ВИНТОВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2011 года по МПК F28D1/04 F28F9/22 

Изобретение может использоваться в различных трубчатых теплообменниках промышленности, энергетики, жилищного хозяйства.

Известно также, что интенсивность теплового потока между движущейся средой и одиночным цилиндром, при прочих равных условиях, значительно зависит от угла направления движения среды к этому цилиндру, что связано с изменением толщины гидродинамического пограничного слоя и соответственно коэффициента конвективной теплоотдачи α [1, стр.487].

Расчетные соотношения для конвективного теплообмена в критериальной форме рассматриваются в главе 10 [1, стр.488]. При обтекании трубки поперечным потоком жидкости безразмерный коэффициент теплоотдачи, число Нуссельта (α×x/λ) определяется числом Рейнольдса (w×1/ν), характеризующим режим движения среды, тепловым числом Прандтля (µ×c_p/λ), множителями E_t и Е_Ψ.

При Re=5…10³ Nu=0,50 Re^0,50Pr^0,37E_tE_Ψ;

при Re=10³…2×10⁵ Nu=0,25 Re^0,60Pr^0,37E_tE_Ψ;

при Re=2×10⁵…10⁷ Nu=0,023 Re^0,80Pr^0,4E_tE_Ψ,

E_t - поправочный множитель, учитывающий направление теплового потока, равный (µ_f/µ_w)^0,25 - при охлаждении, (µ_f/µ_w)^0,11 - при нагревании, µ - динамическая вязкость при соответствующей температуре, индексы w и f относят к температуре стенки трубки t_w или к средней температуре жидкости t_f. Е_Ψ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние угла атаки Ψ_х на α. При Ψ в пределах от 30° до 90° множитель Е_Ψ=1-0,54 cos²Ψ, так при угле атаки 60° Е_Ψ равняется 0,93, при Ψ начиная от 75° до 90° коэффициент Е_Ψ практически равен 1.

Для воздуха при Re=10…10³ Nu=0,43 Re^0,50 E_Ψ

при Re=10³…2×10⁵ Nu=0,216 Re^0,60 E_Ψ

Известны трубные пучки ЭМ-У7, используемые в качестве маслоохладителей турбокомпрессоров К-1500, К-1700. В них применяются перегородки, направляющие движение охлаждающегося в межтрубном пространстве масла поперечно трубкам из центра пучка к периферии и в обратном направлении.

Известен кожухотрубчатый холодильник, рассмотренный в [2, стр.58], где применяются перегородки, направляющие движение теплоносителя в межтрубном пространстве поперечно трубок с другим теплоносителем.

В результате применения перегородок в этих теплообменниках получается поперечное, а также наклонное и продольное обтекание пучков труб одного теплоносителя другим теплоносителем. Наклонное обтекание с малым углом атаки и продольное характеризуется низким коэффициентом конвективной теплоотдачи α.

Задачей изобретения является создание конструкции трубчатого теплообменника с более высоким коэффициентом теплоотдачи, таким образом, снижение удельной материалоемкости теплообменника.

Поставленная задача решается тем, что винтовой теплообменник, содержащий трубные доски, теплообменные трубки, съемные с двух сторон крышки, содержит пучки с шахматным расположением трубок для первого теплоносителя, расположенные диаметрально по кругу вокруг центральной трубы, подводящей этот теплоноситель и винтовую пластину, направляющую движение второго теплоносителя поперечно этим трубкам.

На фиг.1 изображена схема теплообменника для охлаждения масла водоподогревателя горячего водоснабжения, для обоих случаев характерно в одном из теплоносителей наличие механических примесей; на фиг.2 - схема поперечного разреза теплообменника.

Теплообменник содержит: корпус 1 (фиг.1), входной и выходной патрубки 2, выполненные по касательной к корпусу; верхнюю съемную крышку 3 с входным и выходным патрубками 4; нижнюю съемную крышку 5; трубу 6, проходящую по центру корпуса теплообменника; нижнюю трубную доску 7; верхнюю трубную доску 8; винтовую пластину 9; пучки с шахматным расположением трубок 10 (фиг.2), фланцевые соединения на корпусе 11.

Расположение пучков трубок с первым теплоносителем диаметрально вокруг трубы и наличие винтовой пластины, направляющей движение второго теплоносителя, обеспечивают наиболее компактную конструкцию для пересечения движений теплоносителей с наиболее эффективным для теплообмена углом, при этом увеличивается скорость теплоносителя относительно поверхностей теплообмена и, соответственно, коэффициент теплоотдачи. В зависимости от физических свойств теплоносителя трубки последующих рядов лежат в вихревом следе, создаваемом трубками первого ряда. Коэффициент теплоотдачи пучка труб выше, чем одиночной трубы. При шахматном расположении труб в зависимости от геометрических размеров велика вероятность сохранения угла атаки к направляющей пластине и во втором ряду.

Теплообменник работает следующим образом: охлаждающийся теплоноситель поступает в корпус 1 по одному из патрубков 2 и направляется винтовой пластиной 9 под углом к пучкам трубок 10 с нагреваемым теплоносителем. Нагреваемый теплоноситель поступает по центральному входному патрубку 4 верхней съемной крышки 3, опускается по трубе 6 до нижней съемной крышки 5. При этом по стенке трубы 6 между теплоносителями происходит теплообмен. Далее нагреваемый теплоноситель радиально расходится в нижней съемной крышке 5, при этом происходит снижение его скорости и направление движения, что способствует осаждению из него возможных механических примесей. Через нижнюю трубную доску 7 нагреваемый теплоноситель распределяется по пучкам с шахматным расположением трубок 10. Двигаясь по пучкам трубок 10, получает тепловую энергию от охлаждающегося теплоносителя, омывающего пучки под углом, соответствующим высокому коэффициенту теплоотдачи. Таким образом, теплообмен интенсифицируется, что делает возможным уменьшение площади теплообмена. Фланцевые соединения 11 дают возможность периодической чистки теплообменника.

Конструкция трубчатого теплообменника характеризуется более высоким коэффициентом теплоотдачи теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, достигаемым направлением его движения под выгодным для теплообмена углом к трубкам, и снижением, таким образом, удельной материалоемкости теплообменника.

Литература

1. Теплотехника: Учебник для вузов / В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.; под ред. В.Н.Луканина - М.: Высшая школа, 2003 г.

2. «Основные процессы и аппараты химической технологии», пособие по проектированию под редакцией Ю.И.Дытнерского.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменным аппаратам, и может использоваться в различных трубчатых теплообменных аппаратах промышленности, энергетики, жилищного хозяйства, электроподогревателях, а также в различных теплообменных поверхностях, где используется оребрение. Винтовой теплообменник, содержащий трубные доски, теплообменные трубки, съемные с двух сторон крышки, содержит пучки с шахматным расположением трубок для первого теплоносителя, расположенные диаметрально по кругу вокруг центральной трубы, подводящей этот теплоноситель и винтовую пластину, направляющую движение второго теплоносителя поперечно этим трубкам. Технический результат - создание конструкции теплообменника с более высоким коэффициентом теплоотдачи теплоносителя, достигаемым направлением его движения под соответствующим углом к трубкам с другим теплоносителем, и снижение, таким образом, удельной материалоемкости теплообменника. 2 ил.

Винтовой теплообменник, содержащий трубные доски, теплообменные трубки, съемные с двух сторон крышки, отличающийся тем, что содержит пучки с шахматным расположением трубок для первого теплоносителя, расположенные диаметрально по кругу вокруг центральной трубы, подводящей этот теплоноситель, и винтовую пластину, направляющую движение второго теплоносителя поперечно этим трубкам.