Теплообменник Советский патент 1992 года по МПК F28D7/02 F28F9/00 

Изобретение относится к теплообмен- ным аппаратам криогенной, авиационной, химической, газовой и других отраслей техники, где требуются теплообменники с интенсивным процессом теплообмена и малым гидравлическим сопротивлением.

Известен витой трубчатый теплообменник с дистанционными проставками между слоями труб, установленными параллельно оси сердечника.

В этой конструкции теплообменника- газ, проходя между слоями труб по сквозным кольцевым каналам, омывает только часть поверхности труб. Вследствие этого интенсивность теплообмена в теплообменнике невысока. Кроме того, недостатком теплообменника является технологическая сложность соблюдения одинаковой геометрии кольцевых каналов в многослойной намотке из-за того, что ширина кольца фиксируется только в местах расположения дискретных проставок.

Известен витой теплообменник, который имеет между слоями гладких труб проставки, расположенные по винтовым линиям, с чередованием в смежных слоях правой и левой навивок.

Дистанционные проставки, расположенные по винтовой линии, улучшают технологические свойства конструкции, однако

ч|

4 О

00

СЛ

не устраняют недостаток, связанный с неполным смыванием поверхности труб и, следовательно, интенсивным теплообменом.

Известен теплообменник, в конструкции которого дистанционные проставки выполнены извилистыми. Они расположены между слоями труб параллельно оси сердечника и содержат выступы, определяющие расстояние между витками труб в слое. Центры труб одного слоя по отношению к центрам труб другого слоя находятся в шахматном порядке.

Недостатком этой конструкции также является снижение интенсивности теплообмена ввиду неполного обтекания газом поверхности труб.

Кроме того, к недостаткам конструкции следует отнести технологическую сложность получения одинаковой и точно выдержанной ширины кодьцевых каналов между слоями труб. Заданная ширина канала соблюдается только в местах расположения дискретных проставок, а между проставка- ми положение труб не фиксируется. Вследствие этого форма и размеры кольцевых каналов не могут быть одинаковыми между всеми слоями труб. Это приводит к неравномерному распределению потока газа между слоями труб, неравномерному полю температур, и к снижению эффективности теплообменника.

Цель изобретения - повышение интенсивности теплообмена путем улучшения равномерности поперечного обтекания труб, уменьшение металлоемкости и габаритов теплообменника.

Указанная цель достигается тем. что в теплообменнике, содержащем пучок змее- виковых труб, навитых коаксиальными слоями и в шахматном порядке в смежных слоях, и дистанционизирующие проставки в виде волнистых лент, размещенных между слоями труб, трубы в пучке расположены с поперечным и продольным шагами, определяемыми из соотношений:

6+д

ti d;

d +д ta S3,75d, где ti - поперечный шаг навивки;

t2 продольный шаг навивки;

д - толщина проставки; d - наружный диаметр трубы.

Для обеспечения малого гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве часть проставок выполнена из эластичного пористого материала, например металлорезины, а остальная часть проставок может быть выполнена из жесткого материала.

Кроме того, проставки,ближайшие коси пучка, выполнены из жесткого материала.

На фиг. 1 показан теплообменник, общий вид; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение навивки (разрез вдоль оси теплообменника); на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2. Теплообменник (фиг.1) состоит из корпуса 1 с коллекторами входа 2 и выхода 3 из трубного пространства и штуцерами 4 и 5 входа и выхода соответственно из межтрубного пространства, сердечника б, на который коаксиальными слоями спирально

навиты трубы 7 с дистанционными простав- ками 8 и 9 в виде волнистых лент.

Для устранения перетечек газа по корпусу и сердечнику на сердечник 6 и последний слой навивки труб 7 уложен шнур 10 из

эластичного пористого материала, например металлорезины.

Дистанционные проставки 8, укладываемые на сердечнике 6, выполнены извилистыми и жесткими из малотеплопроводного

материала, например стали, и обеспечивают шаг и равномерность навивки. Между слоями навивки укладываются как жесткие проставки 8, так и проставки 9 из эластичного пористого материала, например металлорезины (фиг. 2 и 3),возможна установка прокладок только из эластичного материала.

