ТЕПЛООБМЕННАЯ СЕКЦИЯ Российский патент 2003 года по МПК F28D3/02 

Изобретение относится к трубчатым газожидкостным теплообменным аппаратам радиаторного типа и может быть преимущественно использовано в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) из оребренных труб, которые применяются в нефтеперерабатывающей, газовой и химической промышленности для охлаждения энергоносителей, жидких технологических продуктов и конденсации их паров, где охлаждающим агентом является воздух, а также может быть использовано в других отраслях промышленности для нагрева воздуха паром или водой в системах приточной вентиляции, в отопительно-вентиляционных агрегатах и пр.

Известна теплообменная секция (см. В.Б. Кунтыш, Н.М. Кузнецов. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения. СПб. : Энергоатомиздат, 1992. - С. 11-12), содержащая теплообменные оребренные трубы, шахматно расположенные в трубных решетках, жидкостные крышки с патрубками, ограждающие боковые листы. Теплообменные трубы имеют спиральные ребра одинаковой высоты. Трубы расположены в вершинах равностороннего треугольника с шагом S₁=S₂'=D+(2...3 мм), где S₁ - поперечный шаг; S₂' - диагональный шаг; D - наружный диаметр ребра.

Недостатками ее являются низкий коэффициент теплоотдачи по оребренной стороне, которая омывается воздухом. Ввиду вытеснения потока из межреберных полостей оребренных труб в свободное межтрубное пространство S₁ - D, которое имеет меньшее аэродинамическое сопротивление, теплоотдающая площадь обтекается воздухом с пониженной скоростью, что ухудшает коэффициенты теплоотдачи. Увеличение компактности трубного пучка теплообменной секции также ограничено величиной в 5...6%, так как для этой конструкции предельным шагом является S₁=S₂'=D. Но применение такого шага понижает эксплуатационную надежность секции, так как ребра соседних труб вследствие их провисания входят в зацепление, возможно их смятие, а из-за термических деформаций - выпучивание труб и их разрывы.

Известен пучок теплообменных труб по а.с. 705238, содержащий теплообменные трубы, расположенные параллельными рядами в шахматном порядке и снабженные наружными поперечными ребрами. Для повышения компактности пучка и интенсификации теплоотдачи, контакт между ребрами труб, расположенных в каждом поперечном ряду, осуществлен в точках соприкосновения наружного диаметра ребра D, то есть трубы размещены с поперечным шагом S₁=D, а контакт между ребрами смежных рядов выполнен по линии вырезов, имеющих глубину, равную 0,15...0,6 высоты ребра.

Применение предельно возможного шага S₁=D вызовет интенсификацию теплоотдачи с единицы теплоотдающей площади на указанную величину удаления площади оребрения, причем наиболее активной ее части за миделевым сечением трубы (боковые участки), которая характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи, в итоге повысится эффект интенсификации теплоотдачи, а теплосъем пучка уменьшится. В рассматриваемом случае имеется возможность уменьшения продольного шага S₂, но повышение компактности не достигается по следующей причине.

Известно, что компактность пучка равна
м²/м³,
где d_o=D-2h - диаметр по основанию ребра;
h - высота ребра;
ϕ - коэффициент оребрения.

Расчеты показывают, что вырезы площади поверхности ребер в большей мере уменьшают ϕ по сравнению с темпом уменьшения значения S₂. Также понижается эксплуатационная надежность трубного пучка по указанным выше причинам. Существенным недостатком является и нетехнологичность конструкции пучка из-за сложного профиля линии выреза на поверхности ребер труб и необходимого обеспечения высокого допуска при профилировании такого выреза, так как только при выполнении данного условия возможно осуществлять сборку пучка, чтобы ребра смежных труб контактировали по линиям вырезов.

Известен трубный пучок теплообменника по а.с. 1688095 с шахматной компоновкой труб, снабженных поперечными ребрами, каждое из которых выполнено в виде диска с сегментным вырезом, расположенным с тыльной стороны трубы. Для интенсификации процесса теплообмена и повышения компактности пучков сегментный вырез с хордой размещен по касательной к трубе, а трубы в пучке расположены с продольным шагом S₂, составляющим 0,77...1 максимального диаметра ребра D, и с поперечным шагом, составляющим 1,08...1,6 продольного шага S₂. Предложенная конструкция также обладает рядом недостатков, не позволяющих в полном объеме реализовать заявленные цели. При сегментном вырезе поверхности ребер с хордой, размещенной по касательной к трубе, наряду с "балластной" поверхностью теплообмена ребер, находящейся в аэродинамическом следе, удаляется и часть поверхности боковых участков, которая с высокой интенсивностью участвует в теплоотдаче. Это подтверждается и расчетами, которые свидетельствуют о следующем.

