ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2000 года по МПК F28D7/02 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в теплообменниках как с жидким, так и газообразным теплоносителем.

Известны теплообменники и парогенераторы, теплообменная поверхность которых выполнена из отдельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, оси которых параллельны (см., SU N 532744 А, 21.10.76, F 28 D 7/00; RU 1468150 C 30.09.94 F 28 D 7/00; RU 2006777 C1, 30.01.94, F 28 D 5/02; DE 3421421 A1, 03.01.85; EP 0751363 A1, 02.01.97, F 28 D 7/02). Недостатками вышеуказанных конструкций является неэффективное заполнение теплообменной поверхностью корпуса теплообменного аппарата и слабая турбулизация теплоносителя по межтрубному пространству.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является теплообменник по DE 3026954 C2, 09.05.85, F 28 D 7/02. Данный теплообменник содержит расположенный в кожухе пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, витки змеевиков которых заведены между витками смежных змеевиков.

Недостатком данной конструкции является узкий диапазон ее использования при оптимальных теплогидравлических характеристиках теплообменника. При изменении теплофизических свойств теплоносителей, когда необходимо увеличить или уменьшить относительное проходное сечение, змеевики вынуждены раздвигать или сдвигать, не изменяя диаметра навивки. Расстояние между осями змеевиков зависит только от шага навивки, что приводит к коридорному расположению змеевиков или вырождению в прямотрубный пучок. В результате этого оптимальные теплогидравлические характеристики ухудшаются.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение надежности и эффективности работы при изменении теплофизических свойств теплоносителей.

Технический результат от использования изобретения заключается в получение такой геометрии пучка змеевиков, при которой высокая надежность конструкции сочетается с максимальной эффективностью теплообмена при минимальном гидравлическом сопротивлении для различных параметров теплофизических свойств теплоносителей.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменнике, содержащем расположенный в кожухе пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, витки змеевиков которых заведены между витками смежных змеевиков, они расположены по равносторонней треугольной сетке, с шагом между витками в змеевике, определяемым по формуле

где H - шаг между витками змеевиков;
T - расстояние между осями смежных змеевиков;
D - диаметр витков по средней линии;
d - наружный диаметр трубы змеевика;
C - безразмерный коэффициент, при этом оптимальное расстояние между осями смежных змеевиков определяется соотношением

где К - коэффициент, равный 2, 3 или 3, или 4, или 5 или 6, причем минимальный средний диаметр навивки змеевиков определяется соотношением
D_min= d×(d/δ)^0,7,
где δ - толщина стенки трубки.

Наружный кожух теплообменника выполнен с гофрами, расположенными перпендикулярно осям спиралей змеевиков и заведенных между витками крайних змеевиков пучка, причем расстояние между гофрами равно шагу навивки змеевиков, а высота гофр определяется соотношением
h = 0,5 (D + d - 0,866T)
На фиг. 1 изображен теплообменник, продольный разрез;
на фиг. 2 - сечение змеевика;
на фиг. 3 - продольное сечение пучка змеевиков с кожухом;
на фиг. 4 - поперечное сечение пучка змеевиков при к = 2, 3;
на фиг. 5 - поперечное сечение пучка змеевиков при к = 3;
на фиг. 6 - поперечное сечение пучка змеевиков при к = 4;
на фиг. 7 - поперечное сечение пучка змеевиков при к = 5;
на фиг. 8 - поперечное сечение пучка змеевиков при к = 6.

Теплообменник содержит расположенный в кожухе пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, витки змеевиков которых заведены между витками смежных змеевиков.

Теплообменник содержит пучок змеевиков 1 с малым радиусом гиба, расположенных в корпусе 2 с патрубками подвода 3, отвода 4 среды I контура, которые объединены трубными решетками 5, 6 с примыкающими к ним коллекторными камерами 7, 8 подвода отвода среды II контура и обжатыми кожухом 9. Кожух 9 выполнен гофрированным.

Теплообменник работает следующим образом.

Среда I контура поступает в межтрубное пространство и, двигаясь вдоль пучка змеевиков 1, отдает или получает тепло и отводится через патрубок.

Среда II контура поступает в камеру подвода среды, распределяется по змеевикам и, двигаясь навстречу среде I контура, получает или отдает тепло, собирается в камере и отводится.

При навивке трубы в змеевик происходит пластическая деформация стенки (см. фиг.2), при которой толщина стенки змеевика, расположенная к центру от средней линии навивки змеевика, увеличивается, а в противоположном направлении от средней линии - уменьшается от номинальной. Эти изменения тем больше, чем меньше диаметр навивки. Возникающие в стенке напряжения определяются по формулам:
σ = Eε,
где σ - напряжение в материале стенки;
ε = 1+d/D - относительное утонение - сжатие стенки;
E - модуль упругости (модуль Юнга)
σ = N/F,
где N - сила деформации змеевика;
F - площадь деформируемого элемента.

Как видно из формул, напряжения в стенке трубы змеевика прямо пропорциональны наружному диаметру трубки и обратно пропорциональны толщине стенки. Как видно из фиг. 2, напряжения на наружной и внутренней линиях змеевика, возникающие при навивке, направлены внутрь трубы и при достижении предельных приводят к потере ее устойчивости.

