КОЖУХОТРУБНЫЙ ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1998 года по МПК F28D7/02 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных областях промышленности, где применяют теплообменники для высокотемпературного нагрева вязких жидкостей высокого давления.

Известны кожухотрубные теплообменики змеевикового типа (Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам. М. Машиностроение, 1989, с. 59, рис. 1.16, 1.17), в которых один теплоноситель движется внутри труб змеевика, а второй по каналу, образованному корпусом и витками его труб, омывая их наружную поверхность.

Смежные витки змеевика выполняют с одинаковым диаметром навивки (Андреев В. А. Судовые теплообменные аппараты. Л. Судостроение, 1968, с. 15, рис. 28) или различным в технических решениях по авт.св. СССР N 1223010, F 28 D 7/02 от 26.10.84. по патенту США N 4557323, F 28 D 7/04 от 10.12.85).

Применение змеевиков обеспечивает компенсацию температурных расширений, снижение напряжений в узлах заделки труб в трубных досках. Изменение диаметра навивки смежных витков способствует турбулизации потока среды на внешней стороне змеевиков.

Однако сравнительно малые скорости смывания витков змеевика, обусловленные большой площадью живого сечения корпуса теплообменника с установленным внутри его змеевиком, не позволяют получить высоких коэффициентов теплоотдачи, малые массу и габариты теплообменника. Это связано с технологическим процессом навивки труб, в соответствии с которым минимальный радиус гиба должен быть более (1,5. 2) d, где d наружный диаметр трубки змеевика.

Многослойная навивка труб змеевиковой матрицы типа "Жиак-Хэмпсон" (Андреев В. А. рис. 81) приводит к уменьшению живого сечения для прохода внешнего теплоносителя, росту его скорости и теплоотдачи к наружной поверхности змеевика. Однако в этом случае увеличивается диаметр корпуса теплообменника, что при высоких давлениях сред потребует пропорционального роста толщины его стенки (Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. М. Энергия, 1980, с. 354, формула 5-17), следовательно, массы теплообменника в целом.

Росту теплоотдачи к наружной поверхности змеевика способствует размещение подводных и отводных труб и/или вытеснителей различного конструктивного выполнения в его внутреннем канале (патент РФ N 2036406 от 24.02.93. F 28 D 7/02; авт.св. СССР N 328314 от 18.06.69. F 28 D 7/08, F 25 B 5/00).

Однако турбулизирующее воздействие этих вытеснителей сказывается в основном на потоке теплоносителя, движущемся во внутреннем канале змеевика, оказывая сравнительно слабое влияние на поток, перемещающийся в кольцевом канале между корпусом и змеевиком и омывающий большую площадь поверхности змеевика.

Конфузорно-диффузорная форма канала, в котором размещен змеевик (авт.св. СССР N 1423906 от 10.03.86 от F 28 D 7/02), за счет создания неоднородности поля давлений приводит к интенсификации теплообмена с наружной стороны витков змеевика, но в основном способствует самоочистке поверхности змеевика от осевших частиц под действием динамического напора движущегося газового потока аэрозолей и вибрации змеевика.

Применение корпуса сложной формы с конфузорно-диффузорными участками приводит к увеличению его наружного диаметра, что при высоких давлениях рабочих сред потребует увеличения толщины стенок корпуса (Антикайн П.А. с. 354), массы и габаритов теплообменника.

Искусственная вибрация змеевика, вызванная динамическим воздействием периодического изменения поля давлений в движущемся газовом потоке, оказывает негативное влияние на узлы заделки труб, что снижает их надежность, особенно в теплообменниках с высоким давлением рабочих сред.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменник по авт.св. СССР N 885795, F 28 F 1/10, 1981, содержащий змеевик из труб с рифлением сферического профиля.

Однако наличие рифлений на внутренней стенке змеевика незначительно улучшает теплообмен, но приводит к существенному росту гидравлического сопротивления труб, что в целом снижает энергетическую эффективность теплообменника. Кроме того, выполнение рифлений по всей поверхности труб змеевика перед последующей навивкой может привести к появлению микротрещин со стороны внутренней поверхности змеевика, увеличению выхода бракованных изделий, невозможности использования теплообменника для высоких давлений рабочих сред, к снижению его надежности. Поэтому целесообразно стенки труб со стороны внутреннего канала змеевика оставлять гладкими, без рифлений.

