RU143561U1

RU143561U1 - SHELL-TUBE HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: RU143561U1
Application number: RU2013143411/02U
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Анисин; Александр Константинович Анисин
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-07-27

Abstract

Кожухотрубный теплообменник, содержащий пучок труб с сегментными перегородками, коллекторы с трубными досками, входной и выходной патрубки для холодного теплоносителя, при этом пучок состоит из труб большего диаметра dс квадратной схемой размещения осей и труб меньшего диаметра d, размещенных с минимально допустимыми межтрубными расстояниями в центре квадратных ячеек с трубами диаметром d, отличающийся тем, что пучок труб выполнен с образованием комбинированной разновеликой трубчатой поверхности с треугольной схемой размещения осей труб, при этом трубы размещены из условия расположения вертикальных осей в треугольной схеме труб одинакового диаметра dили dпри ее основании относительно продольной вертикальной плоскости симметрии кожуха, проходящей через входной и выходной патрубки холодного теплоносителя и совпадающей с направлением вектора течения потока теплоносителя на стороне кожуха, в угловом интервале 15°≤φ≤30°.A shell-and-tube heat exchanger containing a bundle of pipes with segmented partitions, collectors with tube boards, inlet and outlet pipes for cold coolant, the bundle consists of pipes of a larger diameter d with a square arrangement of axes and pipes of smaller diameter d, placed with the minimum allowable annular distances in the center square cells with pipes of diameter d, characterized in that the tube bundle is formed with the formation of a combined different-sized tubular surface with a triangular arrangement of axes t rub, while the pipes are placed on the condition that the vertical axes are arranged in a triangular diagram of pipes of the same diameter d or d at its base relative to the longitudinal vertical plane of symmetry of the casing passing through the inlet and outlet pipes of the coolant and coinciding with the direction of the flow vector of the coolant flow on the side of the casing, in an angular range 15 ° ≤φ≤30 °.

Description

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании теплообменных аппаратов и устройств промышленного и энергетического назначения, основу которых составляют поперечно обтекаемые трубчатые поверхности.The utility model relates to heat exchange technology and can be used to create heat exchangers and devices for industrial and energy purposes, the basis of which are transversely streamlined tubular surfaces.

Известны кожухотрубные теплообменники, содержащие поперечно обтекаемые пучки цилиндрических гладких труб одинакового диаметра с разнообразными схемами движения теплоносителей и различными схемами размещения труб в трубных пучках [1, с.7-8, рис.1.1а; с.25-26, табл.1.5], [2, с.10-12; с.169-171; с.207-215, рис.11.2].Known shell-and-tube heat exchangers containing transversely streamlined bundles of cylindrical smooth pipes of the same diameter with various patterns of movement of coolants and various patterns of placement of pipes in tube bundles [1, p.7-8, Fig.1.1a; p.25-26, table 1.5], [2, p.10-12; p. 169-171; p.207-215, fig. 11.2].

В каждом конструктивном варианте трубного пучка должна быть обеспечена максимальная эффективность поверхности с учетом теплофизических и гидродинамических параметров теплоносителей. Известно, что интенсивность теплоотдачи поверхности пучка труб с коридорным расположением ниже, чем с шахматным из-за характерного для линейно расположенных относительно вектора потока теплоносителя труб одинакового диаметра негативного экранирующего эффекта, когда каждая последующая труба пучка находится в гидродинамическом следе предыдущей и проявляется пониженная активность вихревых процессов в рециркуляционных зонах межтрубного пространства. При шахматном расположении труб в пучке отмеченный эффект существенно снижается и теплоотдача поверхности заметно возрастает. Однако при этом возрастают гидравлическое сопротивление и затраты энергии на прокачку теплоносителя. Создание благоприятных условий поперечного обтекания труб в пучке является важным фактором повышения эффективности теплообмена.In each constructive version of the tube bundle, the maximum surface efficiency must be ensured, taking into account the thermophysical and hydrodynamic parameters of the coolants. It is known that the heat transfer rate of the surface of a pipe bundle with a corridor arrangement is lower than that of a staggered one due to the negative screening characteristic of pipes of the same diameter linearly arranged with respect to the heat carrier flux vector, when each subsequent bundle tube is in the hydrodynamic wake of the previous one and a decreased activity of vortex processes in the recirculation zones of the annulus. With a staggered arrangement of pipes in the bundle, the noted effect is significantly reduced and surface heat transfer increases markedly. However, this increases the hydraulic resistance and energy costs for pumping the coolant. The creation of favorable conditions for the transverse flow around pipes in a bundle is an important factor in increasing the heat transfer efficiency.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб большего и меньшего диаметров и коллекторы с трубными досками, образованный путем дополнительного введения труб меньшего диаметра d₂в схемы прямоугольной (коридорной) или треугольной (шахматной) разбивки осей труб большего диаметра d₁ при условии сохранения минимально допустимых межтрубных расстояний [3, Трубчатый теплообменник. Патент на изобретение РФ №2006780, БИ, 1994, №2]. При этом особенностью образованной на основе прямоугольной схемы расположения труб большего диаметра комбинированной поверхности с треугольной схемой размещения осей труб разных диаметров является наличие при ее основании соответствующих труб одинакового диаметра, большего или меньшего, что конструктивно представляет собой реализацию более эффективной, чем коридорная (линейная) с трубами одного диаметра, шахматной (треугольной) схемы расположения в пучке труб большего d₁ и меньшего d₂ диаметров, обеспечивающей выгодные условия обтекания разновеликих элементов поверхности и дополнительную турбулизацию потока теплоносителя.The closest technical solution, selected as a prototype, is a heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of pipes of larger and smaller diameters and collectors with tube plates formed by the additional introduction of tubes of smaller diameter d ₂ into the rectangular (corridor) or triangular (checkerboard) axial layout pipes of larger diameter d ₁ , provided that the minimum permissible annular distances are maintained [3, Tubular heat exchanger. Patent for the invention of the Russian Federation No. 20066780, BI, 1994, No. 2]. Moreover, a feature of the combined surface formed on the basis of a rectangular arrangement of pipes of larger diameter with a triangular arrangement of axes of pipes of different diameters is the presence at its base of the corresponding pipes of the same diameter, larger or smaller, which is structurally more efficient than a corridor (linear) pipes of one diameter, checkerboard (triangle) in the beam pipe layout larger d ₁ and d ₂ smaller diameters, providing advantageous conditions obte anija different-sized surface elements, and additional turbulence in the coolant flow.

