Кожухотрубный теплообменник
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для утилизации отходящих газов топливоиспользующих энергоустановок, а так же для воздухоподогревателей.
Известен кожухотрубный теплообменник [1], содержащий корпус, выполненный в виде цилиндра, внутри которого расположены теплообменные трубы, коллекторы с трубными досками, патрубки для подвода и отвода теплоносителей.
Известен кожухотрубный теплообменник [2], содержащий корпус, пучок труб, коллекторы с трубными досками, патрубки для подвода и отвода теплоносителей.
Недостатком таких теплообменников является малая эффективность аппарата при передаче тепла от одного теплоносителя к другому.
Наиболее близким по технической сущности является кожухотрубный теплообменник [3], содержащий кожух, размещенный внутри него пучок параллельных труб и установленные в межтрубном пространстве перегородки.
Недостаток данного теплообменника заключается в том, что при движении между перегородками поток теплоносителя движется поперек трубного пучка, но в дальнейшем при обтекании перегородки он пересекает трубный пучок, причем в областях, где изменяется направление движения, поток движется параллельно трубному пучку. Наиболее высокий коэффициент теплопередачи приходится на участки, где поток теплоносителя обтекает перпендикулярно пучок труб. В зонах, где поток теплоносителя движется вдоль труб, интенсивность теплопередачи снижается [4]. Кроме того, вследствие постоянного периодического изменения направления движения потока, возрастает гидравлическое сопротивление теплообменника [5], что приводит к повышенным затратам энергии на прокачку теплоносителя. При этом теплоэнергетическая эффективность теплообменника снижается [6].
Задача изобретения – повышение теплоэнергетической эффективности работы кожухотрубного теплообменника.
Поставленная цель достигается тем, что внутри корпуса кожухотрубного теплообменника расположена одна перегородка в виде поверхности закрытого прямого геликоида с переменным шагом, через которую пропущен пучок труб, причем трубы, находящиеся в пучке, расположены по концентрическим окружностям, с диаметрами, уменьшающимися в радиальном направлении от периферии к центру, в шахматном  порядке по отношению к направлению движения первого вращающегося теплоносителя. Трубы в трубном пучке имеют конусообразные углубления с наружной стороны, а с внутренней стороны соответствующие им конусообразные выступы, так же расположенные в шахматном порядке по отношению к движущемуся потоку второго теплоносителя внутри труб.
На фиг.1 схематически представлен предлагаемый кожухотрубный теплообменник. Теплообменник содержит цилиндрический вертикальный  корпус 1, выходной 2 и входной  3 патрубки для отвода и подвода первого теплоносителя, а также входной 4 и выходной 5  патрубки для подвода и отвода второго теплоносителя. Внутри корпуса 1 расположены трубные доски 6, в которых закреплены трубы 7, по которым движется второй теплоноситель. Трубы 7 проходят через отверстия в перегородке 8, представляющей поверхность закрытого прямого геликоида (см. фиг. 2) с переменным шагом. Трубы 7 (фиг.1) с постоянным диаметром в трубном пучке расположены по концентрическим окружностям относительно оси корпуса  теплообменника (см. фиг. 3) и в шахматном порядке по отношению к направлению движения первого вращающегося теплоносителя. Трубы в пучке имеют диаметры, уменьшающиеся в радиальном направлении от периферийной части пучка к его центру. На фиг. 4 схематично изображено сечение трубы в трубном пучке.  Труба 7  имеет конусообразные углубления 9, расположенные на внешней поверхности. На внутренней поверхности трубы имеются конусообразные выступы 10 , образованные из-за углублений на внешней поверхности трубы. Эти выступы расположены в шахматном порядке по направлению движения потока второго теплоносителя в трубе.