Целью изобретения является интенсификация теплообмена, снижение массы и габаритов теплообменника.

Поставленная цель достигается тем, что кожухотрубный змеевиковый теплообменник, содержащий корпус, во внутренней полости которого размещен вытеснитель с навитым на нем одно- или многозаходным змеевиком из труб, имеющих на внешней поверхности со стороны, обращенной к корпусу, рельеф в виде системы полусферических лунок, образующих на внутренней стенке труб плавно очерченные выступы, расположен с зазором относительно стенки корпуса, а на наружной стенке последнего выполнен рельеф в виде системы полусферических лунок, формирующих на его внутренней стенке плавно очерченные выступы, центры которых расположены по винтовой линии с шагом, равным шагу винтовой линии змеевика
H = H_з = πd_з•tgϕ,
где ϕ угол подъема винтовой линии змеевика;
d_з средний диаметр навивки труб змеевика;
H, H_з шаги подъема винтовых линий размещения центров выступов на внутренней стенке корпуса и труб змеевика;
с диаметром основания выступов на внутренней стенке корпуса меньше шага между витками труб змеевика
d_В<S,
S H_з/n.

где d_В диаметр основания выступов на внутренней стенке корпуса;
S шаг между витками змеевика;
H_з шаг винтовой линии змеевика;
n число заходов змеевика;
с высотой выступов на внутренней стенке корпуса меньше толщины зазора между этой стенкой и змеевиком
h_В<(d-d_з-d_тр)/2,
составляющей (0,05.0,1)d_В,
где d_В, h_В диаметр и высота плавно очерченных выступов на внутренней стенке корпуса;
d внутренний диаметр корпуса;
d_з средний диаметр навивки труб змеевика;
d_тр наружный диаметр труб змеевика.

Наличие на стенках щелевых каналов полусферических выступов с указанным соотношением геометрических характеристик (h_в/d_в= 0,05.0,1) приводит к турбулизации потока, интенсификации теплообмена при умеренном росте гидравлического сопротивления каналов (Дрейцер Г. А. Проблема создания компактных трубчатых теплообменных аппаратов. Теплоэнергетика, N 3, 1995, с. 13).

Размещение выступов по винтовой линии с тем же шагом, что и шаг винтовой линии змеевика, поддерживает закрутку потока теплоносителя, способствует формированию смерчевых структур, образующихся при омывании полусферических лунок, расположенных на наружной поверхности труб змеевика, обращенной к его корпусу (Кикнадзе Г. И. и др. Исследование процессов тепломассообмена при обтекании потоками воды и воздуха трехмерных вогнутостей в виде сферических лунок на исходно гладких поверхностях. Отчет N 10774 от 18.10.86 ИАЭ, ЦИАМ, КНПО "Труд", с.141).

Кроме того, одинаковость шагов винтовых линий центров выступов и змеевика при условии, когда диаметр основания выступа меньше шага между витками, а высота выступа меньше толщины зазора, образованного внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью змеевика, обеспечивает возможность сборки-разборки теплообменника при ремонте или очистке поверхности теплообмена от загрязнений в процессе эксплуатации теплообменного аппарата.

Таким образом, примененное сочетание разных методов турбулизации потока жидкости приводит к стимуляции вихреобразования при обтекании лунок и плавно очерченных выступов закруткой потока, что дополнительно с высокой энергетической эффективностью (Беленький М.Я. и др. Теплогидравлические характеристики поперечно обтекаемых поверхностей с лунками. Теплоэнергетика, N 1, с. 49; Кузнецов Е.Ф. Интенсификация теплообмена в каналах воздухоподогревателей ГТУ. Тяжелое машиностроение, N 6, 1991. с. 9, рис.3) интенсифицирует теплообмен и является "сверхэффектом" рассматриваемого технического решения.

На фиг. 1, 2, 3 приведены продольный разрез, поперечное сечение и узел 1, иллюстрирующий расположение выступов корпуса и витков змеевика по высоте теплообменника, на фиг. 4, 5 развертка трубки змеевика, ее поперечное сечение с расположением рельефа относительно корпуса теплообменника; на фиг. 6, 7 развертки участка поверхности трубки змеевика с расположением лунок и поверхности корпуса с расположением выступов; на фиг. 8 сечение одного из выступов корпуса с указанием его основных размеров.