В результате многочисленных опытно-экспериментальных исследований с различными диаметрами навивки, диаметра трубы и толщины ее стенки была определена следующая зависимость
D_min= d(d/δ)^0,7,
где D_min - минимальный средний диаметр навивки змеевиков; δ - толщина стенки трубы.

Минимальный диаметр навивки прямо пропорционален наружному диаметру трубы, обратно пропорционален толщине стенки. Предлагаемая зависимость позволяет определить диаметр навивки при выбранных диаметре трубки и ее толщине. При навивке змеевика происходит также изменение сечения трубки, из круглого в овальное, которое учитывает коэффициент C в формуле определения шага навивки H. Овальность зависит от D, d, δ и изменяется от 1,12 при D ≅ D_min до 1 при D >> D_min.

Для обеспечения требуемых гидравлических сопротивлений по межтрубному пространству и, соответственно, проходных сечений выбирается шаг компоновки змеевиков в соответствии с формулой
Т= 2D/K,
где К = 2, 3 или 3, или 4, или 5, или 6, причем D ≥ D_min.

В этом случае теплообменная поверхность равномерно располагается в активном объеме, что позволяет получить оптимальные условия обтекания пучка змеевиков для различных теплоносителей.

Теплоноситель, двигаясь по межтрубному пространству, разбивается на отдельные струйки, которые, постоянно закручиваясь и перемешиваясь, обтекают змеевик снаружи и внутри, и расход струек пропорционален поверхности теплообмена. Это позволяет выравнивать температуру стенки по периметру трубы и повысить эффективность использования теплообменной поверхности.

Таким образом, появилась возможность в соответствии с заданными теплогидравлическими параметрами получать оптимальные массогабаритные характеристики теплообменного оборудования, тем самым расширить диапазон использования теплообменника при оптимальных теплогидравлических характеристиках теплообменника.

Для обеспечения надежного дистанционирования змеевиков при равномерном распределении в пучке по треугольной сетке по краям пучок обжимают кожухом. При обжатии пучка кожухом крайние змеевики оказываются в неодинаковых условиях по сравнению с теми, что расположены в центре пучка. Как видно из фиг. 3, крайние змеевики только на половину заходят в смежные змеевики, расположенные к центру.

1/2 F_зм ≥ 1/2 S_яч,
где F_зм - площадь поверхности змеевика;
S_яч - площадь поперечного сечения пучка, соответствующая одному змеевику.

Вторая половина змеевика располагается на площади, равной
l/2F_зм ≥ T(D + d)/2.

Для получения одинаковых условий для змеевиков всего пучка кожух предлагается выполнять с гофрами, выполненными с шагом, равным шагу навивки змеевиков, расположенными перпендикулярно осям спиралей змеевиков и высотой гофры h.

Высота гофр кожуха определяется по формуле h = 0,5 (D + d- S_яч/Т),
где S_яч = 0,866 Т² - площадь поперечного сечения трубного пучка, соответствующая одному змеевику
h = 0,5 (D + d- 0,866 Т).

Гофры кожуха выполняют роль вытеснителей для выравнивания скоростей теплоносителя по всему сечению пучка змеевиков, а также служат для увеличения жесткости кожуха. Последнее условие позволяет выполнять кожух из листа меньшей толщины, что снижает общую массу теплообменника.

Промышленная применимость очевидна. Испытания предлагаемого решения осуществлены в ООО НПЦ "Анод" и показали положительные результаты. Использование изобретения не требует специального оборудования и может быть осуществлено на обычных металлорежущих станках.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Устройство предназначено для применения в области энергетики, а именно в теплообменниках как с жидким, так и газообразным теплоносителем. Теплообменник содержит расположенный в кожухе пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, заведенными между витками смежных змеевиков, расположенных по равносторонней треугольной сетке, с шагом между витками в змеевике, определяемым по формуле:

Наружный кожух выполнен с гофрами, расположенными перпендикулярно осям спиралей змеевиков и заведенных между витками крайних змеевиков пучка, причем расстояние между гофрами равно шагу навивки змеевиков, а высота гофр h определяется соотношением: h = 0,5 (D+d - 0,866 Т). Техническим результатом изобретения является получение такой геометрии пучка змеевиков, при которой высокая надежность конструкции сочетается с максимальной эффективностью теплообмена, при минимальном гидравлическом сопротивлении для различных параметров и теплофизических свойств теплоносителей. 1 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Теплообменник, содержащий расположенный в кожухе пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, витки змеевиков которых заведены между витками смежных змеевиков, отличающийся тем, что витки змеевиков расположены по равносторонней треугольной сетке, с шагом между витками в змеевике, определяемым по формуле

где Н - шаг между витками змеевиков;
Т - расстояние между осями смежных змеевиков;
D - диаметр витков по средней линии;
d - наружный диаметр трубы змеевика;
С - безразмерный коэффициент,
причем расстояние между осями смежных змеевиков определяется соотношением
Т = 2 D/К,
где К - коэффициент, равный 2,3 или 3, или 4, или 5, или 6, при этом минимальный средний диаметр навивки змеевиков D_min определяется соотношением
D_min= d×(d/δ)^0,7,
где δ - толщина стенки трубы. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что кожух теплообменника выполнен с гофрами, расположенными перпендикулярно осям спиралей змеевиков и заведенных между витками крайних змеевиков пучка, причем расстояние между гофрами равно шагу навивки змеевиков, а высота гофр h определяется соотношением
h = 0.5 x (D + d - 0,866 Т).