КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D7/00 F28F9/24 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности, использующих теплообменное оборудование.

Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий установленный внутри кожуха трубный пучок и размещенные в межтрубном пространстве поперечные перегородки, примыкающие на части периметра к кожуху и образующие с ним остальной частью периметра канал для прохода теплоносителя [1]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства,относится то, что в известном устройстве достигаются невысокие степени турбулизации рабочей среды в межтрубном пространстве.

Известен кожухотрубный теплообменник, с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, имеющими отверстия, в которых трубы установлены с зазором, причем каждое отверстие в перегородках выполнено с отогнутыми кромками, сужающимися в направлении движения среды межтрубного пространства и образующими сопло, при этом суммарная площадь входных сечений всех сопел каждой перегородки составляет 1/3 1/6 площади живого сечения кожуха, а расстояние между перегородками в 7-10 раз больше величины радиуса входного сечения сопла [2]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве при истечении струи из сопла отсутствует заметное вихреобразование, скорость же струи быстро падает и турбулизуется среда недостаточно.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту, по совокупности признаков принятым за прототип, является кожухотрубный теплообменник, содержащий размещенные в межтрубном пространстве и перекрывающие проходное сечение кожуха поперечные перегородки с отбортовками отверстий под трубы в виде сопел, в которых трубы установлены с зазором, при этом отбортовки отверстий в перегородках выполнены с углом наклона стенок к трубам, равным 20-80^o, по меньшей мере часть перегородок выполнена с дополнительными отверстиями, центры которых равноудалены от центров соседних отверстий под трубы, причем дополнительные отверстия в перегородках выполнены в отбортовками, например, в виде сопел [3]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что и в этом известном устройстве турбулизация среды недостаточна.

Сущность изобретения заключается в следующем. Возможным и технически реализуемым способом повышения интенсивности процесса теплопередачи между двумя текучими средами, разделенными твердой перегородкой, и обусловленного этим улучшения весогабаритных характеристик теплообменного оборудования является турбулизация рабочих потоков.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в интенсификации теплообмена путем турбулизации рабочих потоков на системе локальных гидродинамических сопротивлений.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в увеличении коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, в уменьшении требуемой поверхности теплообмена.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кожухотрубном теплообменнике, содержащем размещенные в межтрубном пространстве и перекрывающие проходное сечение кожуха поперечные перегородки с отбортовками отверстий под трубы в виде сопел, в которых трубы установлены с зазором, при этом отбортовки отверстий в перегородках выполнены с углом наклона стенок сопел к трубам, равным 20-80^o, а также по меньшей мере часть перегородок выполнена с дополнительными отверстиями, центры которых равноудалены от центров соседних отверстий под трубы, причем дополнительные отверстия в перегородках выполнены с отбортовками, например, в виде сопел:
перегородки с отбортовками отверстий заменены на плоские поперечные перегородки с круглыми отверстиями для прохода теплоносителя, причем каждое отверстие перегородки со стороны потока сопряжено с диффузором, сужающимся в направлении против потока, при этом угол раскрытия диффузора составляет 50-160^o, а соотношение площадей полного проходного сечения межтрубного пространства и минимального проходного сечения межтрубного пространства в местах входа в диффузоры n составляет не менее 1,5 (или площадь минимального проходного сечения составляет не более 2/3 от площади полного проходного сечения);
отверстия перегородки для прохода теплоносителя могут быть размещены между трубами, при этом центры этих отверстий равноудалены от центров отверстий под трубы;
отверстия перегородки для прохода теплоносителя могут быть совмещены с отверстиями под трубы, в которых трубы устанавливаются с зазором.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков, перечисленных выше и вышеизложенным техническим результатом, состоит в следующем. Сопряжение отверстий плоской поперечной перегородки раскрытия 50-160^o при соотношении площадей полного и минимального проходных сечений n≥1,5 приводит к возникновению рециркуляционного характера течения, к образованию, отрыву и переносу по потоку турбулентных вихрей, следствием чего является интенсивная турбулизация рабочей среды, при этом генерация, диффузия и диссипация турбулентности определяется также и свойствами среды (вязкостью, плотностью).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразователей на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнения известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части средства с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
увеличение количества однотипных элементов для усилия технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 представлен фрагмент перегородки с трубами, продольный разрез (трубы размещены в вершинах квадрата); на фиг. 2 то же, вариант исполнения, отличающийся тем, что отверстия перегородки для прохода теплоносителя совмещены с отверстиями под трубы, в которых трубы устанавливаются с зазором.

Теплообменник содержит размещенный в межтрубном пространстве трубный пучок 1 и перекрывающие проходное сечение межтрубного пространства поперечные перегородки 2 с диффузорными каналами 3.

