ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D7/16 F28F1/04 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, предназначенным для использования в различных областях промышленности, преимущественно к керамическим трубчатым теплообменникам, предназначенным для работы с высокотемпературными и агрессивными рабочими средами.

Известен трубчатый теплообменник, включающий в себя цилиндрический корпус с торцевыми входным и выходным коллекторами для обогреваемой среды и боковыми входным и выходным патрубками, расположенными с противоположных сторон в верхней и нижней частях корпуса для теплоносителя, внутри которого расположен пучок продольных труб, концы которых через трубные доски соединены с входным и выходным коллекторами [1] При этом трубы выполнены двухслойными с тонким промежуточным покрытием из относительно мягкого материала.

Недостатком известного теплообменника является низкая эффективность теплообмена из-за малой площади контактирующих с обогревающей средой поверхностей, т. к. основной поток обогревающей среды протекает в корпусе теплообменника и омывает гладкие трубы по диагонали сверху вниз, лишь частично обогревая периферийные внутренние зоны корпуса. Выполнение труб двухслойными с промежуточным покрытием улучшает аккумулирующую способность труб и процесс теплообмена, например, пластмассовых труб, но не увеличивает площади теплообменных поверхностей.

Известны трубы для теплообменника с увеличенными теплообменными поверхностями, в частности, за счет внутреннего в виде продольных пазов оребрения [2] и внешнего в виде поперечных кольцевых выступов оребрения [3]
Известен аналогичный трубчатому теплообменнику [1] теплообменник, в котором пучок труб охватывается рядом поперечных перегородок, частично перекрывающих поперечное сечение корпуса и расположенных с разных его боковых сторон таким образом, что перегородки задают поперечное движение теплоносителю, а свободное от перегородок поперечное сечение обеспечивает продольное протекание теплоносителя, за счет чего формируется зигзагообразный продольно-поперечный поток [4]
Недостатками известного теплообменника являются конструктивно-технологические трудности, связанные с креплением труб и трубных досок в корпусе с учетом необходимости компенсации их теплового расширения, материалоемкость и потери тепла на обогрев трубных досок и перегородок. В связи с тем, что пучки выполнены из длинных неразъемных труб, имеются трудности их изготовления из материала типа керамики, что необходимо при работе теплообменника в агрессивной высокотемпературной среде.

Другими недостатками известного теплообменника являются низкая компактность и малая площадь теплообменных поверхностей.

Известен керамический трубчатый теплообменник, трубы которого составлены из нескольких герметично стыкуемых отрезков, концы которых насаживаются друг на друга. При этом соединительные элементы в виде выступающих кольцевых кромок выполнены за одно целое с трубами. Опорные элементы труб соединены в межтрубном пространстве с помощью слоев бетона с образованием трубных досок [5]
Недостатком известного теплообменника является выполнение трубных досок из бетона, что связано с конструктивно-технологическими трудностями компенсации теплового расширения, материалоемкостью и тепловыми потерями.

Другими недостатками являются малая площадь теплообменных поверхностей и низкая компактность, связанные с гладкими поверхностями труб и достаточно большим расстоянием между ними, в частности, из-за выступающих кольцевых соединительных элементов, ограничивающих продольное движение теплового потока.

Известен наиболее близкий к заявляемому решению, выбранный в качестве ближайшего аналога теплообменник [6] с продольно-поперечным движением теплоносителя, включающий в себя цилиндрический корпус с торцевыми входным и выходным коллекторами и боковыми входным и выходным патрубками для теплоносителя, расположенный внутри корпуса пучок соединенных с коллекторами продольных труб, составленных из двух или более герметично стыкуемых отрезков, соединенных с помощью призматических или цилиндрических муфт, которые при объединении труб в пучок блокируются с муфтами соседних труб, образуя опорные элементы, препятствующие боковым и осевым смещениям; при этом призматические муфты при блокировке формируют трубные доски и частично пересекающие поперечное сечение корпуса перегородки, задающие поперечное движение теплоносителя, а цилиндрические муфты формируют прохладные участки с образующимися между стенками каналами для продольного движения теплоносителя. Трубы имеют ровную поверхность, а муфты охватывают трубы по периметру в виде колец. Наружный диаметр цилиндрических муфт равен диаметру окружности, вписанной в призму.