Для заявленных параметров ребер труб величина вырезанной площади поверхности теплообмена составляет 35...40% от всей теплоотдающей площади трубы. Это значит, что коэффициент оребрения ϕ труб с вырезом уменьшается в 1,34... 1,39 раза по сравнению со значением ϕ трубы с поперечными сплошными (необрезанными) ребрами. При этом интенсификация коэффициента теплоотдачи составляет лишь 1,13. . .1,23 раза. В итоге теплосъем с трубы с вырезом (а соответственно и всего пучка) будет меньше, чем исходной трубы с необрезанными ребрами. Увеличение компактности пучка реализуется меньшими значениями продольного шага S₂, так как отсутствие ребер в тыльной стороне трубы это позволяет выполнять практически без конструктивных сложностей. Уменьшение значения S₂ возможно в 1,21...1,26 раза по сравнению с исходным до обрезки ребер. Но так как значение ϕ уменьшилось в 1,34...1,39 раза, совершенно очевидно, что компактность пучка не будет больше исходной. Чтобы обеспечить одинаковые теплосъемы пучков с обрезанными ребрами и исходного, необходимо в рассматриваемой конструкции устанавливать дополнительный поперечный ряд труб, но это вызовет рост потерь давления воздуха и большие энергетические затраты на перемещение воздуха через пучок труб с обрезанными ребрами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому решению является теплообменная секция, включающая спирально-навитые, многозаходные, оребренные трубы, трубные доски, жидкостные крышки с патрубками (см. SU 1231369 А2, 15.05.1986). Основными недостатками прототипа являются:
1. Применение труб с ребрами одинаковой высоты не позволяет существенно увеличить компактность трубного пучка, поверхность теплообмена в неизменных габаритных размерах фронтального сечения и тепловую мощность Q.

2. Ограниченные возможности интенсификации теплоотдачи по воздушной стороне, повышенная материалоемкость оребрения, отсутствие возможности управлять ее снижением.

Наличие отмеченных недостатков подтверждается следующими расчетными и физическими объяснениями. В первую очередь проанализируем возможные изменения компоновочных параметров пучка с подогнутыми ребрами. Трубы с подогнутыми ребрами расположены в поперечных рядах с шагом S₁>D, а величина шага S₂ остается неизменной и равной ему до подогнутости ребер. Применительно к трубам D•d_o•h•s•Δ=58•32•13•5•1 мм со спиральными однозаходными ребрами высота сегмента подогнутых по линии хорды ребер составляет h_c=s=5 мм. Здесь d_o= D-2h, s - шаг ребер, Δ - толщина ребра, h - высота ребра. Тогда расстояние в поперечном сечении трубы между параллельными плоскостями подогнутых ребер будет D'=D-2h_c+2Δ=58-2•5+2•1=50 мм, шаг расположения труб принят S₁=72 мм, а до подгибки был S₁=80 мм, но шаг S₂=50 мм в обоих случаях постоянный. Коэффициент оребрения трубы со спиральными круглыми ребрами равен и остается неизменным после подгибки ребер на трубе. Коэффициент компактности пучка труб с подогнутыми ребрами

против

у пучка труб со спиральными ребрами до подгибки. Компактность пучка возросла лишь на 11%, то есть на величину, пропорциональную уменьшению шага от S₁ до шага труб с подогнутыми ребрами S_in, а именно S₁/S_in=80/72=1,11 раза. Переход на трубы с меньшим шагом ребер, например s=2,5 мм, что технологически возможно, приведет к еще меньшим значениям роста компактности пучка по той же причине, что в трубах с ребрами одинаковой высоты - высота подогнутого сегмента ребер не может быть больше шага ребра, то есть h_c≤s.

