КОЖУХОТРУБНЫЙ ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D7/02 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных областях промышленности.

Известны кожухотрубные теплообменники змеевикового типа, в которых один теплоноситель движется внутри труб змеевика, а другой по каналу, образованному кожухом и витками его труб, смывая их наружную поверхность.

Смежные витки змеевика выполняют с одинаковым диаметром навивки.

Применение змеевиков обеспечивает компенсацию температурных расширений, снижение напряжений в местах заделки труб в трубных досках. Изменение диаметра навивки смежных витков способствует турбулизации потока среды на внешней стороне змеевиков. Однако сравнительно малые скорости омывания змеевиков не позволяют получить высоких коэффициентов теплоотдачи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменник, содержащий корпус, установленный по оси корпуса сердечник с эквидистантной корпусу поверхностью, и размещенный в кольцевом зазоре между ними цилиндрический змеевик, причем корпус и сердечник выполнены в виде последовательно соединенных конусов с параллельными зигзагообразными образующими в продольном сечении. Уменьшение площади поперечного сечения и неоднородность поля давлений в формируемых в корпусе теплообменника каналах способствует интенсификации теплообмена на внешней стороне витков труб змеевика.

Вместе с тем наличие сердечника, заполняющего внутренний объем корпуса, приводит к снижению компактности, росту массы и габаритов теплообменника.

Целью изобретения является интенсификация теплообмена и повышение компактности теплообменного аппарата.

Указанная цель достигается тем, что в кожухотрубном змеевиковом теплообменнике, содержащем пучок трубных змеевиков с витками, образующими стенки продольных каналов, имеющих щелевые зазоры между трубами смежных витков, внутри каналов расположены коаксиальные гофрированные вытеснители, выполненные из полых конических элементов, а в полости вытеснителя расположены подводные или отводные трубы змеевика.

Конфигурация продольных каналов с вытеснителями искусственно создает неоднородность поля давлений в движущейся в канале среде, изменяя микро- и макроструктуру потока. Под действием турбулентных вихрей, генерируемых в диффузорах, существенно интенсифицируется теплообмен как на диффузорных, так и конфузорных участках канала.

Углы расширения диффузоров и сужения конфузоров выбирают из условия обеспечения высокой энергетической эффективности. Такой эффективностью обладают каналы конфузорно-диффузорного типа с углами сужения (расширения) <N>phi<N> меньше 10^о. При <N>phi<N>=10 17^о резко возрастает гидравлическое сопротивление, а при <N>phi<N> > 17^о поверхность теплообмена. Длина участков с конфузорным и диффузорным течением может быть принята одинаковой.

При компоновке змеевиков в пучок диффузорные участки каждого канала располагают напротив конфузорных участков соседних каналов.

Такая компоновка змеевиков в пучке вызывает поперечное перетекание теплоносителя через щелевые зазоры между трубами смежных витков под действием разности давлений на диффузорном и конфузорном участках соседних каналов. Перетекание среды, вдув и отсос ее из соседних каналов приводят к разрушению пограничного слоя на внешней поверхности труб змеевиков и дополнительной интенсификации теплообмена. Это усиление теплоотдачи обусловлено утонением пристеночного слоя в диффузорной части канала вследствие отсоса и турбулизацией слоя на конфузорном участке при вдуве среды через межвитковые зазоры.

Кроме того, размещение подводных (отводных) труб змеевика внутри полого вытеснителя увеличивает поверхность теплообмена, установленную в том же объеме теплообменника, повышая его компактность.

На фиг. 1, 4 изображены теплообменники, смежные витки змеевиков которых имеют равный диаметр; на фиг. 2, 5 участки теплообменников с разными диаметрами смежных витков; на фиг. 3 узел I стенки продольного канала.

В корпусе 1 теплообменника размещены трубные змеевики 2 с витками 3, образующими стенки продольных каналов, имеющих щелевые зазоры 4 между трубами смежных витков, внутри каналов расположены коаксиальные гофрированные вытеснители 5, выполненные из полых конических элементов, а в полости вытеснителя расположены подводные или отводные трубы 6 змеевика, диаметры смежных витков которого могут быть одинаковыми (см. фиг. 1, 4) или разными (см. фиг. 2, 5).

Продольные каналы могут быть цилиндрическими, либо волнообразными с чередующимися диффузорными и конфузорными участками равной длины, причем диффузорные участки каждого канала расположены напротив конфузорных участков соседних каналов. Шаг гофр вытеснителя равен шагу волны стенки канала, при этом внутри диффузорного участка канала расположен сужающийся участок вытеснителя.

При движении среды в параллельных каналах, образованных витками труб змеевиков, интенсивность теплообмена возрастает как за счет вихреобразования в волнообразных каналах с чередующимися диффузорными и конфузорными участками, так и вследствие поперечного перетекания среды из продольных каналов соседних змеевиков через щелевые зазоры между трубами смежных витков.

Технико-экономический эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что интенсификация теплообмена с наружной стороны труб приводит к росту коэффициента теплопередачи и (при неизменном тепловом потоке), к уменьшению поверхности теплообмена, повышению компактности теплообменника и снижению его массы.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: в корпусе 1 теплообменника размещены трубные змеевики с витками 3, образующими стенки продольных каналов, имеющих щелевые зазоры 4 между трубами смежных витков. Внутри каналов расположены коаксиальные гофрированные вытеснители 5, выполненные из полых конических элементов, а в полости вытеснителей расположены подводные или отводные трубы 6 змеевика. Диаметры смежных витков могут быть одинаковыми или разными с образованием продольного волнообразного канала, имеющего чередующиеся диффузорные и конфузорные участки. Гофр вытеснителя может быть равен шагу волны стенки канала, при этом внутри диффузорного канала расположен сужающийся участок вытеснителя. Конфузорный и диффузорный участки каналов могут иметь одинаковую длину. Диффузорные участки одного трубного змеевика могут быть расположены напротив конфузорных участков смежных трубных змеевиков. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. КОЖУХОТРУБНЫЙ ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий пучки трубных змеевиков с витками, образующими стенки продольных каналов, имеющих щелевые зазоры между трубами смежных витков, отличающийся тем, что в каналах расположены коаксиальные гофрированные вытеснители, выполненные из полых конических элементов, а в полости вытеснителя расположены подводные или отводные трубы змеевиков. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что смежные витки каждого змеевика имеют равный диаметр с образованием стенок продольного цилиндрического канала. 3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что смежные витки каждого змеевика имеют различный диаметр с образованием стенок продольного волнообразного канала, имеющего чередующиеся диффузорные и конфузорные участки. 4. Теплообменник по пп.1 и 3, отличающийся тем, что шаг гофр вытеснителя равен шагу волны стенки канала, при этом внутри диффузорного участка канала расположен сужающийся участок вытеснителя. 5. Теплообменник по пп. 1, 3 и 4, отличающийся тем, что конфузорный и диффузорный участки каналов имеют одинаковую длину. 6. Теплообменник по пп.1, 3 5, отличающийся тем, что диффузорные участки одного трубного змеевика расположены напротив конфузорных участков смежных трубных змеевиков.