Теплообменник работает следующим образом. Первый теплоноситель, проходя через входной патрубок 3 (см. фиг.1), поступает в межтрубное пространство, ограниченное корпусом 1, трубами 7, трубными досками 6 и перегородкой 8, и выходит через патрубок 2. Двигаясь по этому каналу, он нагревается  от наружных поверхностей труб 7, в результате чего происходит уменьшение его плотности и увеличение скорости движения. При этом массовый расход теплоносителя остается постоянным. Однако, вследствие того, что сечение канала по мере нагрева теплоносителя (т.е. по мере продвижения потока по каналу) увеличивается, его скорость остается постоянной. При увеличении скорости движения потока гидравлическое сопротивление, а, соответственно, и потери энергии на прокачку теплоносителя возрастают значительно быстрее, чем возрастает коэффициент теплоотдачи [7, 8].  Таким образом, сохранение скорости движения теплоносителя повышает теплоэнергетическую эффективность  теплообменника. При этом площадь поперечного сечения на входе канала, образованного стенками перегородки, должна быть не меньше площади поперечного сечения входного патрубка, а поперечное сечение выходного патрубка не меньше площади поперечного сечения на выходе канала, образованного стенками перегородки. Наибольший коэффициент  теплоотдачи достигается при перпендикулярном движении потока шахматному расположению труб в пучке [4]. Так как теплоноситель движется не имея резких изменений направления, то гидравлические потери и энергетические затраты на прокачку теплоносителя минимальны. Второй теплоноситель поступает через патрубок 4, проходя через коллектор  трубной доски 6, поступает в трубы 7. Далее, поток этого теплоносителя выходит через другой коллектор трубной доски и патрубок 5. При этом, во время движения теплоносителя по трубам, через стенки труб 7 происходит передача тепловой энергии от второго теплоносителя к первому. Конусообразные углубления на наружной поверхности труб срывают пристенный ламинарный слой, увеличивая тем самым процесс теплоотдачи, а внутри труб трубного пучка, соответствующие конусообразные выступы, расположенные в шахматном порядке [8] увеличивают теплоотдачу от теплоносителя, двигающегося внутри трубного пучка к стенкам труб. При нагреве первого теплоносителя, его скорость движения увеличивается из-за его объемного расширения. Вследствие того, что площадь поперечного сечения канала, образованного поверхностью перегородки в виде геликоида и внутренней стенкой корпуса на выходе,  не меньше поперечного сечения выходного патрубка средняя скорость движения теплоносителя на выходе не увеличивается, и гидравлические потери становятся минимальными. Аналогично, поперечное сечение входного патрубка не больше поперечного сечения канала, образованного поверхностью перегородки в виде геликоида и внутренней стенкой корпуса на входе.
Поверхность геликоида, устанавливаемого внутри корпуса теплообменника, изготавливают следующим образом. Тонкий лист металла прямоугольной формы, имеющего ширину, равную внутреннему диаметру кожухотрубного теплообменника,  неподвижно закрепляется в верхней части. Нижняя часть листа крепится в зажиме, который имеет возможность вращения. При вращении нижней части лист металла приобретает форму геликоида. Отверстия в перегородке, предназначенные для труб второго теплоносителя, изготавливаются методом сверления, причем в качестве кондуктора, для точного совпадения отверстий и труб используется трубная доска. Шаг геликоида определяется числом оборотов нижней части листа металла. Конусообразные углубления и выступы на трубах трубного пучка изготавливаются методом кернения, с глубиной деформации превышающей толщину труб.
Список литературы:
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. Патент RU 2489664. Кожухотрубный теплообменник. МПК F28D 7/16.
3. Авт. свид. СССР №1231370 Кожухотрубный теплообменник/ МПК F28D 7/16
4. Теплопередача./ Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. – М.: Энергоиздат, 1981.- 466 с.
5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1992.- 672 с.
6. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи.- М.: Энергоатомиздат,  1986.-240 с.
7. Теплообменные аппараты энергетических установок / М.М. Андреев, С.С. Бергман, В.Т. Буглаев, Х.Н. Костров.- М.: Машгиз, 1963.- 240 с.
8. Горшенин А.С. Методы интенсификации теплообмена.- Самара: Самарскй гос. техн. ун-т., 2009.-82 с.