В неизменных габаритах фронтального сечения пучка у прототипа применение труб с подогнутыми ребрами позволяет увеличить поверхность теплообмена пучка лишь на 10...11%, так как в каждом поперечном ряду можно дополнительно разместить большее число оребренных труб только в S₁/S_in раз. Вследствие этого возможности увеличения тепловой мощности трубного пучка (секции) в постоянных габаритах ограничены указанными значениями роста теплоотдающей площади пучка труб.

Торцы подогнутых ребер труб турбулизируют поток воздуха, вызывая вихреобразование, но расположение труб в пучке с шагом S₁>D' не позволяет полностью реализовать потенциальные возможности интенсификации теплоотдачи от подгиба ребер. Основная масса воздуха при таких компоновках труб протекает вне межреберных каналов и не испытывает дополнительной турбулизации и воздействия краевых эффектов, вызываемых подогнутыми ребрами. Нереализованная возможность интенсификации теплоотдачи препятствует унижению материалоемкости поверхности теплообмена. Применение ребер равной высоты не позволяет локально повышать коэффициент эффективности группы ребер, доминирующее влияние на который оказывает именно высота, и тем самым дополнительно интенсифицировать коэффициент теплопередачи трубы наряду с его ростом от собственно интенсификации теплоотдачи по воздушной стороне вследствие применения труб с подогнутыми ребрами.

Задачей разработки конструкции теплообменной секции является интенсификация процесса теплоотдачи, увеличение компактности, тепловой мощности секции, снижение материалоемкости, повышение эксплуатационной надежности.

Поставленная задача достигается в теплообменной секции, включающей спирально-навитые, накатные оребренные трубы, трубные доски, жидкостные крышки с патрубками, боковые ограждающие листы, причем согласно изобретению оребренные трубы выполнены со спиральными многозаходными разновысокими ребрами, периодически чередующимися в зависимости от числа заходов, при этом высокие ребра выполнены однозаходными и отогнуты с противоположных сторон трубы по линии хорды, находящейся на расстоянии от оси трубы, равном половине наружного диаметра низкого ребра, при этом отогнутые сегменты высоких ребер находятся в плоскости, перпендикулярной фронтальной плоскости секции и параллельной оси трубы, а диаметр высоких ребер составляет D=d+2ns, где n ограничено соотношением (D-d_o)/(2s)>n≥2, а трубы расположены в каждом поперечном ряду вплотную с поперечным шагом
S_in=D'=d+2Δ,
где D - наружный диаметр высокого ребра;
d - наружный диаметр низкого ребра;
d_o - диаметр ребра у его основания;
s - шаг ребра;
n - общее целое число заходов ребер;
D' - расстояние между наружными поверхностями подогнутых ребер;
Δ - толщина высокого ребра;
S_in - поперечный шаг труб.

Отличительными признаками предлагаемой конструкции теплообменной секции по сравнению с прототипом является то, что труба снабжена спиральными ребрами разной высоты, при этом высокие ребра однозаходные, а низкие ребра могут быть как однозаходными, так и многозаходными, но общее число заходов ограничивается неравенством (D-d_o)/(2s)>n≥2, причем высокие ребра отогнуты с противоположных сторон трубы по линии хорды, находящейся на расстоянии, равном половине наружного диаметра низкого ребра. Отогнутые сегменты высоких ребер находятся в плоскости, параллельной оси трубы и перпендикулярной фронтальной плоскости секции. В поперечных рядах секции трубы расположены вплотную таким образом, что механический контакт между подогнутыми ребрами соседних труб осуществляется непосредственно их соприкосновением в плоскости, параллельной оси трубы. Следовательно, поперечный шаг расположения труб равен S_in= D'=D-2ns+2Δ. По сравнению с трубами, имеющими равновысокие подогнутые ребра, применение труб с однозаходными подогнутыми высокими ребрами и (n-1)-заходными низкими ребрами позволяет при d=const увеличить высоту h_c подогнутого сегмента ребра в n раз или при D=const уменьшить значение S_in на величину 2s(n-1) мм. В итоге компактность пучка существенно возрастает, несмотря на уменьшение коэффициента оребрения ϕ трубы с разновысокими ребрами по сравнению со значением ϕ идентичной (базовой) трубы в прототипе с равновысокими ребрами. Вышесказанное наглядно демонстрируется следующим сравнительным примером.

