ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
TUBULAR HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов и устройств транспортного, промышленного и энергетического назначения, 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.
1
2
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является трубчатый теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок профильных труб в виде двух сопряженных цилиндрических труб разных диаметров d>d с линейной и треугольной разбивкой, и коллекторы с трубными досками [2].
1
2
Недостатком этого теплообменника является существенное снижение эффекта дополнительной турбулизации потока при изменении его направления на противоположное, когда трубы с указанной конфигурацией в пучке с треугольной разбивкой располагаются по отношению к потоку лобовой частью поверхности с большим диаметром d, а кормовые части труб меньшего диаметра d оказываются в аэродинамической "тени" (кожухотрубные теплообменники с внутренними перегородками, котельные трубные пучки и др.).
Задачами изобретения являются повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение металлоемкости и уменьшение объема теплообменника.
1
2
1
2
2
1
Поставленные задачи решаются в трубчатом теплообменнике, содержащем поперечно обтекаемый пучок профильных труб в виде трех диаметрально связанных круглых цилиндров, центрального, с большим диаметром d, и сопряженных с ним в лобовой и кормовой частях двух других одинаковых цилиндров с меньшим диаметром d, с треугольной компоновкой, и коллекторы с трубными досками, отличающимся тем, что используемая компоновка труб разновеликого цилиндрического профиля обеспечивает обтекание потоком теплоносителя последовательно расположенных по течению цилиндрических частей (элементов) теплоотдающей трубчатой поверхности большего диаметра d и находящихся между ними спаренных цилиндрических частей меньшего диаметра d, при этом смежные кормовые и лобовые части меньшего диаметра d каждой из труб продольного ряда расположены симметрично относительно оси поперечного ряда труб, проходящей через центры частей большего диаметра d, а в межтрубном пространстве пучка реализуется сложное извилистое течение потока.
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технико-экономические результаты:
1. Повышение эффективности теплоотдачи поверхности путем дополнительной турбулизации потока при поперечном обтекании пучков труб трехцилиндрического симметричного профиля, обусловленной положительным влиянием на поток частей труб с меньшим диаметром, формирующих рациональные условия отрывного обтекания частей труб с большим диаметром.
2. Повышение компактности поверхности и снижение металлоемкости теплообменника при использовании профильных разноцилиндрических труб.
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 треугольной (шахматной) компоновкой труб; на фиг.4 - схема разбивки труб в трубных досках при треугольной компоновке, сечение A-A на фиг.2; на фиг.5 - вариант разбивки труб в трубных досках при треугольной 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 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.
2
1
2
1
При треугольной схеме расположения профильных труб (фиг.1-5) их лобовые цилиндрические части с меньшим диаметром d одновременно выполняют роль дополнительного турбулизатора потока и интенсифицируют теплоотдачу поверхности последующей центральной части труб с большим диаметром d. При этом спаренные кормовые и лобовые цилиндрические части труб меньшего диаметра d достаточно полно обтекаются потоком теплоносителя, направленное действие вектора которого формируется в проходных сечениях между частями труб с большим диаметром d. В этих условиях течение в межтрубных зазорах принимает сложную извилистую форму, значительно активизируя отрывный механизм взаимодействия потока с поверхностью теплообмена при дополнительной его турбулизации.
В представленной схеме расположения труб трехцилиндрического профиля реализуется возможность прямого и обратного рационального отрывного поперечного обтекания и 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 2350873 C2. Трубчатый теплообменник / А.А.Анисин // БИ. - 2009. - №9.