CZ17671U1

CZ17671U1 - Heat exchanger

Info

Publication number: CZ17671U1
Application number: CZ200718884U
Authority: CZ
Inventors: Lutcha@Josef; Filakovský@Karol
Original assignee: Sage Energo, A. S.
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2007-07-12

Description

Výměník teplaHeat Exchanger

Oblast technikyTechnical field

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.The invention relates to a heat exchanger with a set of twisted tubes for the flow of the first medium coaxially arranged in the inner jacket, with a distance arranged in the outer jacket defining a circumferential gap with the inner jacket provided with an axial inlet and axial outlet of the first medium; second media.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Výměníky tepla, kde jedno z teplosměnnýeh tekutých médií 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 vnčjší straně vyvolává turbulenci při minimální tlakové ztrátě, zatímco turbulentní proudění uvnitř zkroucených trubek nastává již při malých rychlostech a vysokých viskozitáeh proudící tekutiny. Vzhledem k tomu, že zkroucené trubky jsou vzájemně opřeny v krátkých odstupech styčných míst daných stoupáním zkrutu, jsou prak15 tieky vyloučeny vibrace, které proudění může vyvolávatHeat exchangers, where one of the heat transfer fluid media flows through twisted pipes, have a number of advantages over heat exchangers with smooth, straight pipes. They have higher heat transfer coefficients both inside and outside the tubes, intermittent vortex flow through the longitudinal channels between the twisted tubes on their outside causes turbulence at minimum pressure loss, while the turbulent flow inside the twisted tubes occurs at low velocities and high viscosity flowing fluid . Since the twisted pipes are leaning against each other at short distances from the contact points given by the twist pitch, the slings 15 eliminate the vibrations that the flow can cause

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 teplosměnnýeh médií do výměníku, u stávajících provedení výměníků se zkroucenými trubkami, zejména ve vstupním úseku, není žádaného stavu dosaženo.For maximum utilization of the heat exchange surface of the exchangers of the above type, it is important to achieve a uniform distribution of the flow rate of fluid through the longitudinal channels between the individual twisted pipes. Due to the radially arranged inlet of one of the heat transfer media into the exchanger, the existing condition of the twisted tube exchangers, especially in the inlet section, does not achieve the desired state.

Účelem tohoto technického řešení je zlepšení podmínek pro proudění v prostoru mezi zkroucenými trubkami a tím zvýšení účinnosti výměníků.The purpose of this technical solution is to improve the conditions for flow in the space between the twisted pipes and thus to increase the efficiency of the exchangers.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

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 vnitřního 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.This is achieved in a twisted tube heat exchanger according to the present invention, wherein the radial inlet of the second medium is connected to a peripheral channel interconnected by a peripheral slot arranged along the inner surface of the outer shell with the inner space behind the adjacent a tube sheet where the bundle of twisted tubes lies outside the inner jacket. In a preferred embodiment, the circumferential channel on the side of the adjacent tubesheet is bounded by an annular first baffle that defines a circumferential slot between its outer edge and the inner surface of the outer shell, on the opposite side the circumferential channel is closed by a radially arranged, annular second baffle. Further, according to the invention, in the region of the radial inlet of the second medium, the inner casing in the circumferential channel is provided with a separating rib whose longitudinal axis lies in the axial plane of the inlet throat of the second heat transfer medium and parallel to the longitudinal axis of the bundle of twisted tubes. In a preferred embodiment, the rib has both its side walls cylindrical in the longitudinal direction.

Výhodou tohoto řešení je rovnoměrné rozdělení proudu teplosměnného média v prostoru mezi zkroucenými trubkami, což se projevuje zvýšením teplosměnného výkonu a snížením tlakových ztrát.The advantage of this solution is an even distribution of the heat transfer medium flow in the space between the twisted pipes, which results in an increase in heat transfer performance and a decrease in pressure losses.

Přehled obrázků na výkreseOverview of the drawings

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.The technical solution is further elucidated in more detail on the examples of its practical implementation shown in the attached drawing. FIG. 1 shows a longitudinal section of a heat exchanger with a longitudinal cut-out along its entire length; FIG. 2 shows a section of a longitudinal section of the heat exchanger at the inlet of the second heat transfer medium;

Přiklad provedeníExemplary embodiment

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.As shown in the accompanying drawing, the subject heat exchanger is provided with a bundle of twisted tubes for the flow of the first medium. The twisted tubes are arranged in parallel in the inner casing 2, which is spaced in the outer casing 3, so that the inner casing 2 and the outer casing 3 define a circumferential gap 4 therebetween. The exchanger has an axially arranged first media inlet and a first media outlet 5 and radially oriented a second media inlet 6 and a second media outlet.