В секциях АВО широко применяются трубы со спиральными навитыми однозаходными алюминиевыми ребрами D•d_o•h•s•Δ=57•25,8•15,6•2,5•064 мм;
ϕ=21,2. Трубы располагаются в вершинах равностороннего треугольника с шагом S₁= S₂'= 63,5 мм. Согласно прототипу высота подгибки равна h_c=s=2,5 мм. Для труб с подогнутыми ребрами по прототипу шаг разбивки S_in=S₁-2h_c+2Δ=63,5-2•2,5+2•0,4= 59,3 мм. Шаг S₂ остается прежним и равным S₂=0,866•63,5=55 мм. Компактность пучка составит

В рассматриваемом случае в теплообменной секции применяются трубы со спиральными навитыми двухзаходными (n=2) разновысокими алюминиевыми ребрами, причем высокие ребра подогнуты с противоположных сторон трубы по линии хорды, отстоящей от оси трубы на расстоянии 0,5d. Параметры ребер, идентичные вышеуказанным для секций АВО, а именно D•d_o•h•s•Δ= 57•25,8•15,6•2,5•0,4 мм, а низкие ребра имеют наружный диаметр d=D-2ns=57-2•2•2,5= 47 мм. Коэффициент оребрения таких труб ϕ=18,15. Трубы в поперечных рядах секции расположены вплотную друг другу подогнутыми частями ребер, следовательно, поперечный шаг компоновки труб будет S_in=D'=d+2Δ=47+2•0,4= 47,8 мм, а продольный шаг остается неизменным и равным S₂=55 мм. Тогда компактность пучка труб теплообменной секции составит
м²/м³.

Следовательно, компактность секции возросла в 558/525= 1,06 раза по сравнению с прототипом, несмотря на снижение коэффициента оребрения трубы в 21,2/18,15=1,17 раза по сравнению с прототипом.

Расположение труб с подогнутыми ребрами вплотную до примыкания поверхностей отгиба в поперечных рядах обеспечивает течение всего потока воздуха через межреберные каналы, тем самым уменьшает градиент скорости воздуха по высоте канала, в результате чего средняя скорость воздуха у поверхности оребрения будет большей по сравнению с такой скоростью в случае компоновки труб с шагом S₁>D', что характерно для прототипа. Это вызовет дополнительную интенсификацию теплоотдачи наряду с имевшей место от турбулизации потока отогнутыми ребрами с вихреобразованием и краевыми эффектами. Дополнительный прирост теплоотдачи будет наблюдаться от повышенного коэффициента эффективности низких ребер по сравнению с высокими. В итоге величина интенсификации теплоотдачи превысит на 20...30% интенсификацию теплоотдачи в пучке труб прототипа.

Высокая интенсивность теплоотдачи совместно с большим количеством расположенных в секции труб с подогнутыми ребрами благодаря применению значительно меньшего шага S_in существенно увеличивает (до 30...35%) тепловую мощность Q секции.

Применение низких ребер наряду с высокими подогнутыми приводит к снижению материалоемкости поверхности оребрения трубы до 22%.

Подгиб ребер предотвращает их возможное защемление с ребрами соседних труб поперечного ряда при механическом контакте, что является фактором, повышающим эксплуатационную надежность.

Таким образом, в заявляемой теплообменной секции полностью решены сформулированные задачи.

Изобретение иллюстрировано чертежом, где на фиг.1 изображена теплообменная секция, продольный разрез; на фиг.2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 - труба со спиральными подогнутыми разновысокими ребрами, вид в плане; на фиг.4 - то же, продольный разрез.

Теплообменная секция содержит несущие трубы 1 с расположенными на них спиральными теплообменными ребрами 2 и 3 разной высоты, диаметр которых по основанию d_o, трубные доски 4, жидкостные крышки с патрубками 5 и боковые ограждающие листы 6. Высокие однозаходные ребра 2 имеют в плане вид круговых дисков, сегменты которых отогнуты с противоположных сторон трубы 1 по линии хорды 7. Линия хорды находится на расстоянии от оси трубы, равном половине наружного диаметра d низкого ребра. Низкие ребра 3 в плане представляют собой круговые диски, причем они расположены в периодически чередующемся порядке с высокими ребрами 2.

Отогнутые сегменты высоких ребер находятся в плоскости, перпендикулярной фронтальной плоскости секции и параллельной оси трубы, параллельны направлению потока воздуха и образуют воздушные каналы 8. Диаметр высокого ребра равен сумме D=d+2ns.