Выполнение труб из отдельных отрезков и формирование трубных досок и перегородок из плазматических муфт упрощат технологию изготовления, в частности, керамических трубчатых теплообменников и конструкцию, в частности, устройства соединения трубных досок и перегородок с трубами и корпусом.

Недостатками известного теплообменника являются низкая эффективность теплообмена и низкая компактность. Это связано с малой площадью теплообменных поверхностей из-за отсутствия оребрения труб и достаточно большим расстоянием между трубами из-за выступающих цилиндрических муфт, ограничивающих каналы для продольного движения теплоносителя. Отсутствие поперечных направляющих обусловливает неравномерность распределения потока внутри трубных секций и неравномерность обогрева труб, снижающие эффективность теплообмена.

Муфтовое с винтовой нарезкой соединение отрезков труб мало пригодно для керамических теплообменников.

Задачей изобретения является повышение компактности и эффективности теплообмена за счет увеличения теплообменных поверхностей без увеличения габаритов и повышения равномерности обтекания труб тепловым потоком.

Поставленная задача решается за счет того, что трубчатый теплообменник, включает в себя цилиндрический корпус с торцевыми входным и выходным коллекторами для обогреваемой среды и боковыми входным и выходным патрубками для теплоносителя, расположенный внутри корпуса пучок соединенных с коллекторами продольных труб, составленных из двух или более герметично стыкуемых отрезков, концевые соединительные элементы которых имеют призматическую или цилиндрическую форму и при объединении труб в пучок блокируются с концевыми элементами соседних труб, образуя опорные элементы, препятствующие боковым и осевым смещениям; при этом призматические концевые элементы при блокировке формируют трубные доски и частично перекрывающие поперечное сечение корпуса перегородки, задающие поперечное движение омывающему трубы теплоносителю, а цилиндрические концевые элементы формируют проходные участки с образующимися между их стенками каналами для продольного движения теплоносителя. В соответствии с изобретением. В нем трубы выполнены с оребрением в виде кольцевых выступов, призматические и цилиндрические концевые элементы выполнены за одно целое с концами трубных отрезков, образуют гнезда, в которые вставляются зауженные противоположные концы соединяемых отрезков, цилиндрические элементы имеют наружный диаметр, равный наружному диаметру труб без оребрения, а призматические элементы имеют диаметр вписанной в них окружности, равный наружному диаметру труб с оребрением.

В преимущественном варианте выполнения изобретения образующие перегородки участки и проходные участки поочередно расположены по периферии и по центру поперечного сечения корпуса.

В преимущественном варианте выполнения изобретения трубы выполнены из керамики и концы отрезков герметично скреплены в гнездах спеканием высокотемпературной глазури.

В преимущественном варианте выполнения внутренние поверхности труб снабжены продольным оребрением в виде пазов и выступов.

За счет совокупности отличительных признаков заявляемого технического решения значительно увеличивается площадь теплообменных поверхностей без увеличения габаритов теплообменника.

Увеличение площади теплообменных поверхностей достигается за счет оребрения труб в виде кольцевых выступов. При этом при диаметре оребрения труб, равном диаметру окружности, вписанной в призматический элемент, и блокирование этих элементов в трубные доски трубы в пучке соприкасаются ребрами друг с другом, образуя множество как продольных, так и поперечных каналов. Исключение составляют стыки труб с цилиндрическими концевыми элементами, диаметр которых равен диаметру труб без оребрения, оставляющими широкие каналы для протекания теплоносителя в продольном направлении. Эти каналы расположены в местах поворота теплового потока из поперечного направления в продольное и обеспечивают легкое втекание его в зону распределения и эффективного теплообмена. При этом сужение продольных каналов за счет оребрения компенсируется поперечными каналами, образованными этим же оребрением, в которые перетекает часть теплового потока. За счет этого повышается равномерность распределения потока по образованной трубной секцией зоне с омыванием большего количества труб, что обеспечивает оптимальный теплообмен.

