ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1995 года по МПК F28D7/00 

Изобретение относится к теплотехнике, а точнее к теплотехническим устройствам типа "труба в трубе", двух- трех- и многоходовым или n-трубным кожухотрубным теплообменникам и может быть использовано при проектировании и доработке бывшего в употреблении нагревательного и холодильного теплообменного оборудования, включая маслоохладители в энергетических установках, технологических аппаратах в нефтеперерабатывающей, химической и пищевой промышленностях.

Известны кожухотрубные теплообменники типа "труба в трубе", которые образованы путем симметричной установки в кожух теплообменной трубы. На концах кожуха радиально установлены подводящий и отводящий патрубки. На концах теплообменной трубы установлены осевые подводящий и отводящий патрубки. С обоих концов трубы имеют приварные трубные доски. Через радиально установленный подводящий патрубок подается межтрубная среда, текущая по межтрубному пространству зазору и отводится через радиально установленный отводящий патрубок. Другая трубная среда подается через подводящий осевой патрубок и течет по трубному пространству теплообменной трубы, отвод этой среды осуществляется через осевой отводящий патрубок.

Известны кожухотрубные теплообменники, в которых в кожух с зазором установлены две теплообменные трубы. На концах кожуха радиально установлены подводящий и отводящий патрубки. С обоих концов трубы снабжены раздающим и собирающим коллекторами с подводящим и отводящим патрубками. Коллекторы включают в себя трубные доски, устанавливаемые на концах труб и разделяют среды трубного и межтрубного пространств. По радиально установленному подводящему патрубку подводится среда в межтрубное пространство и выходит из теплообменника через радиально установленный отводящий патрубок. Другая среда подводится через осевой подводящий патрубок, попадает в раздающий коллектор, течет по трубному пространству теплообменных труб, попадает в собирающий коллектор и через осевой отводящий патрубок покидает теплообменник.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является теплообменник с n-теплообменными трубами, установленными в кожухе параллельно его оси и с зазорами относительно него и друг друга. Входные концы внутренних каналов теплообменных труб соединены с подводящим коллектором через подводящий патрубок среды трубного пространства. На концах труб с обоих сторон установлены трубные доски. С одного конца кожуха радиально установлен входной патрубок, подключенный к системе подачи среды межтрубного пространства. Итак, среда трубного пространства течет по внутренним каналам n-теплообменных труб, другая среда межтрубного пространства омывает их снаружи. В подобных кожухотрубных теплообменниках между трубными досками, параллельно им установлены поддерживающие перегородки, занимающие не все поперечное сечение теплообменника. Отвод среды межтрубного пространства осуществляется через радиально установленный отводящий патрубок. Подвод среды трубного пространства к внутренним каналам n-теплообменных труб осуществляется с помощью подводящего коллектора и приваренного к нему подводящего патрубка. Отвод этой среды осуществляется через отводящие коллектор и отводящий патрубок.

Известное устройство, выбранное в качестве прототипа обладает недостатками, заключающимися в низких значениях коэффициентов теплопередачи.

Техническая задача изобретения заключается в повышении значений коэффициентов теплопередачи за счет эффективного выбора суммы площадей наружных поперечных сечений теплообменных труб и площади внутреннего поперечного сечения кожуха.

Техническая задача достигается за счет того, что в теплообменнике, содержащем кожух с радиальными патрубками для межтрубной среды, теплообменные трубы, размещенные в кожухе параллельно его оси с зазорами относительно него и друг друга, и раздающий и собирающий коллекторы с патрубками для трубной среды. Сумма площадей наружных поперечных сечений теплообменных труб и площади внутреннего поперечного сечения кожуха связаны соотношением
0,09 ≅ ≅ 0,37, где n число теплообменных труб;
F_i площадь наружного поперечного сечения i-й трубы;
F площадь внутреннего поперечного сечения кожуха.

Внутренняя и наружная поверхности теплообменных труб выполнены с кольцевыми или спиральными выступами, расположенными относительно друг друга с интервалом, равным 3-5 внутренним диаметром трубы, при этом площадь боковой поверхности одного витка выступа и площадь внутреннего поперечного сечения трубы связаны соотношением
0,09 ≅ ≅ 0,37, где F_б и F_вн соответственно упомянутые площади.