В теплообменной секции несущие трубы 1 располагаются в шахматном порядке с поперечным шагом S_in и продольным шагом S₂. На несущую трубу 1 различными технологическими способами наносится оребрение из высокотеплопроводных металлов. Оребренные трубы, закрепленные в трубных досках, образуют трубный пучок. Поперечный шаг S_in равен наименьшему расстоянию D' между параллельными продольной оси трубы плоскостями, в которых расположены наружные поверхности отогнутых сегментов ребер и определяется как S_in=D'=d+2Δ. При такой компоновке труб в поперечных рядах секции подогнутые ребра смежных труб расположены вплотную.

Теплообменная секция работает следующим образом. В несущие трубы 1 через входной патрубок в жидкостной крышке 5 подается энергоноситель, технологический продукт или их пары, которые охлаждаются или конденсируются с последующим охлаждением и передают тепло через теплопроводную стенку несущих труб ребрам 2, 3. Поток охлаждающего воздуха подается в межтрубное пространство теплообменной секции со стороны неподогнутой части высоких ребер 2 перпендикулярно оси несущих труб с ребрами, которые установлены в секции таким образом, что подогнутые ребра обтекаются продольным параллельным потоком. Расположение труб с подогнутыми ребрами вплотную в каждом поперечном ряду секции обеспечивает движение воздуха через межреберные полости (каналы).

Тепло конвекцией с поверхности ребер и поверхности трубы, не занятой ребрами у их основания, передается воздуху, который при движении по секции нагревается и затем выводится из нее или в окружающую среду, или к потребителям отведенной теплоты.

Изобретение предназначено для применения в аппаратах воздушного охлаждения из оребренных труб нефтеперерабатывающей, газовой, химической промышленности. Изобретение включает спирально-навитые, накатные оребренные трубы, трубные доски, жидкостные крышки с патрубками, боковые ограждающие листы, причем оребренные трубы выполнены со спиральными многозаходными разновысокими ребрами, периодически чередующимися в зависимости от числа заходов, при этом высокие ребра выполнены однозаходными и отогнуты с противоположных сторон трубы по линии хорды, находящейся на расстоянии от оси трубы, равном половине наружного диаметра низкого ребра, при этом отогнутые сегменты высоких ребер находятся в плоскости, перпендикулярной фронтальной плоскости секции и параллельной оси трубы, а диаметр высоких ребер составляет D=d+2ns, где n ограничено соотношением (D-d_o)/(2s)>n≥2, а трубы расположены в каждом поперечном ряду вплотную с поперечным шагом S_in=D'=d+2Δ, где D - наружный диаметр высокого ребра; d - наружный диаметр низкого ребра; d_o - диаметр ребра у его основания; s - шаг ребра; n - общее целое число заходов ребер; D' - расстояние между наружными поверхностями подогнутых ребер; Δ - толщина высокого ребра; S_in - поперечный шаг труб. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи, увеличить компактность, тепловую мощность секции, снизить материалоемкость, повысить эксплуатационную надежность. 4 ил.

Теплообменная секция, включающая спирально-навитые, накатные оребренные трубы, трубные доски, жидкостные крышки с патрубками, боковые ограждающие листы, отличающаяся тем, что оребренные трубы выполнены со спиральными многозаходными разновысокими ребрами, периодически чередующимися в зависимости от числа заходов, при этом высокие ребра выполнены однозаходными и отогнуты с противоположных сторон трубы по линии хорды, находящейся на расстоянии от оси трубы, равном половине наружного диаметра низкого ребра, при этом отогнутые сегменты высоких ребер находятся в плоскости, перпендикулярной фронтальной плоскости секции и параллельной оси трубы, а диаметр высоких ребер составляет D=d+2ns, где n ограничено соотношением (D-d_o)/(2s)>n≥2, а трубы расположены в каждом поперечном ряду вплотную с поперечным шагом S_in=D'=d+2Δ, где D - наружный диаметр высокого ребра; d - наружный диаметр низкого ребра; d_o - диаметр ребра у его основания; s - шаг ребра; n - общее целое число заходов ребер; D' - расстояние между наружными поверхностями подогнутых ребер; Δ - толщина высокого ребра; S_in - поперечный шаг труб.