Кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками

Заявляемая полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к теплообменникам, и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства.
Известен гофрированный теплообменник (Патент CN 201429348, опубликовано 24.03.2010), состоящий из пучка гофрированных труб, скрепленных дугами. Поверхность труб гофрирована для образования турбулентности жидкости, при этом возрастает теплопередача, по сравнению с традиционно применяемыми гладкостенными трубками.
Недостатком известного решения является низкая эффективность процесса теплообмена.
Наиболее близким к заявляемому решению является теплообменник с гофрированной трубой (патент CN 102445101, опубликовано 09.05.2012), состоящий из гофрированной трубы, заключенной в трубе теплообменника. Внутренняя гофрированная труба представляет собой изделие с наружной гофрированной поверхностью и внутренней поверхностью, образованной выступами. Соотношение размеров гофрированной трубы: высота выступов гофрирования Hc к наружному диаметру трубы ОД: 0,04≤Hc/ОД. Высота внутренних выступов Hf к внутреннему диаметру . Шаг гофрирования Pc: 1.1≤Pc/ID.
К основному недостатку известного технического решения также можно отнести низкую эффективность процесса теплообмена.
Целью заявляемой полезной модели является устранение указанного недостатка для достижения такого технического результата, как повышение эффективность процесса теплообмена.
Поставленная цель достигается следующим образом: кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками, состоящий из внешнего кожуха в виде металлической трубы и вставленного в него пучка гофрированных теплообменных трубок, при этом конфигурация гофрированной теплообменной трубки определяется следующими размерами: толщина трубки составляет 0,3±0,1 мм, внешний диаметр составляет 8,0±0,5 мм, внутренний диаметр составляет 6,6±0,5 мм, шаг гофрирования составляет 3,7±0,5 мм.
Кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками, в частности, может характеризоваться тем, что гофрирование теплообменной трубки имеет спиралевидную форму с витками, сформированными вдоль ее продольной оси.
Кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками, в частности, может характеризоваться тем, что угол наклона линии, соединяющей противоположные точки, лежащие на внутренних гранях выступов гофрирования, к продольной оси гофрированной теплообменной трубки составляет 75±10 градусов.
Кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками, в частности, может характеризоваться тем, что материал гофрированной теплообменной трубки - нержавеющая сталь.
Кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками, в частности, может характеризоваться тем, что пучок гофрированных теплообменных трубок установлен в кожух с зазором от 0,05 мм до 2,0 мм.
На Фиг. 1 изображен продольный разрез теплообменной трубки, на Фиг. 2 схематично представлен процесс формирования турбулентных потоков внутри теплообменной трубки, где цифрами обозначены:
1. Оболочка теплообменной трубки.
2. Толщина материала теплообменной трубки.
3. Шаг гофрирования теплообменной трубки.
4. Внешний диаметр теплообменной трубки.
5. Внутренний диаметр теплообменной трубки.
6. Высота внутренних граней выступов гофрирования.
7. Угол наклона линии, соединяющей внутренние грани выступов гофрирования, к продольной оси гофрированной теплообменной трубки.
8. Продольная ось теплообменной трубки.
9. Турбулентные вихри подкрашенной жидкости.
10. Направление движения потока рабочей жидкости.
Представленный на фигурах кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками устроен следующим образом.
В кожух устанавливается пучок теплообменных труб (на фигурах не показывается в силу стандартности данной конструкции), где каждая теплообменная трубка состоит из оболочки 1 с толщиной материала 2, составляющей 0,3±0,1 мм. Шаг гофрирования 3 составляет 3,7±0,5 мм. Внешний диаметр теплообменной трубки 4 составляет 8,0±0,5 мм. Внутренний диаметр теплообменной трубки 5 ограничен внутренними гранями выступов гофрирования и составляет 6,6±0,5 мм. Высота внутренних граней выступов гофрирования 6 определяется разницей между внешним и внутренним диаметрами. Угол наклона линии, соединяющей внутренние грани выступов гофрирования, к продольной оси гофрированной теплообменной трубки 7 составляет 75±10 градусов.
