершинами выступов смежных труб, L2 - длина канала между вершинами выступов трубы.
Сущность изобретения поясняется подробнее чертежами и описанием к ним.
На фиг.1 схематично изображен теплообменник, общий вид; на фиг.2 - элементарная ячейка межтрубного пространства с минимальным сечением F1, образованным выступами смежных труб, и максимальным сечением F2, образованным прямыми участками смежных труб; на фиг.3 - смежные трубы теплообменника с переменным продольным профилем.
Теплообменник содержит кожух 1, в котором установлен шахматный пучок теплообменных труб с переменным продольным профилем 2, закрепленных прямыми концами 3 в трубных досках 4. Трубы имеют прямые участки и выступы высотой h и расположены со смещением выступов в смежных трубах таким образом, что соотношение площадей минимального F1 и максимального F2 сечений каналов межтрубного пространства (фиг.2) находится в пределах 0,4<F1/F2<0,6, а длины каналов между ближайшими вершинами выступов смежных труб L1 и вершинами соседних выступов трубы L2 (фиг.3) ограничены пределами 0,2<L1/L2<0,4. Кожух снабжен патрубками 5 для подвода и отвода среды межтрубного пространства и днищами 6 с патрубками 7 для подвода и отвода среды трубного пространства.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.
Поток первичного теплоносителя поступает через входной патрубок 5 на участок труб с прямыми концами 3 пучка теплообменных труб, распределяется по межтрубному пространству и проходит через ряд теплообменных труб с переменным продольным гофрированным профилем 2, поступает в участок труб с прямыми концами, расположенный на противоположном конце теплообменника, и по патрубку 5 выходит из теплообменника. Вторичный теплоноситель поступает через патрубок 7 в днище 6, проходит внутри теплообменных трубок сначала по участку с прямыми концами 3, затем по участку трубного пространства с переменным продольным гофрированным профилем 2, затем по противоположному участку труб с прямыми концами, и через днище и патрубок, расположенные на противоположном конце теплообменника, выходит из него.
При течении теплоносителя в трубном пространстве происходит сужение и расширение потока при прохождении им прямых и расширяющихся (за счет наружных выступов) участков, при этом возникают зоны завихрений, и течение приобретает рециркуляционный характер. Поток трубного теплоносителя интенсивно турбулизуется, возрастают скорости процессов переноса, увеличиваются тепловые потоки на теплопередающую стенку, что приводит к росту теплоотдачи, уменьшению термического сопротивления теплопередачи, в результате чего теплообмен интенсифицируется. При протекании теплоносителя в межтрубном пространстве с чередующимися по площади участками минимального F1 и максимального F2 поперечных сечений каналов межтрубного пространства, образованными прямыми и выступающими участками труб, происходит турбулизация потока (фиг.3) и разрушение пристенного пограничного слоя. Наибольшая интенсификация потока достигается при соотношениях площадей минимального и максимального сечений каналов межтрубного пространства в пределах 0,4<F1/F2<0,6 и длин каналов между ближайшими смежными вершинами соседних труб L1 и вершинами выступов труб L2 в пределах 0,2<L1/L2<0,4. При F1/F2>0,6 и L1/L2>0,4 генерация вихревых структур происходит незначительная, и существенного роста теплоотдачи не наблюдается. При F1/F2<0,4 и L1/L2<0,2 резко возрастает гидравлическое сопротивление.
Таким образом, предложенный кожухотрубный теплообменник с использованием пучка теплообменных труб с переменным продольным профилем, размещенных со смещением между соседними трубами с предлагаемыми относительными параметрами, обеспечивает оптимальное перераспределение переноса тепловой энергии с интенсификацией процесса теплообмена. Теплотехническая эффективность работы кожухотрубного теплообменника повышается на 20-35%. Достигнутые результаты позволяют рекомендовать заявленное изобретение для широкого внедрения в различных областях для осуществления эффективного теплообмена.