Предложенные отличительные признаки обеспечивают порождение повышенных гидромеханических пульсаций естественным путем и минимальное их затухание по потоку, что приводит к интенсификации теплоотдачи от 30 до 130% по сравнению с теплоотдачей в потоках без пульсаций и иного усложнения конструкции. Экспериментами установлено, что при относительной площади загромождения канала 0,09 интенсификация теплоотдачи составляет более 130% а при относительной площади загромождения канала 0,37 составляет около 30%
На фиг. 1 изображен общий вид теплообменника с одной теплообменной тубой, т.е. n 1.

Устройство содержит наружный кожух 1, радиально установленный на ней подводящий патрубок 2 среды межтрубного пространства, теплообменную трубу 3 параллельно оси наружного кожуха 1 установленную с зазором в ней, с подводящим патрубком 4 среды трубного пространства и отводящим патрубком 5, межтрубное пространство зазоры 6, трубные доски 7 и 8, расположенные на концах кожуха 1, выходной патрубок 9 среды межтрубного пространства.

В данном случае площадь наружного поперечного сечения теплообменной трубы и площадь внутреннего поперечного сечения кожуха связаны соотношением
0,09 ≅ ≅ 0,37, где F₁ площадь наружного поперечного сечения теплообменной трубы;
F площадь внутреннего поперечного сечения кожуха.

На фиг. 2 показана схема теплообменника с установленными внутрь кожуха двумя теплообменными трубами, т.е. n 2.

Устройство содержит кожух 1, на нем радиально установлены подводящий 2 и отводящий 9 патрубки среды межтрубного пространства, параллельно оси кожуха 1 с зазорами 6, образующими межтрубное пространство, установлены в ней две теплообменные трубы 3, с обоих концов труб установлены трубные доски 7 и 8, разделяющие среды, внутренние полости теплообменных труб сообщены с раздающим 10 и собирающим 11 коллекторами среды трубного пространства с подводящим 4 и отводящим 5 патрубками.

В этом случае сумма площадей наружных поперечных сечений двух теплообменных труб и площадь внутреннего поперечного сечения кожуха связаны соотношением
0,09 ≅ ≅ 0,37, где F₁ площадь наружного поперечного сечения первой теплообменной трубы;
F₂ площадь наружного поперечного сечения второй теплообменной трубы;
F площадь внутреннего поперечного сечения кожуха.

На фиг. 3 изображена схема (кожухотрубного) теплообменника, состоящего из n теплообменных труб, установленных внутри кожуха.

Устройство содержит кожух 1, кожух 1 снабжен радиально установленными подводящим 2 и отводящим 9 патрубками среды межтрубного пространства, параллельно оси кожуха 1 с зазорами 6, образующими межтрубное пространство, установлены в ней n теплообменных труб 3, с обоих концов труб установлены трубные доски 7, 8, разделяющие среды, разделяющий 10 и собирающий 11 коллекторы среды трубного пространства, с подводящим 4 и отводящим 5 патрубками, в ряде случаев теплообменники снабжены промежуточными поддерживающими перегородками 12, занимающими не все поперечные сечения кожуха и установленными параллельно трубным доскам.

В данном случае сумма площадей наружных поперечных сечений теплообменных труб и площадь внутреннего поперечного сечения кожуха связаны соотношением
0,09 ≅ ≅ 0,37, где n число теплообменных труб;
F₁ площадь наружного поперечного сечения первой теплообменной трубы;
F₂ площадь наружного поперечного сечения второй теплообменной трубы;
F_n площадь наружного поперечного сечения n-й теплообменной трубы;
F площадь внутреннего поперечного сечения кожуха;
F_i площадь наружного поперечного сечения i-й теплообменной трубы.

Устройство работает следующим образом.

Одна среда со скоростью u₁' и температурой t₁' поступает во входной патрубок 2. Далее поступает в межтрубное пространство зазоры 6, где за счет внезапного расширения, натекания потока на преграду теплообменные трубы 3 и обтекания плохо обтекаемых тел теплообменных труб 3 гидромеханически возмущается и в возмущенном состоянии течет по межтрубному пространству зазорам 6, воспринимая или отдавая тепло от нагретых или холодных теплообменных труб 3. Со скоростью u₂' и температурой t₂' эта среда через выходной патрубок 9 покидает теплообменник. Другая среда прямотоком или противотоком с скоростью u₁' и температурой t₁' поступает в входной патрубок 4 или 5, течет по внутритрубному пространству и с скоростью u₂" и температурой t₂" выходит из теплообменника. При этом, в зависимости от назначения теплообменника среда трубного пространства или передает тепло внутренним трубам 3, или воспринимает его от них.

