Трубчатый 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 теплообменники, содержащие поперечно обтекаемые пучки цилиндрических труб одинакового диаметра с прямоугольной (коридорной) или треугольной (шахматной) 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. 1.1а; с. 25-26, табл. 1.5].
Недостатком указанных теплообменников является низкая эффективность теплоотдачи наружной поверхности пучка труб одинакового диаметра, обусловленная малоактивным механизмом процессов переноса в рециркуляционных зонах межтрубного пространства. Создание наиболее благоприятных условий поперечного обтекания труб в пучке, обеспечивающих рациональный отрывный характер потока, является важным фактором повышения эффективности теплообмена. Одним из таких подходов, направленным на интенсификацию теплообмена, является применение в пучках профильных труб с оптимальной формой поперечного сечения и схемами компоновки.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб конусоидальной формы, обусловленной разной величиной концевых диаметров [патент на изобретение РФ №2170898]. При этом трубы в пучке с одинаковыми концевыми диаметрами расположены в противоположных вершинах прямоугольника коридорной или вершинах при основании треугольника шахматной разбивки осей трубных досок. Наряду с достаточно высокой теплоэнергетической эффективностью наружной трубчатой поверхности, экспериментально установленной в работе [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. 56-61], определенным недостатком такого теплообменника с коридорным пучком относительно длинных конусных труб может быть уменьшение интенсивности теплоотдачи по наружной и внутренней сторонам из-за небольшой величины угла раскрытия конической поверхности и ослабления эффекта дополнительной турбулизации при снижении активности отрывных явлений в потоке внутри труб и в рециркуляционных зонах межтрубного пространства.
Вместе с тем в работе [Суза Мендес, Спэрроу. Турбулентный теплообмен и его интенсификация, потери давления и картины течения жидкости в трубах с периодическим сужением и расширением проходного сечения // Теплопередача. - 1984, т. 106, №1. - С. 57-67,] установлена возможность интенсификации теплообмена при течении воздуха в трубе с попеременно расширяющимися и сужающимися одинаковыми коническими участками-модулями с углом конусности ϕ≈6-10° на 30-60% по сравнению с гладкой прямой трубой.
Поэтому наблюдается возможность применения в теплообменных аппаратах и устройствах пучков труб переменного сечения в виде коротких чередующихся по оси участков конической поверхности с рациональными углами раскрытия конуса и схемами размещения с целью одновременной интенсификации теплоотдачи как в условиях поперечного обтекания потоком теплоносителя наружной трубчатой поверхности, так и поверхности внутри труб.
Известно, что интенсивность теплоотдачи поверхности шахматных пучков труб постоянного сечения, как и величина гидравлического сопротивления выше, чем в коридорных пучках с сопоставимой геометрией [Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках / М.: Наука, 1982. - 472 с.]. Однако, как отмечено в [Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования / Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 264 с.], прирост теплообмена энергетически более весом, чем прирост сопротивления, и даже небольшое повышение интенсивности теплоотдачи может возместить увеличение потери энергии на преодоление сопротивления и обеспечить рост теплоэнергетической эффективности трубчатой поверхности. Поэтому во многих практически обоснованных случаях более приоритетным является использование шахматной схемы размещения труб в пучке.
Задачей предлагаемой полезной модели являются повышение теплоэнергетической эффективности, снижение металлоемкости и увеличение компактности трубчатой поверхности теплообменных аппаратов и устройств.
Указанная задача решается при использовании трубчатого теплообменника, содержащего поперечно обтекаемый пучок профильных труб переменного сечения и коллекторы с трубными досками, отличающийся тем, что каждая труба имеет периодическую конфигурацию в виде последовательно чередующихся вдоль оси плавно сочлененных круглых конических расширяющихся участков поверхности длиной, обусловленной величиной диаметра большего основания конуса, равного диаметру непрофилированного цилиндрического прямого концевого участка трубы, оптимальным углом раскрытия конуса и величиной диаметра его меньшего основания, и при шахматной схеме размещения трубы в смежных рядах пучка имеют противоположную периодичность чередования конических участков.
При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи путем дополнительной турбулизации потока теплоносителя при поперечном обтекании периодически чередующихся конических наружных участков трубчатой поверхности и одновременной интенсификации теплообмена по внутренней стороне труб с оптимальным профилем поверхности канала.
2. Снижение металлоемкости и увеличение компактности поверхности теплообмена.
s
s
А-А
Б-Б
В-В
1ш
2
ш
На фиг. 1 изображена схема трубчатого теплообменника, продольный разрез; на фиг. 2 показана геометрия трубы переменного сечения с коническими участками поверхности; на фиг. 3 изображен элемент поверхности пучка профильных труб с шахматной разбивкой трубных досок; на фиг. 4 - аксонометрическое изображение элемента трубчатой поверхности; на фиг. 5 - схема расположения труб с шагами  и  в шахматном пучке, сечение  на фиг. 3; на фиг. 6 - схема расположения труб в пучке, сечение  на фиг. 3; на фиг. 7 - схема расположения труб в пучке, сечение  на фиг. 3.
d
d
d
s
s
1
2
1
1ш
2
ш
Профильные трубы 1 переменного сечения (фиг. 2) состоят из последовательности конфузорно-диффузорных участков-циклов. Длина расширяющегося конического участка определяется максимальным  и минимальным диаметрами и углом  одностороннего раскрытия конуса. При этом длина соответствующего участка плавного сопряжения расширяющихся участков имеет вид синусоиды, что обеспечивает рациональный отрывный характер внутреннего потока с образованием нестационарных микроотрывов, интенсифицирующих теплообмен и не вызывающих большого повышения гидравлического сопротивления. Профильные трубы в пучке с концевыми прямыми участками диаметром , одинаковым с диаметром большего основания конуса, могут быть расположены по вершинам треугольника разбивки осей в трубных досках 3, образуя шахматную с шагами  и  компоновку труб.
При работе трубчатого теплообменника, содержащего поперечно обтекаемый пучок профильных труб 1 и коллекторы 2 с трубными досками 3, теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно обтекающему наружную трубчатую поверхность. Эффективность процесса теплопередачи в пучке определяется в значительной мере интенсивностью теплообмена между наружной поверхностью труб и омывающим ее теплоносителем. Как видно на фиг. 3-7, наклонные межтрубные зазоры, определяющие диагональные проходные сечения, формируют в пространстве между коническими участками различное по направлению, зигзагообразное течение потока. При этом поперечные проходные сечения обеспечивают полноту обтекания потоком лобовой части поверхности последовательно чередующихся по глубине пучка конических участков профильных труб.
Таким образом, в благоприятных условиях поперечного обтекания и взаимодействия потока теплоносителя отрывного характера с профильной конической поверхностью, способствующих дополнительной турбулизации течения, ожидается увеличение интенсивности теплоотдачи наружной поверхности пучка труб. Вместе с тем по внутренней стороне в трубах с профилированными каналами обеспечивается также повышение теплообмена по сравнению с гладкой прямой трубой.