ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
TUBULAR HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов и устройств транспортного, промышленного и энергетического назначений, основу которых составляют поперечно обтекаемые трубчатые поверхности.
Известен теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок гладких цилиндрических труб одинакового диаметра с прямоугольной или треугольной разбивкой и коллекторы с трубными досками [1, с.7-8, рис.1.1а; с.25-26, табл.1.5].
Недостатком такого теплообменника является пониженная эффективность теплоотдачи наружной поверхности труб и повышенная металлоемкость. Отмеченная невысокая интенсивность теплоотдачи обусловлена тем, что для указанных компоновок труб одинакового диаметра характерно наличие малоактивных рециркуляционных зон между лобовой и кормовой частями наружной поверхности труб с неэффективной отрывной структурой потока и недостаточным уровнем его турбулентности. В наибольшей мере указанные недостатки проявляются в системах с коридорным (линейным) расположением труб.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является трубчатый теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб с конической поверхностью, обусловленной разными концевыми диаметрами трубы, и коллекторы с трубными досками [2]. Недостатком этого теплообменника является сравнительно невысокая эффективность теплоотдачи трубчатой поверхности и повышенная металлоемкость. Отмеченное снижение интенсивности теплоотдачи поверхности при линейном (коридорном) расположении конусоидальных труб в основном обусловлено негативным экранирующим эффектом участков труб с большим (переменным вдоль оси) радиусом образующей конической поверхности, при котором расположенные в их аэродинамическом следе участки трубчатой поверхности с меньшим радиусом образующей находятся в зоне "затенения", что особенно заметно проявляется при плотной компоновке конусоидальных труб и относительно небольших массовых скоростях теплоносителя, ограничивающих активность взаимодействия потока с поверхностью в рециркуляционных зонах межтрубного пространства.
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
cp
1
2
1
2
2
1
Указанные задачи решаются в трубчатом теплообменнике, содержащем поперечно обтекаемый пучок профильных труб в виде двух сопряженных, противоположно развернутых относительно друг друга, одинаковых конусоидальных труб с разными наружными концевыми диаметрами, большим d и меньшим d, с линейной (коридорной) или треугольной (шахматной) компоновкой, и коллекторы с трубными досками, отличающийся тем, что используемые компоновки труб сдвоенного разнонаправленного конического профиля обеспечивают обтекание последовательно расположенных по потоку круговых (предельно цилиндрических) элементов теплоотдающей трубчатой поверхности с разной, непрерывно изменяющейся по длине трубы в лобовой и кормовой ее частях, величиной диаметров, от d и d (d>d) на одном конце трубы, до d и d (d<d) на другом, и одинаковой для обеих сопряженных частей трубы величиной d=0,5(d+d) на ее середине; при этом трубчатые элементы поверхности разных диаметров соответственно чередуются в продольных и поперечных рядах пучка на каждой его половине при линейной (коридорной) компоновке, при треугольной (шахматной) компоновке трубы в пучке расположены навстречу потоку лобовой частью конической поверхности с изменяющейся по ее длине величиной диаметра от d (или d) до d (или d), и в каждом компоновочном варианте трубчатой поверхности в межтрубном пространстве реализуется конфузорно-диффузорное и извилистое течение потока.
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технико-экономические результаты.
1. Повышение эффективности теплоотдачи поверхности за счет дополнительной турбулизации потока при поперечном обтекании пучков труб сдвоенного конического профиля, обусловленной положительным влиянием на поток участков труб с меньшим радиусом образующей конической поверхности, формирующих рациональные условия отрывного обтекания последующих кормовых или предшествующих лобовых участков труб с большим радиусом образующей конической поверхности.
2. Уменьшение шага разбивки трубных досок при использовании труб сдвоенного конического профиля и соответствующее повышение компактности поверхности теплообмена и снижение металлоемкости.
На фиг.1 изображена схема трубчатого теплообменника, продольный разрез; на фиг.2 - элемент поверхности трубного пучка с трубными досками; на фиг.3 - аксонометрическое изображение элемента трубчатой поверхности с линейной (коридорной) компоновкой труб; на фиг.4 - схема разбивки труб в трубных досках при линейной (коридорной) компоновке, сечение А-А в верхней части, Б-Б - в средней и В-В - в нижней части пучка на фиг.2; на фиг.5 - схема соответствующей разбивки труб в трубных досках при треугольной (шахматной) компоновке.
При работе трубчатого теплообменника, содержащего пучок профильных труб 1 и коллекторы 2 с трубными досками 3 (фиг.1), тепло от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается к холодному теплоносителю, поперечно омывающему наружную поверхность труб. Эффективность процесса теплопередачи в пучке определяется в значительной мере интенсивностью теплоотдачи между наружной поверхностью и омывающим ее теплоносителем.
При линейной (коридорной) схеме расположения профильных труб (фиг.4) их участки с меньшим радиусом образующей конической теплоотдающей поверхности одновременно выполняют роль дополнительного турбулизатора потока и интенсифицируют теплоотдачу последующей кормовой или предшествующей лобовой частей труб с большим радиусом образующей конической поверхности на соответствующей половине каждой из труб пучка. Одновременно конические участки каждой трубы с меньшим радиусом образующей, находящейся в аэродинамическом следе участков труб с большим радиусом образующей, в достаточной мере омываются с обеих сторон потоком, направленное действие вектора которого формируется в более узких проходных сечениях между участками конусоидальных труб с большим радиусом образующей и способствует при этом также определенному повышению интенсивности теплоотдачи поверхности участков труб с меньшим радиусом образующей и большей кривизной трубчатой поверхности. В этих условиях течение теплоносителя в межтрубных зазорах принимает извилистую зигзагообразную форму, различную по взаимной направленности в каждой половине пучка труб и в общем характерную для щелевых профилированных каналов, что значительно активизирует механизм взаимодействия потока с поверхностью теплообмена.
При треугольной (шахматной) схеме расположения профильных труб с указанной конфигурацией (фиг.5) на каждой отдельной трубе в потоке также реализуется дополнительный турбулизирующий эффект лобовой (на одной половине пучка) или кормовой (на другой половине пучка) части с меньшим радиусом образующей конической поверхности, определяющей в условиях отрыва потока повышение интенсивности теплоотдачи кормовой или лобовой части труб с большим радиусом образующей конической поверхности.
В представленных схемах расположения труб двойного конического профиля реализуются особенности конфузорно-диффузорного течения потока, обеспечивающие рациональные условия отрывного поперечного обтекания и дополнительной турбулизации потока и, в целом, повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности с наружной стороны.
Источники информации
1. Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам. / П.И.Бажан, Г.Е.Каневец, В.М.Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.
2. Пат. RU 2170898 С1. Трубчатый теплообменник. / В.Т.Буглаев, А.К.Анисин, А.А.Анисин. // БИ. - 2001. - №20.