Эффект возмущения пограничного слоя за счет эффективного выбора относительной площади загромождения канала с целью максимальной генерации пульсаций в пристенной зоне, позволяющий интенсифицировать теплообменные процессы. В предлагаемых кожухотрубных теплообменниках эффект генерации пульсаций осуществляется естественным путем за счет выбора суммы площадей наружных поперечных сечений теплообменных труб и площади внутреннего поперечного сечения кожуха связанных соотношением
0,09 ≅ ≅ 0,37.

Вышеуказанные закономерности, связанные с эффектом генерации гидромеханических пульсаций за счет выбора эффективной строительной площади загpомождения канала, были установлены в результате лабораторных испытаний.

Исследования выполнены на теплообменных устройствах, включающих более пятидесяти различных геометрических типоразмеров теплообменников.

При исследовании теплообмена в теплообменнике, представленном на фиг.1, в качестве источника тепла использовался нагреваемый электрическим током угольный стержень, установленный на кварцевых втулках вн утри внутренней трубы 3. Через входной патрубок 2 со скоростью u₁" и температурой t₁' подавалась дистиллированная вода.

В ходе экспериментов измерялись следующие величины:
электрическая мощность, подаваемая на угольный стержень, Вт;
наружная температура стенки внутренней трубы, К;
температура охлаждающей жидкости воды на входе в теплообменник и на его выходе, К;
массовый расход охлаждающей жидкости воды, кг/с.

В результате обработки опытных данных находились значения критериев Нуссельта, определяемых как
N_и= , где α- коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м²К;
d наружный диаметр внутренней трубы, м;
λ- коэффициент теплопроводности воды, Вт/мК, и критериев Рейнольдса:
R_e= , где u₁' средняя скорость воды на входе в теплообменник, м/с;
d наружный диаметр внутренней требы, м;
ν- коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с.

В результате первой серии экспериментов и обработки ее результатов установлено, что при числах Рейнольдса 1000, 1500, 2000 при одинаковых подводимых мощностях к угольным нагревателям при 0,095 значения критериев Нуссельтов соответственно принимали значения 107, 139, 167, при 0,257 принимали значения 75, 96, 115, а при 0,41 45, 59, 71.

Анализ представленных результатов показывает, что для первой приведенной относительной загроможденности канала интенсификация теплоотдачи составляет 130% Для второй приведенной относительной загpоможденности канала интенсификация теплоотдачи составляет 60% Дополнительными экспериментами стробоскопическими методами установлено, что интенсификация теплоотдачи обусловлена относительными гидромеханическими пульсациями составляющими 4-9% Большие значения относительных гидромеханических пульсаций соответствуют меньшему значению относительной загроможденности канала, т.е. 0,095.

На второй стадии были проведены эксперименты на теплообменниках, схема которых представлена на фиг.2. Аналогично, как и в первом случае в качестве источников тепла использовались угольные стержни, устанавливаемые внутри внутренних труб 3, нагреваемые электрическим током. Через входной патрубок 2 со скоростью u₁' и температурой t₁' подавалась дисциллированная вода.

В ходе экспериментов измерялись те же величины, что и в первом случае. Дополнительно измерялась электрическая мощность, подаваемая на второй угольный стержень.

Обработка результатов экспериментов проводилась по изложенной выше методике с единственным отличием, заключающемся в том, что в обоих формулах для критериев Нуссельта и Рейнольдса выбирался так называемый эквивалентный диаметр внутренних труб, определяемый как
d ,
F_G= F (F₁ + F₂),
П πD + πd₁ + πd₂, где FG живое сечение канала, м²;
П смоченный периметр канала, м;
D внутренний диаметр наружного кожух-трубы 1, м;
d₁ наружный диаметр одной внутренней трубы 3, м;
d₂ наружный диаметр другой внутренней трубы 3, м.

