Трубчатый теплообменник

Изобретение относится к теплообменной технике. Теплообменник содержит поперечно-обтекаемый пучок профильных труб с поверхностью в виде сопряженных круглых цилиндров с разными наружными диаметрами, большим и меньшим, и коллекторы с трубными досками. При линейной (коридорной) компоновке лобовые и кормовые части разных диаметров каждой из труб последовательно чередуются в продольных и поперечных рядах пучка, при треугольной (шахматной) компоновке трубы в пучке расположены навстречу потоку лобовой частью меньшего диаметра. В каждом компоновочном варианте межтрубное пространство представляет собой продольные конфузорно-диффузорные каналы переменного сечения. Конструкция обеспечивает повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение массы и металлоемкости при уменьшении габаритов теплообменника. 5 ил.

 

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов и устройств транспортного, химического и энергетического машиностроения, основу которых составляют поперечно-обтекаемые трубчатые поверхности.

Известен теплообменник, содержащий поперечно-обтекаемый пучок 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 поверхности труб и невысокая компактность поверхности теплообмена, обусловленные тем, что трубный пучок выполнен из труб одинакового диаметра.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменник, содержащий поперечно-обтекаемый пучок труб двух разных диаметров и коллекторы с трубными досками [2].

Недостатком этого теплообменника являются сравнительно низкая эффективность теплоотдачи и повышенная металлоемкость.

Отмеченное снижение интенсивности теплоотдачи поверхности обусловлено тем, что трубы меньшего диаметра, дополнительно используемые в схемах коридорной и шахматной компоновок труб большего (основного) диаметра с соответствующей прямоугольной и треугольной разбивкой в трубных досках, не позволяют в полной мере реализовать возможный уровень турбулентности потока из-за стесненности межтрубного пространства, при которой турбулентность периодически вырабатывается и подавляется. Кроме того, использование труб большего и меньшего диаметров конструктивно реализуется только в виде шахматной (треугольной) схемы компоновки труб большего и меньшего диаметров.

Задачей изобретения являются повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение металлоемкости и уменьшение объема теплообменника.

Указанная задача решается в трубчатом теплообменнике, содержащем поперечно-обтекаемый пучок профильных труб в виде двух сопряженных круглых цилиндров с разными наружными диаметрами, большим d₁ и меньшим d₂, с линейной (коридорной) или треугольной (шахматной) компоновкой и коллекторы с трубными досками, отличающийся тем, что используемые компоновки труб разновеликого двухцилиндрического профиля обеспечивают обтекание последовательно расположенных по потоку цилиндрических частей (элементов) теплоотдающей трубчатой поверхности разных диаметров d₁ и d₂, при этом лобовые и кормовые части разных диаметров (d₁>d₂) каждой из труб чередуются в продольных и поперечных рядах пучка при линейной (коридорной) компоновке, при треугольной (шахматной) компоновке трубы в пучке расположены навстречу потоку лобовой частью меньшего диаметра d₂, 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 за счет дополнительной турбулизации потока при поперечном обтекании трубы двухцилиндрического профиля, обусловленной положительным влиянием на поток цилиндрической части поверхности трубы с меньшим диаметром, формирующей рациональные условия отрывного обтекания последующих кормовых или предшествующих лобовых цилиндрических частей поверхности труб с большим диаметром.

2. Уменьшение шага разбивки труб в трубных досках за счет использования труб разновеликого двухцилиндрического профиля и соответствующее повышение компактности поверхности теплообмена и снижение металлоемкости теплообменника.

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 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, 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.

При линейной схеме расположения профильных труб (фиг.4) их части с меньшим радиусом образующей цилиндрической теплоотдающей поверхности одновременно выполняют роль дополнительного турбулизатора потока и интенсифицируют теплоотдачу последующей кормовой или предшествующей лобовой частей труб с большим радиусом образующей цилиндрической поверхности. В то же время цилиндрические части каждой трубы меньшего диаметра d₂, находящиеся в аэродинамическом следе частей труб большего диаметра d₁, в достаточной мере омываются с обеих сторон потоком, направленное действие вектора которого формируется в более узких диагональных сечениях между цилиндрическими частями труб большего диаметра d₁ и способствует при этом также определенному повышению интенсивности теплоотдачи частей труб меньшего диаметра d₂ с большей кривизной поверхности. В этих условиях течение теплоносителя в межтрубных зазорах принимает извилистую зигзагообразную форму, характерную для щелевых профилированных каналов, что значительно активизирует механизм взаимодействия потока с поверхностью теплообмена.

При треугольной схеме расположения профильных труб с указанной конфигурацией (фиг.5) на каждой отдельной трубе в потоке также реализуется дополнительный турбулизирующий эффект лобовой части с меньшим радиусом образующей цилиндрической поверхности, определяющий повышение интенсивности теплоотдачи поверхности кормовой части труб большего диаметра d₁.

В каждой из представленных схем расположения труб разновеликого двухцилиндрического профиля реализуются особенности конфузорно-диффузорного течения потока, обеспечивающие рациональные условия 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 2006780 С1. Трубчатый теплообменник. БИ №2,1994.

Трубчатый теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок профильных труб в виде двух сопряженных круглых цилиндров с разными наружными диаметрами, большим d₁ и меньшим d₂, с линейной (коридорной) или треугольной (шахматной) компоновкой, и коллекторы с трубными досками, отличающийся тем, что используемые компоновки труб разновеликого двухцилиндрического профиля обеспечивают обтекание последовательно расположенных по потоку цилиндрических частей (элементов) теплоотдающей трубчатой поверхности разных диаметров d₁ и d₂, при этом лобовые и кормовые части разных диаметров (d₁>d₂) каждой из труб чередуются в продольных и поперечных рядах пучка при линейной (коридорной) компоновке, при треугольной (шахматной) компоновке трубы в пучке расположены навстречу потоку лобовой частью меньшего диаметра d₂, и в каждом компоновочном варианте трубчатой поверхности в межтрубном пространстве реализуется конфузорно-диффузорное и извилистое течение потока.