Наиболее эффективно процесс распределения потока и обтекания труб протекает при поочередном расположении перегородок по периферии и по центру. При этом достигается естественная при расширении и сжатии потока равномерность его распределения по проходному сечению, в частности, от центра к периферии, и наоборот.

Максимальный теплообмен осуществляется при выполнении труб как с внешним, так и внутренним оребрением.

Максимальный эффект заявляемого технического решения достигается при выполнении теплообменника из керамики. За счет сборки трубных пучков из малых трубных элементов без муфт значительно упрощается технология их изготовления.

На фиг. 1 показан трубчатый теплообменник с продольно-поперечным движением теплоносителя; на фиг. 2 трубная доска, вид А-А; на фиг. 3 - сечение Б-Б теплообменника по перегородке с проходным участком по центру; на фиг. 4 сечение Б-Б теплообменника по перегородке с проходным участком по периферии; на фиг. 5 составной отрезок оребренной керамической трубы с призматическим концевым элементом; на фиг. 6 вид отрезка трубы фиг. 5 по стрелке Г; на фиг. 7 составной отрезок оребренной керамической трубы с цилиндрическим концевым элементом; на фиг. 8 вид отрезка трубы фиг. 7 по стрелке Д; на фиг. 9 элемент пары расположенных рядом керамических труб, вид сбоку.

Трубчатый керамический теплообменник (фиг. 1 4) включает в себя цилиндрический корпус 1 с торцевыми входным и выходным коллекторами 2 и 3 для обогреваемой среды и боковыми входным и выходным патрубками 4 и 5 для теплоносителя, расположенный внутри корпуса пучок соединенных с коллекторами керамических труб 6, составленных из нескольких герметично стыкуемых отрезков /фиг. 5 8/, концевые соединительные элементы которых имеют призматическую 7 или цилиндрическую 8 форму. При объединении труб в пучок концевые элементы соседних труб блокируются, образуя опорные элементы, препятствующие боковым и осевым смещениям. При этом призматические концевые элементы 7 при блокировке формируют трубные доски 9 /фиг. 2/ и частично перекрывающие поперечное сечение перегородки 10 /фиг. 3 4/, задающие поперечное движение омывающему трубы теплоносителю, а цилиндрические концевые элементы 8 формируют проходные участки 11 с образующимися между их стенками каналами для продольного движения теплоносителя. Образующие перегородки 10 участки и проходные участки 11 поочередно расположены по периферии и по центру поперечного сечения корпуса. Трубы выполнены с оребрением 12 в виде кольцевых выступов и внутренним продольным оребрением 13 в виде пазов и выступов. Призматические 7 и цилиндрические 8 концевые элементы выполнены за одно целое с концами трубных отрезков, образуют гнезда 14, в которые вставляются зауженные противоположные концы соединяемых отрезков. Цилиндрические элементы 8 имеют наружный диаметр, равный наружному диаметру труб без оребрения, а призматические элементы 7 имеют диаметр вписанной в них окружности, равный диаметру труб с оребрением 12.

В теплообменнике реализуется встречное продольное /сверху вниз, из коллектора 2 в коллектор 3/ движение обогреваемой среды и продольно-поперечное /зигзагообразно снизу вверх, из патрубка 4 в патрубок 5/ движение теплоносителя. Поступающий через патрубок 4 горячий газ распространяется, обтекая трубы 6, внутри нижней секции, образованной трудной доской и перегородкой, поднимается вверх и под действием тяги, сжимаясь, проходит через проходной участок 11 и снова распространяется, проходя по продольным и поперечным каналам, образованным внешним оребрением во второй секции. Протекая таким образом через все проходные участки, поток горячего газа несколько раз зигзагообразно обтекает трубы, отдавая им тепло, и вытекает через патрубок 5. При этом соприкасающиеся ребрами трубы оптимально повышают площадь теплообменных поверхностей, не увеличивая габаритов теплообменника. Цилиндрические концевые элементы, диаметр которых равен диаметру труб без оребрения, создают широкие проходные каналы, обеспечивая оптимальные условия на участках перетекания потока из одной трубной секции в другую.

