Теплообменный аппарат
HEAT EXCHANGE UNIT

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменным аппаратам с трубами с развитой поверхностью теплообмена, и может быть использовано в аппаратах воздушного охлаждения, теплообменниках, холодильниках, рекуператорах, печах, которые применяются в различных отраслях промышленности.
Известны теплообменные аппараты, содержащие корпус, входной и выходной коллекторы и пучок теплообменных прямых труб (А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Альянс,  2008, с. 326-333).
Основными недостатками указанных конструкций является недостаточно интенсивный теплообмен в связи с низким коэффициентом теплопередачи из-за слабой турбулизации потоков, проходящих как внутри труб, так и в межтрубном пространстве, высокая материалоемкость и значительные габариты.
Известны теплообменные аппараты, содержащие корпус, входной и выходной коллекторы и пучок теплообменных труб в виде пространственно-спиральных змеевиков, установленных в зазорах между витками друг друга (Патенты РФ №2152574, МПК F28D 7/02 от 16.09.1999 и №2238500, МПК F28D 7/02 от 27.12.2002).
2
Основными недостатками указанных конструкций является сложность изготовления змеевиков, формирование трубных пучков в межтрубном пространстве теплообменного аппарата, теплообмен между средами недостаточно интенсивный, особенно в межтрубном пространстве, низкий коэффициент теплопередачи на уровне 150 ккал/ч⋅м («Теплообменное оборудование ООО «АНОД-ТЦ»»).
Известны теплообменные аппараты, содержащие корпус, входной и выходной коллекторы и змеевиковые элементы из труб, установленных в зазорах между витками змеевиковых элементов (Патент РФ №2451875, МПК F22B 37/00, F28D 7/02 от 14.10.2010).
Основным недостатком указанной конструкции является недостаточно интенсивный теплообмен между средами, особенно при движении теплопередающей среды снаружи змеевиковых элементов поперек оси пучка труб и изготовления змеевиковых пучков труб вложением одного пучка труб в другие пучки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является теплообменный аппарат с оребренными теплообменными трубами, в частности аппарат воздушного охлаждения, содержащий корпус, входной и выходной коллекторы с устройствами ввода и вывода горячего и холодного потоков и пучок теплообменных прямых оребренных труб (Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения. Справочник. А.Н. Бессонов, Г.А. Дрейцер, В.Б. Кунтыш и др. СПб, Недра, 1996, с. 89-104).
Основными недостатками указанной конструкции является недостаточно интенсивный теплообмен из-за слабой турбулизации потока, проходящего внутри прямых труб, и низкого коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку внутри труб, лимитирующего общий коэффициент теплопередачи.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в интенсификации теплообмена как в трубном, так и межтрубном пространствах пучков теплообменных оребренных труб с одновременным увеличением удельной площади теплообмена.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном теплообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с патрубками подвода компонента внутрь корпуса и его отвода из корпуса, расположенными во входной и выходной частях корпуса соответственно, теплообменные трубы, установленные внутри корпуса в трубных досках, профилированные крышки с присоединительными фланцами, установленные на торцах корпуса и образующие с трубными досками полости подвода и отвода компонента, подаваемого через теплообменные трубы, согласно изобретению внутри каждой теплообменной трубы дополнительно коаксиально установлена внутренняя труба с образованием кольцевого радиального зазора между стенками труб, при этом во входной и выходной частях корпуса теплообменника установлены дополнительные днища, образующие с трубными досками и профилированными крышками полости подвода и отвода компонентов, при этом полость кольцевого радиального зазора между стенками теплообменных и внутренних дополнительных труб соединена с полостью, образованной трубной доской и дополнительным днищем, а полость между профилированной крышкой и дополнительным днищем соединена с полостями внутренних дополнительных трубок и с полостью корпуса.
В варианте исполнения полость между профилированной крышкой и дополнительным днищем соединена с полостью корпуса при помощи полых втулок, равномерно расположенных в периферийной зоне трубных досок и дополнительных днищ.