Теплообменник работает следующим образом. Поток рабочей среды межтрубного пространства омывает трубы 1, испытывает сужение и расширение при прохождении им диффузорных каналов 3 поперечной перегородки 2, ниже которых по потоку возникают зоны завихрений и течение приобретает рециркуляционный характер. Поток рабочей среды интенсивно турбулизуются, возрастают скорости турбулентных процессов переноса, увеличиваются тепловые потоки на теплопередающие стенки труб, что приводит к росту коэффициентов теплоотдачи, уменьшению термического сопротивления теплопередаче, теплообмен интенсифицируется.

На фиг. 3 приведены расчетные данные для потока воды, показывающие зависимость от соотношения площадей n отношения среднего коэффициента теплоотдачи α*дифф

после прохождения потоком диффузорного канала к среднему коэффициенту теплоотдачи α_глад для стабилизированного течения в межтрубном пространстве без перегородок. Здесь: R_e=10⁴; Φ_дифф = 90^° кривая 1 соответствует расстоянию, отсчитываемому от перегородки, равному деияяти, кривая 2 шести, кривая 3 трем эффективным диаметром межтрубного пространства.

На фиг. 4 приведены расчетные данные для потока воды, показывающие зависимость от угла раскрытия диффузора Φ_дифф отношение среднего коэффициента теплоотдачи α*дифф

потока после прохождения им диффузорного канала, к среднему коэффициенту теплоотдачи α*глад для случая круглого отверстия в плоской перегородке с площадью сечения, равной площади входного сечения диффузора Φ_дифф = 180^° Здесь: Re=10⁴; расстояние отсчитывается от плоскости перегородки и равно трем эффективным диаметрам; кривая 1 соответствует значению (1/n)^0,5=0,8; кривая 2 (1/n)^0,5=0,3.

Данные, приведенные на фиг. 3 и 4, свидетельствуют, что существенное увеличение коэффициента теплоотдачи (в 2 и более раз) можно получить при соотношении площадей n≥1,5; при этом угол раскрытия диффузора, соответствующий максимальным значения коэффициента теплоотдачи (определяется также турбулизуемостью среды и зависит от таких ее свойств, как вязкость и плотность), составляет 50-160^o.

Однако при указанных выше значениях возрастают коэффициенты гидродинамического сопротивления. Тем не менее, регулируя шаг между перегородками, расход рабочей среды, а также соотношения площадей n и угол раскрытия диффузора в пределах указанных выше диапазонов их значений, учитывая также то обстоятельство, что коэффициент теплоотдачи пропорционален скорости в степени не выше первой, в перепад давления второй, можно значительно интенсифицировать теплообмен при непревышении допустимого значения перепада давления.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и в других отраслях, использующих теплообменное оборудование;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимости пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Использование: в теплотехнике, в частности, может найти применение в энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: теплообменник в межтрубном пространстве содержит поперечные перегородки 2, перекрывающие проходное сечение его кожуха и имеющие круглые отверстия для прохода теплоносителя, которые со стороны потока сопряжены с диффузорами 3, сужающимися в направлении против него. Угол раскрытия каждого диффузора 3 составляет 50-160^o, а площадь минимального проходного сечения межтрубного пространства (суммарная площадь входных сечений диффузоров) составляет не более 2/3 от площади полного проходного сечения межтрубного пространства. Отверстия перегородок 2 для прохода теплоносителя могут быть выполнены между трубами 1, а центры этих отверстий либо равноудалены от центров отверстий под трубы 1, либо совмещены с отверстиями под трубы 1, в которых последние установлены с зазором. Регулируя шаг между перегородками 2, расход рабочей среды, а также соотношение площадей и угол раскрытия диффузора в пределах указанных диапазонов их значений,можно значительно (в 2-3 и более раз) интенсифицировать теплообмен при непревышении допустимого значения перепада давления. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кожухотрубный теплообменник, содержащий размещенные в межтрубном пространстве и перекрывающие проходное сечение кожуха плоские поперечные перегородки с круглыми отверстиями для прохода теплоносителя, отличающийся тем, что каждое отверстие перегородки со стороны потока сопряжено с диффузором, сужающимся в направлении против потока, при этом угол раскрытия диффузора составляет 50 160^o, а площадь минимального проходного сечения межтрубного пространства в местах входа в диффузоры составляет не более 2/3 от площади полного проходного сечения межтрубного пространства. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что отверстия перегородки для прохода теплоносителя выполнены между трубами, при этом центры этих отверстий равноудалены от центров отверстий под трубы. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что отверстия перегородки для прохода теплоносителя совмещены с отверстиями под трубы, в которых трубы устанавливаются с зазором.