ИНТЕНСИФИЦИРОВАННЫЙ ТРУБНЫЙ ПУЧОК

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 гладких труб одинакового диаметра с разнообразными схемами движения теплоносителей и различными схемами размещения труб в пучках [П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с., с. 7-8, рис. 1.1а; с. 25-26, табл. 1.5], [А. Фраас, М. Оцисик. Расчет и конструирование теплообменников. Перев. с англ. - М., Энергоатомиздат, 1971. - 358 с., с. 10-12; с. 169-171; с. 207-215, рис. 11.2].
В большинстве случаев трубы в трубных пучках теплообменников размещаются по углам равностороннего треугольника и по углам квадрата в коридорном или в шахматном порядке. Известно, что интенсивность теплоотдачи поверхности пучка труб с коридорным расположением ниже, чем с шахматным из-за характерного для линейного расположения труб одинакового диаметра экранирующего эффекта, снижающего активность процессов переноса в рециркуляционных зонах межтрубного пространства. При шахматном расположении труб в пучке условия взаимодействия потока с поверхностью более благоприятные и теплоотдача поверхности заметно возрастает. Однако при этом возрастают гидравлическое сопротивление и затраты энергии на прокачивание теплоносителя. Создание наиболее выгодных условий поперечного обтекания труб в пучке является важным фактором повышения эффективности теплообмена.
опт
ш
к
опт
Учитывая изложенное, наблюдается возможность повышения уровня турбулизации поперечного потока теплоносителя и интенсификации теплоотдачи трубчатой поверхности при использовании более рациональной схемы размещения труб, при которой взаимное гидродинамическое воздействие смежных труб на поток приводит к улучшению условий отрывного поперечного обтекания и связанной, в частности, с наличием оптимального угла ориентации трубчатой поверхности φ относительно направления потока теплоносителя. В случае квадратной схемы размещения труб постоянного сечения при повороте вертикальной оси треугольника шахматной схемы (φ=0°) на угол φ=45° относительно направления потока реализуется коридорная (линейная) схема расположения труб. При определенных геометрии поверхности и массовых расходах теплоносителя, как было установлено на основании экспериментальных исследований теплоаэродинамических характеристик пучков труб в [В.И. Евенко, А.К. Анисин. Повышение эффективности теплоотдачи поперечно обтекаемых пучков труб // Теплоэнергетика. - 1976. - №7. - с. 37-40], [Метцгер, Фэн, Хейли. Влияние формы и ориентации ребер на характеристики теплоотдачи и потери давления для поверхности теплообмена со стержневыми ребрами // Труды ASME. Энергетические машины и установки. - 1984. - №1. - с. 158-164], и [В.И. Евенко, А.К. Анисин. Исследование локальных тепло-гидравлических характеристик вертикальных пучков труб при изменении ориентации их элементов // Теплоэнергетика. - 1991. - №5. - с. 51-56], наиболее эффективной является промежуточная между шахматной и коридорной схема размещения круглых цилиндрических труб постоянного сечения с оптимальным углом ориентации φ≈30° , определяемым изменением положения осей шахматной схемы размещения труб.
Задачами предлагаемой полезной модели являются повышение эффективности теплоотдачи поверхности пучков цилиндрических труб, снижение металлоемкости и увеличение компактности теплообменников.
опт
Поставленные задачи решаются при использовании в теплообменнике интенсифицированный поперечно обтекаемый пучок труб одинакового диаметра с квадратной схемой размещения осей, отличающийся тем, что 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 φ≈30° , обеспечивающий оптимальную ориентацию поверхности поперечно обтекаемых труб относительно направления течения.
На фиг. 1 изображена схема размещения труб в пучке; на фиг. 2 - геометрия компоновки трубчатой поверхности в условиях изменения угла ее ориентации  относительно направления потока теплоносителя.
ш
κ
опт
ш
κ
При работе теплообменника, содержащего интенсифицированный пучок труб диаметром d, теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно омывающему наружную поверхность трубного пучка. Выполненные экспериментальные исследования теплоаэродинамических характеристик поверхности поперечно обтекаемых пучков латунных труб диаметром d=11 мм с шагом их квадратной разбивки s=16 мм показали возможность повышения теплоэнергетической эффективности трубчатой поверхности в условиях изменения угла φ ее ориентации относительно направления воздушного потока в интервале 0°≤φ≤45° (соответствующем шахматной схеме размещения труб с φ=0° и коридорной с φ=45°). При этом в опытном диапазоне массовых расходов при оптимальной ориентации поверхности с величиной относительного угла  (φ=30°) эффективность ее теплоотдачи наибольшая: в среднем на 10% выше, чем при шахматном с φ=0° и на 23% - чем при коридорном с φ=45° расположении труб в пучках [В.И. Евенко, А.К. Анисин. Повышение эффективности теплоотдачи поперечно обтекаемых пучков труб // Теплоэнергетика. - 1976. - №7, с. 39, рис. 2а; с. 40, рис. 5, кривая 1]. Таким образом, оптимальная ориентация поверхности пучка труб одинакового диаметра относительно вектора течения потока позволяет обеспечить благоприятные условия поперечного обтекания и взаимодействия потока теплоносителя отрывного характера с трубчатой поверхностью, способствующие дополнительной турбулизации течения и интенсификации теплообмена в пучке труб с внешней стороны.