Заявляемое техническое решение полностью решает поставленную задачу.

Характеризующийся указанными отличительными признаками трубчатый теплообменник в настоящее время в Российской Федерации и за границей не известен и отвечает критерию "новизна".

Заявляемое техническое решение является оригинальным, за счет оптимизации конструктивного выполнения отдельных узлов и их компоновки обеспечивает по сравнению с известными техническими решениями, значительное повышение эффективности теплообмена, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники и отвечает критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый трубчатый теплообменник может изготавливаться промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий, материалов и комплектующих, предназначен для использования в различных отраслях промышленности и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".

Использование: в различных областях промышленности, преимущественно в керамических трубчатых теплообменниках, предназначенных для работы с высокотемпературными и агрессивными рабочими средами. Сущность изобретения: трубчатый теплообменник включает в себя цилиндрический корпус с торцевыми входным и выходным коллекторами для обогреваемой среды и боковыми входным и выходным патрубками для теплоносителя, расположенный внутри корпуса пучок соединенных с коллекторами продольных труб, составленных из двух или более герметично стыкуемых отрезков, концевые соединительные элементы которых имеют призматическую или цилиндрическую форму и при объединении труб в пучок блокируются с концевыми элементами соседних труб, образуя опорные элементы, препятствующие боковым и осевым смещениям; при этом призматические концевые элементы при блокировке формируют трубные доски и частично перекрывающие поперечное сечение перегородки, а цилиндрические концевые элементы формируют проходные участки. Трубы выполнена с оребрением в виде кольцевых выступов, призматические и цилиндрические концевые выступы выполнены за одно целое с концами трубных отрезков и образуют гнезда, в которые вставляются зауженные противоположные концы соединяемых отрезков, цилиндрические элементы имеют наружный диаметр, равный наружному диаметру труб без оребрения, а призматические элементы имеют диаметр вписанной в них окружности, равный диаметру труб с оребрением. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Трубчатый теплообменник, включающий в себя цилиндрический корпус с торцевыми входным и выходным коллекторами для первой теплообменной среды, в частности обогреваемой среды, и боковыми входным и выходным патрубками для второй теплообменной среды, в частности теплоносителя, расположенный внутри корпуса пучок соединенных с коллекторами продольных труб, составленных из двух или более герметично стыкуемых отрезков, концевые соединительные элементы которых имеют призматическую или цилиндрическую форму и при объединении труб в пучок блокируются с концевыми элементами соседних труб, образуя опорные элементы, препятствующие боковым и осевым смещениям, при этом призматические концевые элементы при блокировке формируют трубные доски и частично перекрывающие поперечное сечение корпуса перегородки, задающие поперечное движение омывающему трубы теплоносителю, а цилиндрические концевые элементы формируют проходные участки с образующимися между их стенками каналами для продольного движения теплоносителя, отличающийся тем, что трубы выполнены с оребрением в виде кольцевых выступов, призматические и цилиндрические концевые элементы выполнены за одно целое с концами трубных отрезков и образуют гнезда, в которые вставляются зауженные противоположные концы соединяемых отрезков, цилиндрические элементы имеют наружный диаметр, равный наружному диаметру труб без оребрения, а призматические элементы имеют диаметр вписанной в них окружности, равный наружному диаметру труб с оребрением. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что образующие перегородки участки и проходные участки поочередно расположены по периферии и по центру поперечного сечения корпуса. 3. Теплообменник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что трубы выполнены из керамики и концы отрезков герметично скреплены в гнездах спеканием высокотемпературной глазури. 4. Теплообменник по п.1 или пп.1 3, отличающийся тем, что внутренние поверхности труб снабжены продольным оребрением в виде пазов и выступов.