В варианте исполнения полость между профилированной крышкой и дополнительным днищем соединена с полостью корпуса при помощи полых втулок, установленных в трубных досках и дополнительных днищах, при этом одна втулка расположена по оси корпуса, а остальные равномерно расположены в периферийной зоне трубных досок и дополнительных днищ.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез предложенного теплообменного аппарата, на фиг. 2 показано поперечное сечение предложенного теплообменного аппарата, на фиг. 3 показан продольный разрез предложенного теплообменного аппарата в варианте с центральными втулками.
Теплообменный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с патрубками подвода 2, 3 компонента внутрь корпуса и его отвода 4, 5 из корпуса, расположенными во входной и выходной частях корпуса соответственно. Теплообменные трубы 6 установлены внутри корпуса 1 в трубных досках 7. Внутри каждой теплообменной трубы 6 дополнительно коаксиально установлена внутренняя труба 8 с образованием кольцевого радиального зазора 9 между стенками труб 6 и 8. Во входной и выходной частях корпуса теплообменника установлены дополнительные днища 10 и 11, образующие с трубными досками 7 и профилированными крышками 12 и 13 полости подвода и отвода компонентов. Полость кольцевого радиального зазора между стенками теплообменных 6 и внутренних дополнительных труб 8 соединена с полостями, образованными трубными досками 7 и дополнительными днищами 10 и 11, а полости между профилированными крышками 12 и 13 и дополнительными днищами 10 и 11 соответственно соединены с полостями внутренних дополнительных трубок 8 и с полостью корпуса 1 при помощи полых втулок 14, равномерно расположенных в периферийной зоне трубных досок 7 и дополнительных днищ 10 и 11.
В варианте исполнения полость между профилированной крышкой 12 и дополнительным днищем 10 соединена с полостью корпуса 1 при помощи полых втулок 14, установленных в трубных досках 7 и дополнительных днищах 10 и 11, при этом втулки 15 и 16 расположены по оси корпуса 1.
Предложенный теплообменный аппарат работает следующим образом.
Во входные 2, 3 патрубки подается горячий и холодный потоки, которые, после теплообмена, отводятся через выходные патрубки 4 и 5 соответственно.
Из полости, образованной трубной доской 7 и дополнительным днищем 10, компонент попадает в кольцевой радиальный зазор 9, образованный трубами 6 и 8, где изменяет свою форму со сплошной круглой на кольцевую, с полой центральной частью.
Из полости, образованной профилированной крышкой 12 и дополнительным днищем 10, компонент поступает в полости дополнительных внутренних труб 8, а также через втулки 14 поступает в полость корпуса 1.
Такое воздействие на струю позволяет реализовать схему «первый компонент - второй компонент - первый компонент» в одной теплообменной трубе, т.е. теплообмен будет происходить не только по наружной поверхности теплообменной трубы 6, но и по поверхности дополнительных внутренних труб 8.
Такое видоизменение формы поперечного сечения трубы позволяет при неизменной площади поперечного сечения трубы и, следовательно, при неизменном перепаде давления на трубе примерно в 1,8…2,2 раза увеличить периметр поверхностей теплообмена с одновременным уменьшением характерного поперечного размера - размера центральной части струи.
Такое изменение формы поперечного сечения - со сплошного круглого на профилированное кольцеобразное с одновременным уменьшением толщины струи - позволит улучшить условия теплообмена, т.к. будет нагреваться/отдавать тепло не только периферийная часть струи, а вся струя. Также такое видоизменение формы струи приводит к ее дополнительной турбулизации за счет того, что в местах разделения сплошной струи на полую кольцевую и в местах слияния полой струи в сплошную струю будет возникать турбулизация потока, что приведет к дополнительному перемешиванию слоев потока между собой и позволит улучшить условия теплообмена и теплопередачи.
В варианте исполнения полость между профилированной крышкой 12 и дополнительным днищем 10 соединена с полостью корпуса 1 при помощи полых втулок 14, установленных в трубных досках 7 и дополнительных днищах 10 и 11, при этом втулки 15 и 16 расположены по оси корпуса 1.
Использование предложенного технического решения позволит интенсифицировать теплообмен как в трубном, так и межтрубном пространствах пучков теплообменных труб с одновременным увеличением удельной площади теплообмена, что в конечном итоге позволит уменьшить габаритные размеры теплообменного аппарата либо увеличить площадь теплообмена при неизменных габаритных размерах теплообменного аппарата.