CZ14671U1 - Výměník tepla - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká výměníku tepla se soustavou zkroucených trubek pro průtok prvního média, souose uspořádaných ve vnitřním plášti, s odstupem uloženým ve vnějším plášti, který vůči vnitřnímu plášti vymezuje obvodovou mezeru, opatřený axiálním vstupem a axiálním výstupem prvního média a radiálně uspořádanými vstupem a výstupem druhého média.

Dosavadní stav techniky

Výměníky tepla, kde jedno z teplosměnných tekutých medií protéká zkroucenými trubkami, mají radu předností oproti výměníkům s hladkými, rovnými trubkami. Mají vyšší hodnoty součinitelů přestupu tepla jak uvnitř, tak na vnějším povrchu trubek, přerušované vířivé proudění podélnými kanálky mezi zkroucenými trubkami na jejich vnější straně vyvolává turbulenci při minimální tlakové ztrátě, zatímco turbulentní proudění uvnitř zkroucených trubek nastává již při malých rychlostech a vysokých viskozitách proudící tekutiny. Vzhledem k tomu, že zkroucené trubky jsou vzájemně opřeny v krátkých odstupech styčných míst. daných stoupáním zkrutu, jsou prak15 ticky vyloučeny vibrace, které proudění může vyvolávat

Pro maximální využití teplosměnné plochy výměníků výše uvedeného typuje důležité dosáhnout rovnoměrného rozložení průtočného množství tekutiny podélnými kanálky mezi jednotlivými zkroucených trubkami. Vzhledem k radiálně uspořádanému vstupu jednoho z teplosměnných médií do výměníku, u stávajících provedení výměníků se zkroucenými trubkami, zejména ve vstupním úseku, není žádaného stavu dosaženo.

Účelem tohoto technického řešení je zlepšení podmínek pro proudění v prostoru mezi zkroucenými trubkami a tím zvýšení účinnosti výměníků.

Podstata technického řešení

Výše uvedeného účelu je dosaženo u výměníku tepla se zkroucenými trubkami v provedení podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že radiální vstup druhého média je zaústěný do obvodového kanálu propojeného obvodovou štěrbinou, uspořádanou podél vnitřního povrchu vnějšího pláště, s vnitřním prostorem za přilehlou trubkovnicí, kde svazek zkroucených trubek leží vně vnitrního pláště. Ve výhodném provedení je obvodový kanál ze strany přilehlé trubkovnice ohraničený prstencovitou první přepážkou, která mezi svým vnějším okrajem a vnitřním povrchem vnějšího pláště vymezuje obvodovou štěrbinu, přičemž z opačné strany je obvodový kanál uzavřený radiálně uspořádanou, prstencovitou druhou přepážkou. Dále podle tohoto technického řešení je v oblasti radiálního vstupu druhého média vnitřní plášf v obvodovém kanále opatřený dělicím žebrem, jehož podélná osa leží v axiální rovině vstupního hrdla druhého teplosměnného média a je souběžné s podélnou osou svazku zkroucených trubek. Ve výhodném provedení má žebro obě své boční stěny v podélném směru válcovitě vyduté.

Výhodou tohoto řešení je rovnoměrné rozdělení proudu teplosměnného média v prostoru mezi zkroucenými trubkami, což se projevuje zvýšením teplosměnného výkonu a snížením tlakových ztrát.

Přehled obrázků na výkrese

Technické řešení je dále podrobněji objasněno na příkladech jeho praktického provedení, uvedených na přiloženém výkrese. Na obr. 1 je v axonometrickém pohledu znázorněna část tepelného výměníku s podélným výřezem po celé délce, obr. 2 ukazuje část podélného řezu výměníkem v místě vstupu druhého teplosměnného média a na obr. 3 je část radiálního řezu místem vstupu druhého teplosměnného média.

v /, 1 / V f 1 <? i

Příklad provedení

Jak je uvedeno na přiloženém výkrese, je předmětný výměník tepla opatřený svazkem I zkroucených trubek pro průtok prvního média. Zkroucené trubky jsou souběžně uspořádané ve vnitřním plášti 2, který je s odstupem uložený ve vnějším plášti 3, takže vnitřní plášť 2 a vnější plášť 3 mezi sebou vymezují obvodovou mezeru 4, Výměník má axiálně uspořádané vstup prvního média a výstup 5 prvního média a radiálně orientované hrdlo 6 pro vstup druhého média a výstup druhého média.