Кожухотрубный эмеевиковый теплообменник содержит корпус (1), во внутренней полости которого размещен вытеснитель (2) с навитым на нем одно- или многозаходным змеевиком (3) из труб (4), имеющих на внешней поверхности со стороны (5), обращенной к корпусу, рельеф в виде системы полусферических лунок (6), образующих на внутренней стенке труб плавно очерченные выступы (7), расположенным с зазором (8) относительно стенки корпуса, а на наружной стенке (9) последнего выполнен рельеф в виде полусферических лунок (10), формирующих на его внутренней стенке (11) плавно очерченные выступы (12), центры которых расположены по винтовой линии (13) с шагом, равным шагу винтовой линии (14) змеевика, диаметр основания которых на внутренней стенке корпуса меньше шага между витками (15) труб змеевика, а их высота меньше толщины зазора (8) между стенкой корпуса и змеевиком.

При работе теплообменника один теплоноситель (стрелка 15) поступает через входной патрубок в каналы труб (4) змеевика (3), закручивается, омывает поверхность плавно очерченных выступов (7) и через выпускной патрубок удаляется из теплообменника (стрелка 16).

Второй теплоноситель (стрелка 17) направляется внутрь корпуса (1), где теплоноситель распределяется на два потока, связанных друг с другом за счет перетечки теплоносителя через зазоры между витками (15) труб (4). Один поток движется во внутреннем канале змеевика, омывая поверхность вытеснителя (2) и внутреннюю стенку змеевика (3). Второй поток перемещается в кольцевом канале между стенкой корпуса (1) и наружной поверхностью змеевика (3), омывая плавно очерченные выступы (12) и стимулируя вихреобразование в лунках (6) на стенке змеевика. Вблизи выпускного патрубка потоки сливаются и через последний направляются к потребителю (стрелка 18).

Технико-экономический эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что за счет сочетания различных способов турбулизации потока в щелевых каналах интенсифицируется теплопередача, поэтому при неизменном тепловом потоке уменьшается поверхность теплообмена, повышается компактность теплообменника, снижается его масса.

Использование: в теплотехнике для высокотемпературного нагрева вязких жидкостей высокого давления. Сущность изобретения; теплообменник содержит корпус, во внутренней полости которого размещен вытеснитель с навитым на нем одно- и многозаходным змеевиком из труб, причем на внешней поверхности труб со стороны, обращенной к корпусу, и на наружной стенке корпуса выполнен рельеф в виде системы полусферических лунок, формирующих на их внутренних стенках плавно очерченные выступы. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Кожухотрубный змеевиковый теплообменник, содержащий корпус, во внутренней полости которого размещен вытеснитель с навитым на нем одно- и многозаходным змеевиком из труб, имеющих на внешней поверхности со стороны, обращенной к корпусу, рельеф в виде системы полусферических лунок, образующих на внутренней стенке труб плавно очерченные выступы, расположенным с зазором относительно стенки корпуса, отличающийся тем, что на наружной стенке последнего выполнен рельеф в виде системы полусферических лунок, формирующих на его внутренней стенке плавно очерченные выступы. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что центры плавно очерченных выступов на внутренней стенке корпуса расположены по винтовой линии с шагом, равным шагу винтовой линии змеевика
H = H_з= πd_з• tgϕ,
где ϕ - угол подъема винтовой линии змеевика;
d_з средний диаметр навивки труб змеевика;
H, H_з шаги подъема винтовых линий размещения центров выступов на внутренней стенке корпуса и труб змеевика. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что диаметр основания выступов на внутренней стенке корпуса меньше шага между витками труб змеевика:
d_в < S;
S H_з/n,
где d_в диаметр основания выступов на внутренней стенке корпуса;
S шаг между витками змеевика;
H_з шаг винтовой линии змеевика;
n число заходов змеевика. 4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что высота выступов на внутренней стенке корпуса меньше толщины зазора между этой стенкой и змеевиком
h_в <(d-d_з-d_тр)/ 2
где d_в, h_в диаметр и высота плавно очерченных выступов на внутренней стенке корпуса;
d внутренний диаметр корпуса;
d_з средний диаметр навивки труб змеевика;
d_т р наружный диаметр труб змеевика,
и составляет (0,05 0,1)d_в.