Svazek 1 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 ío teplosmčnného média, v úseku těsné za trubkovnicí 7. mají trubky hladký tvar. Iento úsek 8 nez kroucených trubek není pokryt vnitřním pláštěm 2, což umožňuje průtok druhého tep 1 osmě líného média do vnitřního prostoru svazku 1 a proudění podélnými kanálky mezi jednotlivými zkroucených trubkami.The twisted tube bundle 1 is anchored on both sides in a tubesheet 7 through which it enters on one side and the first heat transfer medium enters on the other. On the inlet side of the second heat transfer medium, in the region just behind the tube sheet 7, the tubes have a smooth shape. This section 8 of the non-twisted tubes is not covered by the inner casing 2, which allows the second heat 1 of the eight-way medium to flow into the interior of the bundle 1 and flow through the longitudinal channels between the individual twisted tubes.

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 JJ. V opačném směru. tj. ve směru proudění druhého média, je obvodová mezera 4 po celém svém obvodu zcela uzavřená radiálně uspořádanou druhou přepážkou JJ.In the region of the second media inlet 6, where the outer shell 3 has a larger diameter than the rest, in the direction of the tubesheet 7 on the first media outlet side 5, according to the present invention, the circumferential gap 4 is blocked over its entire cross-section which defines a circumferential slot 11 between its outer edge 11 and the inner surface of the outer shell 3. In the opposite direction. i.e. in the flow direction of the second medium, the circumferential gap 4 is completely enclosed by a radially arranged second partition 11 over its entire circumference.

2o Pro rovnoměrné rozdělení proudu druhého média je v oblasti radiálního vstupu druhého média, mezi první přepážkou JJ a druhou přepážkou JJ, vnitřní plášť 2 opatřený dělicím žebrem JJ uspořádaným souběžně s podélnou osou svazku 1 zkroucených trubek. Obě boční stěny JJ žebra U jsou v podélném směru válcovitě vyduté.In order to distribute the second medium flow evenly, in the region of the radial inlet of the second medium, between the first partition 11 and the second partition 11, there is an inner jacket 2 provided with a separating rib 11 arranged parallel to the longitudinal axis of the bundle 1 of twisted tubes. The two lateral walls 11 of the rib 11 are cylindrical in the longitudinal direction.

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 proudů 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 i_0, 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 JJ axiálně směrem k trubkovnici 7. Šířka obvodové štěrbiny JJ je v každém místě svého obvodu stanovena tak. že průtočné množství média připadající na jednotku délky obvodu zůstává po celém tomto obvodu konstantní.The second heat transfer medium, which enters the orifice 6 in the radially expanded outer shell section 3, splits into two streams on contact with the inner shell 2 of the twisted tube bundle 1 symmetrically with respect to the axis of the orifice 6. Each stream extends halfway through the circumferential channel which is formed by a section of the outer shell 3 of enlarged diameter, the inner shell 2 and the two partitions 10, 13 having the shape of a ring. The circumferential channel 9 thus has a flow cross section of rectangular shape. From the circumferential channel 9, the second heat transfer medium passes through the circumferential slot 11 axially towards the tube sheet 7. The width of the circumferential slot 11 is so determined at each point of its circumference. The fluid flow rate per unit of perimeter length remains constant throughout the perimeter.

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 J 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.On contact with the tube plate 7 in the non-twisted tube section 8, the flow occurs transversely with respect to the tubes and the medium flow turns in a radial direction towards the center of the bundle J of the twisted tubes. In a further process, the stream reaches the longitudinal channels between the twisted pipes that formed during the pipe shaping and continues in the axial direction along the outer surface of the twisted pipes.

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 JJ.When designing the dimensions of the circumferential channel 9, in particular its width, it is necessary to take into account the fluid flow velocities and their changes. The placement of a suitably shaped impact element, i.e. a separating rib 11, contributes to the precise division of the fluid stream upon contact with the inner shell 2 of the twisted tube bundle 1 in two halves.