Svazek i zkroucených trubek je na obou stranách ukotvený v trubkovnici 7, přes níž na jedné straně vstupuje a na druhé straně vstupuje první teplosměnné médium. Na straně vstupu druhého io teplosměnného média, v úseku těsné za trubkovnicí 7. mají trubky hladký tvar. Iento usek 8 nezkroucených trubek není pokry t vnitřním pláštěm 2, což umožňuje průtok druhého teplosměnného média do vnitřního prostoru svazku i a proudění podélnými kanálky mezi jednotlivými zkroucených trubkami.

V oblasti hrdla 6 pro vstup druhého média, kde vnější plášť 3 má větší průměr než ve zbývající části, ve směru k trubkovnici 7 na straně výstupu 5 prvního média, je podle předmětného řešení obvodová mezera 4 po celém svém průřezu přehrazená radiálně uspořádanou první přepážkou 10. která mezi svým vnějším okrajem JJ a vnitřním povrchem vnějšího pláště 3 vymezuje obvodovou štěrbinu 12. V opačném směru, tj. ve směru proudění druhého média, je obvodová mezera 4 po celém svém obvodu zcela uzavřená radiálně uspořádanou druhou přepážkou 13.

2o Pro rovnoměrné rozdělení proudu druhého média je v oblasti radiálního vstupu druhého média, mezi první přepážkou JO a druhou přepážkou L3, vnitřní plášť 2 opatřený dělicím žebrem J4 uspořádaným souběžně s podélnou osou svazku 1 zkroucených trubek. Obě boční stěny 15 žebra 14 jsou v podélném směru válcovitě vyduté.

Druhé teplosměnné médium, které vstupuje hrdlem 6 v úseku vnějšího pláště 3 se zvětšeným průměrem směrem radiálním, se při kontaktu s vnitřním pláštěm 2 svazku 1 zkroucených trubek rozdělí do dvou proudu a to symetricky vzhledem k ose hrdla 6. Každý proud postupuje po polovině obvodového kanálu, který je tvořen úsekem vnějšího pláště 3 se zvětšeným průměrem, vnitřním pláštěm 2 a oběma přepážkami 10, 13, které mají tvar prstence. Obvodový' kanál 9 tak má průtočný průřez obdélníkového tvaru. Z obvodového kanálu 9 prochází druhé teplosměnné médium přes obvodovou štěrbinu j2 axiálně směrem k trubkovnici 7. Šířka obvodové štěrbiny 12 je v každém místě svého obvodu stanovena tak. že průtočné množství média připadající na jednotku délky obvodu zůstává po celém tomto obvodu konstantní.

Při dotyku s trubkovnicí 7. v úseku 8 nezkroucených trubek, dochází k proudění příčnému vzhledem k trubkám a proud média se obrací do radiálního směru ke středu svazku 1 zkroucených trubek. Při dalším postupu se proud dostává do podélných kanálků mezi zkroucenými trubkami, které vznikly při tvarování trubek, a pokračuje v axiálním směru po vnějším povrchu zkroucených trubek.

Pří návrhu rozměrů obvodového kanálu 9, zejména jeho šířky, je nutné brát v úvahu rychlosti proudění tekutiny a jejich změny. K přesnému rozdělení proudu tekutiny při kontaktu s vnitrním pláštěm 2 svazku 1 zkroucených trubek na dvě poloviny přispívá umístění vhodně tvarovaného nárazového prvku, tj. dělicího žebra 14.

CZ 17671 Ul

Jako příklad porovnání účinků předmětného technického řešení slouží následující základní uspořádání výměníku se zkroucenými trubkami:

Průměr základní trubky před tvarováním

Tloušťka stěny trubky__ _ _

Šířka trubky po zploštění

Stoupání zkrutu trubky__ _ _

Činná délka trubky __

Počet zkroucených trubek ve svazku__

Ekvivalentní průměr obálky svazku

Teplosměnná plocha vnějšího povrchu trubek mm

0.4 mm___

4,6 mm mm__

1750 mm _

1612___

450 mm 68,2 m² .j

Následující tabulka uvádí tepelné výkonové parametry a tlakové ztráty na straně svazku i zkroucených trubek a na straně vnějšího pláště 3 při rovnoměrném rozdělení průtočného množství tlakového vzduchu podélnými kanálky mezi zkroucenými trubkami. Výměník tepla je jednochodý jak na straně trubek tak i na straně vnějšího pláště 3:

