ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменной аппаратуре и может быть использована в холодильной технике, в химической промышленности и в теплоэнергетике, в частности, в водогрейных котлах.
Известен трубчатый теплообменник, установленный в водогрейном котле (патент RU №2059937, F24H 1/00). Теплообменник содержит теплообменные трубы, последовательно соединенные между собой круглыми патрубками, расположенными тангенциально к осям труб. Благодаря вращательному движению жидкости в трубе возникают центробежные массовые силы, которые оттесняют поток жидкости к стенке трубы. Обеспечивается лучший контакт воды с металлом внутренней поверхности трубы и увеличивается коэффициент теплоотдачи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является трубчатый теплообменник, установленный в водогрейном котле по патенту RU №2150047, F24H 1/00. Теплообменник содержит теплообменные трубы, последовательно соединенные между собой щелевидными патрубками, расположенными тангенциально к осям труб. Щелевидная форма патрубков позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление, поэтому водный поток омывает внутреннюю поверхность теплообменных труб с большей скоростью и закручивается на большей длине труб после выхода из патрубка.
При неизменном расходе теплоносителя использование в теплообменнике щелевидных патрубков по сравнению с использованием круглых патрубков увеличивает коэффициент теплоотдачи от стенок патрубков и труб к теплоносителю.
Для значительного повышения коэффициента теплоотдачи необходимо значительное увеличение расхода теплоносителя (критерий Нуссельта значительно увеличивается в закрученном потоке по сравнению с обычным потоком только при Re≥3000). Поэтому увеличение теплового потока между теплоносителем и стенками теплообменных труб без увеличения расхода теплоносителя остается актуальной задачей для теплообменников со спиралевидным течением теплоносителя в трубах.
Целью полезной модели является увеличение теплового потока от стенок теплообменных труб к теплоносителю при неизменном расходе теплоносителя в трубчатом теплообменнике с тангенциальными патрубками.
Для достижения цели в трубчатом теплообменнике, содержащем теплообменные трубы, последовательно соединенные между собой патрубками, расположенными тангенциально осям труб, входы и выходы патрубков расположены с противоположных сторон от плоскости, проходящей через оси соседних труб.
Преимущественно, патрубки выполнены с поперечным сечением щелевидной формы.
Благодаря тому, что входы и выходы тангенциальных патрубков, соединяющих соседние трубы, расположены с противоположных сторон от плоскости, проходящей через оси соседних труб, вращающийся поток теплоносителя изменяет направление вращения в каждой последующей трубе. При этом наиболее холодные слои теплоносителя, близкие к центру потока, перемещаются к стенкам трубы, следующей за патрубком. Разность температур между стенкой трубы и пограничным слоем теплоносителя увеличивается, что приводит к увеличению теплового потока при неизменном расходе теплоносителя.
Выполнение патрубков щелевидного поперечного сечения по сравнению с выполнением патрубков круглого поперечного сечения дополнительно увеличивает тепловой поток при неизменном расходе теплоносителя за счет увеличения скорости теплоносителя вблизи стенки трубы.
На фиг.1 представлен поперечный разрез теплообменных труб, соединенных тангенциальным патрубком согласно изобретению. На фиг.2 представлен теплообменник в аксонометрической проекции.
Теплообменник содержит теплообменные трубы 1, 2, последовательно соединенные тангенциальными патрубками 3 (фиг.1, 2). Входы 4 и выходы 5 патрубков 3 расположены с противоположных сторон от плоскости А, проходящей через оси соседних труб.
Поток теплоносителя под напором перемещается по спиральной траектории в теплообменных трубах 1,2. От стенок труб, которые подвергаются с наружной стороны тепловому воздействию в теплообменном аппарате, поток теплоносителя или нагревается (в теплоэнергетической установке) или охлаждается (в холодильной установке). Поток теплоносителя меняет направление вращения на входе в трубу 2, расположенную после тангенциального патрубка 3, вход 4 и выход 5 которого расположены с противоположных сторон от плоскости А, проходящей через оси соседних труб 1, 2 (фиг.1). При этом более холодные слои потока теплоносителя из трубы 1, расположенной перед патрубком, перетекают к стенке трубы 2, следующей за патрубком, а более нагретые пограничные слои потока теплоносителя в трубе 1, расположенной перед патрубком, перетекают к центральной части трубы 2, следующей за патрубком. Разность температур между поверхностью стенки и омывающим ее теплоносителем в трубе 2, следующей за патрубком, становится больше, чем в конце трубы 1, расположенной перед патрубком. Благодаря увеличению температурного градиента в каждой следующей после перепускного патрубка теплообменной трубе возрастает тепловой поток от стенок труб к теплоносителю. Расход теплоносителя при этом остается неизменным. Аналогична работа теплообменника в холодильной технике для охлаждения внешним источником холода текущей по трубам среды.
Варианты расположения теплообменник труб могут быть различны при соблюдении условия расположения осей соседних труб в одной плоскости. На фиг.2 показан теплообменник, теплообменные трубы которого расположены горизонтальными и вертикальными рядами. Патрубки, соединяющие соседние трубы в горизонтальном ряду, пересекают плоскость А, в которой расположены оси труб в горизонтальном ряду. Патрубки, соединяющие соседние трубы в вертикальном ряду, пересекают плоскость Б, в которой расположены оси труб в вертикальном ряду.