Описанный подход перехода к эквивалентному диаметру рекомендован во всей теплообменной литературе (Михеев М.А. и Михеева И.М. Основы теплопередачи, М. Энергия, 1973, с. 334).

Таким образом, этим приемом в теплообменнике с двумя установленными внутренними трубами 3 сделан переход к теплообменнику с одной внутренней трубой с эквивалентным диаметром, т.е. сделан переход к теплообменнику, показанному на фиг. 1.

В результате второй серии экспериментов и обработки результатов установлено, что при числах Рейнольдса 1000, 1500, 2000 при одинаковых подводимых мощностях значения чисел Нуссельтов при 0,091 принимали соответственно значения 109, 143, 171, при относительной площади загромождения канала 0,261 принимали значения 71, 93, 111, а при 0,43 43, 57, 69. Анализ приведенных результатов показывает, что и в этом случае для относительной загроможденности канала равной 0,091 интенсификация теплоотдачи составляет более 130% Для относительной загроможденности канала 0,26 интенсификации теплоотдачи составляет 60% Причина интенсификации теплоотдачи и в этом случае, установленная на основе дополнительных экспериментов, относительные гидромеханические пульсации составляющие 4-9%
Рассмотрим n-ходовой теплообменник, представленный на фиг.3. Здесь очевидно описанный во втором случае переход с n установленными теплообменными трубами 3 и схеме, показанной на фиг.1 с одной внутренней трубой, но с эквивалентным диаметром, определяемом как
d
F_G= F-F_i
П πD+d_i а площадь загромождения канала определяется как

Таким образом, и в этом случае эффект интенсификации теплоотдачи для n-ходового теплообменника за счет эффективного выбора относительной площади загромождения канала, приводящей к эффекту генерации гидромеханических пульсаций, очевиден.

В теплообменнике внутренняя и наружная поверхности теплообменных труб выполнены с кольцевыми или спиральными выступами, расположенными относительно друг друга с интервалом, равным 3-5 внутренним диаметрам трубы, при этом площадь боковой поверхности одного витка выступа и площадь внутреннего поперечного сечения трубы связаны соотношением
0,09 ≅ ≅ 0,37, где F_б и F_вн соответственно упомянутые площади.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: конструкция обеспечивает повышение гидромеханических пульсаций естественным путем, что приводит к интенсификации теплоотдачи на 30-130% по сравнению с теплоотдачей в потоках без пульсаций. Теплообменник содержит кожух 1 с радиальными патрубками 2 и 9 для межтрубной среды, теплообменные трубы 3, размещенные в кожухе 1 параллельно оси с зазорами относительно друг друга, и раздающий 10 и собирающий 11 коллекторы с патрубками 4 и 5 для трубной среды. Сумма площадей наружных поперечных сечений теплообменных труб 3 и площадь внутреннего сечения кожуха 1 связаны соотношеннием , где n число теплообменных труб 3; F_i площадь наружного поперечного сечения i-й трубы 3; F площадь внутреннего поперечного сечения кожуха 1. Внутренняя и наружная поверхности теплообменных труб 3 могут быть выполнены с кольцевыми или спиральными выступами, расположенными относительно друг друга с интервалом, равным 4 5 внутренним диаметрам трубы 3, при этом площадь боковой поверхности одного витка выступа и площадь внутреннего поперечного сечения трубы 3 связаны соотношением , где F_б и F_вн соответственно упомянутые площади. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий кожух с радиальными патрубками для межтрубной среды, теплообменные трубы, размещенные в кожухе параллельно его оси и с зазорами относительно него и друг друга, и раздающий и собирающий коллекторы с патрубками для трубной среды, отличающийся тем, что сумма площадей наружных поперечных сечений теплообменных труб и площадь внутреннего поперечного сечения кожуха связаны между собой соотношением

где n число теплообменных труб;
F_i площадь наружного поперечного сечения i-й трубы;
F площадь внутреннего поперечного сечения кожуха. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя и наружная поверхности теплообменных труб выполнены с кольцевыми или спиральными выступами, расположенными относительно друг друга с интервалом, равным 3 5 внутренним диаметрам трубы, при этом площадь F_б боковой поверхности одного витка выступа и площадь F_вн внутреннего поперечного сечения трубы связаны соотношением
0,09 ≅ F_б / F_вн ≅ 0,37.