~Tekutina ' Tlakový vzduch ^{* 1} Spaliny ' , Vstupný teplota _ _j_ 180 ^oC _____ 980 °C _J

Výstupní teplota___' 900 °C_ 421_°C _ , Průtočné množství __ι_ 1.00 kg/s ___E25 kg/s ·

Teplosměnný výkon___ _ 798 kW i Tlaková ztráta - trubky____ 9640 Pa ___ 1 i Tlaková ztráta - plášť_2990 Pa_¹

Naproti tomu, není-li v vytvořen výše popsaný obvodový kanál a proud teplosměnného média tekutiny přichází přímo ze vstupního hrdla 6 do úseku trubek nezkroucených mezi trubkovnicí 7 a okrajem vnitřního pláště 2, v podélných kanálcích příslušejících čtvrtině počtu trubek, které ío jsou nejblíže vstupu, je průtočné množství podélnými kanálky asi o 20 % vyšší než je tomu ve zbývajících třech čtvrtinách. To se projeví v různých hodnotách součinitelů přestupu tepla na vnějším povrchu trubek a různých tlakových ztrátách. Důsledkem je nezanedbatelný pokles teplosměnného výkonu. Kvantitativní vyjádření vlivu nerovnoměrnosti rozdělení průtočného množství tekutiny podélnými kanálky mezi zkroucenými trubkami je patrný z údajů uvedených v ná15 sledující tabulce:

Tekutina___

Vstupný teplota_______

Výstupní teplota _t Průtočné množství__ ¹ Teplosměnný výkon ! Tlaková ztráta - trubky Tlaková ztráta - plášť

Tlakový vzduch

180 °C ' 840 C

1,00 kg/s

Spaliny

980 °C_ _473 °C 1,25 kg/s

798 kW 10110 Pa 7190 Pa

Srovnání údajů pro teplosměnný výkon a tlakové ztráty v případech rovnoměrného a nerovnoměrného rozdělení průtočného množství ukazuje významné rozdíly. Tyto jsou shrnuty v další tabulce:

Rozdíly v jednotkách 'Procenta

! Teplosměnný výkon i	72 kW	-9 % i
Tlaková ztráta - trubky	1470 Pa ,	+5 %
Tlaková ztráta - plášť	+4200 Pa S	+ 140%

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Výměník tepla se svazkem zkroucených trubek pro průtok prvního media, souose uspořádaných ve vnitřním plášti, s odstupem uloženým ve vnějším plášti, který· vůči vnitřnímu plášti vymezuje obvodovou mezeru, opatřený axiálním vstupem a výstupem prvního média a radiálně

   5 uspořádaným vstupem a výstupem druhého média, vyznačující se tím, že radiální vstup druhého média je zaústěný do obvodového kanálu propojeného obvodovou štěrbinou (12), uspořádanou podél vnitřního povrchu vnějšího pláště (3), s vnitřním prostorem za přilehlou trubkovnicí (7), kde svazek (1) zkroucených trubek leží vně vnitrního pláště (2).
2. 2. Výměník tepla podle nároku 1. vyznačující se tím, že obvodový kanál je ze ío strany přilehlé trubkovnice (7) vymezený prsícncovítou první přepážkou (10), která mezi svým vnějším okrajem a vnitřním povrchem vnějšího pláště (3) vymezuje obvodovou štěrbinu (12), přičemž z opačné strany je obvodový kanál uzavřený radiálně uspořádanou, prsteneovitou druhou přepážkou (13).
3. 3. Výměník tepla podle nároku I nebo 2. vyznačující se tím, že v oblasti radiá)is ního vstupu druhého média je vnitřní plášť (2) v obvodovém kanále opatřený dělicím žebrem (14). jehož podélná osa leží v axiální rovině vstupního hrdla (6) druhého teplosměnného média a je souběžná s podélnou osou svazku (1) zkroucených trubek.
4. 4. Výměník tepla podle nároku 3. vyznačující se tím, že žebro (14) má obě své boční stěny (15) v podélném směru válcovitě vyduté.