В заявляемой полезной модели теплообменные трубки применены особо тонкостенными (оптимально 0,3 мм) для обеспечения лучшего процесса теплообмена, кроме того, их размеры и конструкция позволяют собирать весьма плотный пучок теплообменных трубок и свободно устанавливать его в кожух заявляемого теплообменного аппарата.
Представленный на фигурах кожухотрубный теплообменный аппарат с гофрированными теплообменными трубками действует следующим образом.
Эффективность теплообменника, как известно, определяется интенсивностью теплообмена, в частности временем, за которое температуры рабочих сред должна сравниваться. В свою очередь интенсивность теплообмена в том числе зависит от разности температур внешней и рабочей сред в близи оболочки теплообменной трубки. Очевидно, что, например, при интенсивном отборе тепла из приповерхностных слоев рабочей среды (вблизи оболочки теплообменной трубки), происходит их остывание, тогда возникает существенная разница температур по сравнению с глубинными слоями (близкими к продольной оси теплообменной трубки). Вследствие низкой теплопроводности многих текучих сред (например, воды) обмен тепловыми потоками между разными слоями рабочей среды затруднен, возникает необходимость автоматического перемешивания этих слоев. Такое перемешивание в заявляемой конструкции обеспечивается проявлением эффекта нарушения ламинарного потока рабочей жидкости с формированием на внутренних выступах гофрирования теплообменной трубки турбулентных вихрей.
Оптимальные размеры, которые представлены в формуле, были найдены эмпирическим путем, экспериментально на нескольких моделях. В частности, использовалась прозрачная трубка (например, из прозрачного пластика), по которой подавалась рабочая жидкость (вода), а потом в нее вводились струйки подкрашенной жидкости (например, мелкозернистой акварели или марганцево-кислого калия и т.п.), которые демонстрировали возникновение турбулентных вихрей 9, формирующихся на внутренних выступах гофрирования.
Другим вариантом экспериментального подтверждения оптимальных размеров гофрированной теплообменной трубки является метод введения в разные слои потока внутри трубки (вблизи оболочки, в средней части и вблизи оси) термопарных измерителей локальной температуры.
В результате многочисленных экспериментов получены данные, что при выбранной толщине теплообменных трубок (0,3 мм) высота внутренних граней выступов гофрирования 6 мм и шага гофрирования 3 мм (оптимально 3,7 мм), турбулентные вихри формируются так, что, устремляясь со всех сторон от оболочки теплообменной трубки 1 к ее продольной оси 8, встречаются вблизи продольной оси, но не пересекаются друг с другом. Тем самым эти турбулентные вихри обеспечивают оптимальное перемешивание, например, нагретой жидкости в центре теплообменной трубки и охлаждаемых слоев у ее оболочки, но при этом не создается избыточной турбулентности потока рабочей среды, препятствующей ее свободному продвижению по теплообменной трубке, в направлении движения потока рабочей жидкости 10.
При изменении искомых параметров формируемые турбулентные вихри либо не доходят до оси теплообменной трубки, не обеспечивая достаточно эффективного перемешивания слоев различной температуры, либо создавая перехлесты этих вихрей, создающие избыточное сопротивление продвижению рабочей среды по теплообменной трубке.
Таким образом, изготовление теплообменного кожухотрубного аппарата с оптимальными размерами теплообменной трубки в соответствии с заявляемой формулой обеспечивает повышение эффективности теплообмена, максимальной при данной конфигурации (толщина материала, диаметр и др.) теплообменной трубки, в результате чего и достигается заявляемый технический результат.
Промышленная применимость
Заявляемый теплообменный аппарат является надежным и несложным в изготовлении устройством, позволяющим обеспечить гарантированный наперед заданный процесс теплообмена, чем обеспечивается широкий спектр его применения.