CZ 17671 UlCZ 17671 Ul

Jako příklad porovnání účinků předmětného technického řešení slouží následující základní uspořádání výměníku se zkroucenými trubkami:As an example of comparing the effects of the present invention, the following basic arrangement of the coil with twisted pipes is used:

Průměr základní trubky před tvarovánímBase tube diameter before forming

Tloušťka stěny trubky__ _ _Tube wall thickness__ _ _

Šířka trubky po zploštěníWidth of pipe after flattening

Stoupání zkrutu trubky__ _ _Pipe twist pitch__ _ _

Činná délka trubky __Active tube length __

Počet zkroucených trubek ve svazku__Number of twisted tubes in bundle__

Ekvivalentní průměr obálky svazkuEquivalent diameter of the bundle envelope

Teplosměnná plocha vnějšího povrchu trubek mmHeat transfer surface area of tubes mm

0.4 mrn___0.4 mrn___

4,6 mm mm__4,6 mm mm__

1750 mm _1750 mm _

1612___1612___

450 mm 68,2 m^{* i 2} .j450 mm 68.2 m ^{* i 2} .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:The following table shows the thermal performance parameters and pressure losses on the bundle 1 of the twisted tubes and on the side of the outer casing 3 with a uniform distribution of the flow of compressed air through the longitudinal channels between the twisted tubes. The heat exchanger is single-pass on both the pipe side and the outer shell side 3:

~Tekutina ' Tlakový vzduch ¹ Spaliny ' , Vstupný teplota _ _j_ 180 ^oC _____ 980 °C _J~ Fluid 'Compressed air ¹ Flue gas', Inlet temperature _ _j_ 180 ^o C _____ 980 ° C _J

Výstupní teplota____; 900 °C_ 421_°C _ , Průtočné množství __ι_ 1.00 kg/s ___E25 kg/s ·Outlet temperature____; 900 ° C_ 421_ ° C _, Flow rate __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 Heat transfer capacity ___ _ 798 kW i Pressure drop - tubes____ 9640 Pa ___ 1 i Pressure drop - jacket_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 io 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:On the other hand, if the circumferential channel described above is not formed and the fluid heat transfer medium stream flows directly from the inlet throat 6 into the tube section untwisted between the tube sheet 7 and the edge of the inner casing 2, in longitudinal channels corresponding to a quarter of the number of the flow rate through the longitudinal channels is about 20% higher than in the remaining three quarters. This results in different values of heat transfer coefficients on the outer surface of the tubes and different pressure losses. The result is a significant decrease in heat exchange performance. The quantitative expression of the effect of uneven distribution of the flow rate of fluid through the longitudinal channels between the twisted pipes is evident from the data in the following table:

Tekutina___Fluid___

Vstupru teplota_______Inlet temperature_______

Výstupní teplota _t Průtočné množství__ ¹ Teplosměnný výkon ! Tlaková ztráta - trubky Tlaková ztráta - plášťFlow temperature _t Flow rate__ ¹ Heat transfer capacity! Pressure drop - tubes Pressure drop - jacket

Tlakový vzduchCompressed air

180 °C ' 840 C180 DEG C. 840 DEG

1.00 kg/s1.00 kg / sec

SpalinyFlue gas

980 °C_ _473 °C 1,25 kg/s980 ° C - 473 ° C 1.25 kg / s

798 kW 10110 Pa 7190 Pa798 kW 10110 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:Comparing the data for heat exchange capacity and pressure losses in cases of uniform and uneven flow rate distribution shows significant differences. These are summarized in the following table:

Rozdíly v jednotkách 'ProcentaDifferences in 'Percentage' units

! Teplosměnný výkon i ! Heat transfer capacity i 72 kW 72 kW -9 % i -9% i Tlaková ztráta - trubky Pressure drop - tubes 1470 Pa , 1470 Pa, +5 % +5% Tlaková ztráta - plášť Pressure loss - jacket +4200 Pa S + 4200 Pa S + 140% + 140%

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

U A heat exchanger with a bundle of twisted tubes for the flow of the first medium, coaxially arranged in the inner jacket, with a distance housed in the outer jacket, defining a circumferential gap with the inner jacket provided with an axial inlet and outlet of the first medium and radially

A second inlet and outlet arrangement, characterized in that the radial inlet of the second medium is connected to a peripheral channel interconnected by a peripheral slot (12) disposed along the inner surface of the outer shell (3), with an inner space behind the adjacent tubesheet (7). the twisted tube bundle (1) lies outside the inner jacket (2).

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the circumferential channel is defined by an annular first partition (10) on the side of the adjacent tubesheet (7). which, between its outer edge and the inner surface of the outer shell (3), defines a circumferential slot (12), on the other hand the circumferential channel being closed by a radially arranged, annular second partition (13).

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that, in the region of the radial inlet of the second medium, the inner jacket (2) is provided with a separating rib (14) in the circumferential channel. whose longitudinal axis lies in the axial plane of the inlet throat (6) of the second heat transfer medium and is parallel to the longitudinal axis of the twisted tube bundle (1).

Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the rib (14) has both its side walls (15) cylindrical in the longitudinal direction.