Навивка труб 7 выполнена с поперечным ti и продольным i шагами таким образом, что они отвечают соотношениям

S«,Sd:

d +д г 3,75d, где d наружный диаметр трубки, мм;

д - толщина проставки, мм.

Меньшее значение поперечного шага навивки ti ограничено минимально возможным зазором между трубками для прохода газа, равным половине толщины проставок

8 или 9 (фиг.З).

А меньшее значение продольного шага навивки t2 ограничено наименьшим расстоянием между центрами труб в смежных слоях S, которое равно S d + д .

Большее значение поперечного шага навивки ti определяется следующим: при значении ti большем, чем d. в структуре намотки возникают сквозные кольцевые каналы, что снижает эффект поперечного обтекания и уменьшает интенсивность теплообмена.

Большее значение продольного шага навивки выбрано на основе следующих соображений. Известно, что область наибольшей турбулентности потока за поперечно обтекаемым цилиндром (трубой) распространяется на расстоянии, примерно равном четырем диаметрам цилиндра (t2 4d).

При дальнейшем увеличении про- дольного шага ta наряду с уменьшением турбулентности потока и соответственно уменьшением интенсивности теплообмена значительно увеличиваются габариты теплообменника и его металлоемкость.

Теплообменник функционирует следующим образом.

Прямой поток газа поступает из коллектора 2 в трубы 7, где он охлаждается (нагревается) обратным потоком газа, про- ходящим в межтрубном пространстве. Охлажденный (нагретый) поток газа в трубах 7 выходит из теплообменника через коллектор 3. Обратный поток газа поступает через штуцер 4 в межтрубное пространство, дви- жется в противотоке с газом, проходящим в трубах 7, нагревается (охлаждается) за счет теплообмена с газом, проходящим в трубах, и через штуцер 5 выходит из теплообменника.

Предлагаемый теплообменник позволит путем интенсификации теплообмена в межтрубном пространстве снизить металлоемкость примерно в 2 раза, что особенно важно для.транспортного варианта, а также улучшить технологичность изделия.

Формула изобретения

1.Теплообменник, содержащий пучок змеевиковых труб, навитых коаксиальными слоями и в шахматном порядке в смежных слоях, и дистанционирующие проставки в виде волнистых лент, размещенных между слоями труб, отличающийся тем. что, с целью повышения интенсификации теплообмена путем улучшения равномерности поперечного обтекания труб, последние расположены в пучке с поперечным и продольным шагами, определяемыми из соотношений

s,,Sd:

d +( 3,75d. где ti - поперечный шаг навивки; t2 - продольный шаг навивки; д - толщина проставки; d - наружный диаметр трубы.

2.Теплообменник по п. 1,отличающий с я тем, что часть проставок выполнена из эластичного пористого материала.

3.Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что остальная часть проставок выполнена из жесткого материала.

4.Теплообменник по пп. 1-3, отличающийся тем, что проставки, ближайшие к оси пучка, выполнены из жесткого материала.

Фиг. Z

Изобретение относится к теплообмен- ным аппаратам и может быть использовано в криогенной, авиационной, химической, газовой и других отраслях техники, где требуются теплообменники с интенсивным процессом теплообмена и малым гидравлическим сопротивлением. Цель изобретения - повышение интенсификации теплообмена путем улучшения равномерности поперечного обтекания труб. В теплообменнике, со- держащем пучок змеевиковых труб. навитых коаксиальными слоями и в шахматном порядке в смежных слоях, и дистанцио- нирующие проставки в виде волнистых лент, размещенных между слоями, трубы в пучке расположены с поперечным и продольным шагами, определяемыми из соотношений - ti d ; d + б ta 3,75 d, где ti поперечный шаг навивки; t2 - продольный шаг навивки; д - толщина проставки. Теплообменник состоит из корпуса 1 с коллекторами входа и выхода из трубного пространства и штуцерами входа и выхода соответственно из межтрубного пространства, сердечника 6, на который послойно спирально навиты трубы 7 с дистанционными проставками 8 и 9. Для устранения перетечек газа по корпусу и сердечнику на сердечник 6 и последний слой навивки труб 7 уложен шнур 10 из эластичного пористого материала, например металлорезины. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. сл с

А-А

Фиг.З