ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК F28D7/00 F28F1/40 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в частности в нефтеперерабатывающей промышленности.

Известны трубчатые теплообменные аппараты (теплообменники, холодильники, кипятильники, печи и т.п.), внутренняя и наружная поверхности труб которых гладкая [1]
Известны трубчатые теплообменные аппараты (печи, аппараты воздушного охлаждения и др.), наружная поверхность труб которых оребрена или ошипована [2]
Недостатком указанных трубчатых теплообменных аппаратов является невысокая интенсивность теплообмена ввиду низкой степени турбулентности потока, проходящего внутри труб.

Известны также конструкции теплообменных труб, которые с внутренней или с наружной стороны снабжены разнотипными диафрагмами и ребрами [3 и 4]
Недостатком таких конструкций является эмпирический подход к их форме и расстоянию между ними без учета свойств потока.

Известна конструкция трубчатого теплообменного аппарата, в котором теплообменные трубы имеют участки переменного сечения, выполненные в виде соединенных большими основаниями усеченных конусов со следующими соотношениями размеров: 0,035 ≅ ≅ 0,6 и 1,2d ≅ D≅ 3d, где D и d диаметры большего и меньшего оснований конуса соответственно, мм; h длина участка переменного сечения, мм [5]
Недостатком указанной конструкции является сложность изготовления теплообменных труб, содержащих участки переменного сечения.

Известна конструкция кольцевых турбулизаторов в трубчатом канале, выбранная в качестве прототипа, которые перемещают совместно с нагревателями с целью повышения точности исследований по способу определения характера распределения жидкости в двухфазном потоке теплоносителя [6]
Недостатком этой конструкции является эмпирический (экспериментальный) подбор размеров колец и расстояния между ними за счет поиска турбулентного режима теплоносителя в канале с помощью нагревателей. На практике, обычно, ставится обратная задача, а именно найти такие конфигурации местных сопротивлений и расстояния между ними в трубе (ах), которые обеспечивают объемную турбулизацию потока, приемлемые гидравлические сопротивления и высокие показатели в теплоотдаче.

Проведенный анализ показал, что при использовании известных устройство для интенсификации теплообмена в конкретных условиях нельзя гарантировать их высокие показатели, так как в опубликованной по ним литературе отсутствует взаимосвязь между механическими характеристиками турбулизаторов теплообменных труб и свойствами протекающего потока, а следовательно, не подтверждаются высокие показатели в теплоотдаче.

Целью изобретения является интенсификация теплоотдачи через стенки труб диаметром D путем повышения турбулизации потока, проходящего через трубы аппарата, и упрощение конструкции турбулизирующих устройств.

Цель достигается тем, что внутри труб трубчатого теплообменного аппарата устанавливают местные сопротивления диафрагменного типа на расстоянии друг от друга L и с внутренним диаметром d, которые определяются по зависимостям, учитывающим характеристики потока (по критерию Рейнольдса Ре).

Так, для 0,05 ≅ (d/D) ≅ 0,2 Ре должен быть не менее 5 ˙10³, для 0,2 ≅ (d/D)≅ 0,59 1˙10⁴, для 0,59≅ (d/D)≅ 0,64 2 ˙ 10⁴, L<[11,416-12,660 (d/D)²+8,321 (d/D)⁴] ˙D.

Местные сопротивления диафрагменного типа устанавливают по всей длине труб, за исключением мест их развальцовки в трубной решетке и на изгибах (поворотах), если они имеются, например в трубных пучках с U-образными трубками.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый трубчатый теплообменный аппарат отличается тем, что внутри его труб установлены местные сопротивления диафрагменного типа, внутренний диаметр и расстояние между которыми выбраны с учетом характеристик протекающего потока (скорость потока W, вязкость потока ν ), входящих в критерий Рейнольдса Pe . При этом исходим из известного положения о том, что по указанному критерию определяется турбулентность теплового потока и, как следствие, интенсивность теплоотдачи (особенно в пристенной области). Расстояние между местными сопротивлениями должно быть меньше, чем расстояние, на котором поток теряет свою турбулентность, от предыдущего местного сопротивления. Таким образом, заявляемый трубчатый теплообменный аппарат соответствует критерию "Новизна".

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено схематичное изображение кожухотрубчатого теплообменного аппарата жесткой конструкции. На фиг. 1 представлен аппарат, общий вид; на фиг. 2 теплообменная труба.

Трубчатый теплообменный аппарат имеет корпус 1, патрубки 2, 3 для входа теплообменивающихся потоков и 4, 5 соответственно для их выхода, крышки 6, решетки 7 для крепления труб и трубный пучок 8 с местными сопротивлениями 9.

Предлагаемый трубчатый теплообменный аппарат изготавливается из материалов, устойчивых к рабочей среде, и работает следующим образом.

Один из двух потоков, между которыми должен произойти теплообмен, направляется через патрубок 3 в межтрубное пространство (заключенное между корпусом 1, решетками 7 и трубным пучком 8) теплообменного аппарата. Передав тепло или приняв его от другого потока (прокачиваемого через патрубок 2, трубный пучок 8 и патрубок 4), данный поток выводится через патрубок 5. При этом теплоотдача потока, протекающего по трубкам, увеличена местными сопротивлениями 9 диафрагменного типа, усиливающими турбулизацию потока как по оси трубы, так и ее пристенной области.

Экономический эффект, получаемый в результате использования предлагаемого трубчатого теплообменного аппарата, образуется за счет большего количества тепла, передаваемого 1 м² поверхности трубного пучка данного аппарата.

Использование: в теплотехнике, в частности в нефтеперерабатывающей промышленности. Сущность изобретения: внутри труб устанавливаются местные сопротивления диафрагменного типа, размер которых и расстояние между ними определяют по формулам, учитывающим характеристики потока. 2 ил.

ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий внутри каждой трубы местные сопротивления в виде кольцевых диафрагм, отличающийся тем, что внутренний диаметр диафрагм и расстояние между диафрагмами определяется из зависимостей:
0,05 ≅ (d/D) ≅ 0,64;
L < [11,416 12,660 (d/D)² + 8,321 (d/D)⁴]D,
где d внутренний диаметр кольцевой диафрагмы;
D внутренний диаметр трубы;
L расстояние между смежными диафрагмами.