Вместе с тем наблюдается возможность определенного усиления положительного эффекта дополнительной турбулизации потока и интенсификации теплоотдачи трубчатой поверхности при использовании более рациональной схемы компоновки, при которой взаимное гидродинамическое воздействие труб разных диаметров на поток приводит к улучшению условий отрывного поперечного обтекания, и связанной, в частности, с наличием оптимального угла ориентации трубчатой поверхности φ_опт относительно направления потока теплоносителя. Заметим, что в случае квадратной схемы размещения осей труб большего диаметра при повороте вертикальной оси треугольника шахматной комбинированной схемы на угол φ=45° относительно направления потока реализуется линейная (коридорная) схема последовательно расположенных труб большего d₁ и меньшего d₂ диаметров. При определенных геометрических параметрах поверхности и массовых расходах теплоносителя, как было установлено на основании экспериментальных исследований в [4, Эффективность теплообмена поперечно обтекаемых комбинированных пучков труб с различными схемами расположения элементов поверхности // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. - №3. - С.88-97], наиболее эффективной является промежуточная между треугольной (шахматной) и линейной (коридорной) схема расположения труб с d₁и d₂ с оптимальным угловым интервалом ориентации 15°≤φ_опт≤30°, определяемым изменением положения осей шахматной (треугольной) схемы расположения труб разных диаметров (φ_ш=0°) относительно вектора течения во всем опытном интервале 0°≤φ≤45° (φ_к=45° - угол ориентации поверхности, определяющий линейное расположение труб с d₁ и d₂).At the same time, there is the possibility of a certain enhancement of the positive effect of additional flow turbulization and intensification of the heat transfer of the tubular surface using a more rational layout scheme, in which the mutual hydrodynamic effect of pipes of different diameters on the flow improves the conditions of tear-off transverse flow around, and, in particular, due to the presence of the optimal angle of orientation of the tubular surface φ _opt relative to the direction of flow of the coolant. Note that in the case of a square arrangement of axes of pipes of larger diameter when rotating the vertical axis of the triangle of a chess combined scheme by an angle φ = 45 ° relative to the direction of flow, a linear (corridor) scheme of consecutively arranged pipes of larger d ₁ and smaller d ₂ diameters is implemented. For certain geometric parameters of the surface and mass flow rates of the coolant, as was established on the basis of experimental studies in [4, The heat transfer efficiency of transversely streamlined combined tube bundles with different layouts of surface elements // Izv. universities. Nuclear energy. 2000. - No. 3. - S.88-97], the most effective is the intermediate between the triangular (staggered) and linear (corridor) layout of pipes with d ₁ and d ₂ with an optimal angular orientation interval of 15 ° ≤φ _opt ≤30 °, determined by a change in the position of the axes of the chess (triangular) layout of pipes of different diameters (φ _ш = 0 °) relative to the flow vector in the entire experimental interval 0 ° ≤φ≤45 ° (φ _к = 45 ° - surface orientation angle, which determines the linear arrangement of pipes with d ₁ and d ₂ )

Задачами предлагаемой полезной модели являются повышение эффективности теплоотдачи поверхности пучков труб, снижение металлоемкости и увеличение компактности теплообменников.The objectives of the proposed utility model are to increase the heat transfer efficiency of the surface of pipe bundles, reduce metal consumption and increase the compactness of heat exchangers.

Поставленные задачи решаются при использовании кожухотрубного теплообменника, содержащего пучок труб с сегментными перегородками, коллекторы с трубными досками, входной и выходной патрубки для холодного теплоносителя, при этом пучок состоит из труб большего диаметра d₁ с квадратной схемой размещения осей и труб меньшего диаметра d₂, размещенных с минимально допустимыми межтрубными расстояниями в центре квадратных ячеек с трубами диаметром d₁, отличающийся тем, что пучок труб выполнен с образованием комбинированной разновеликой трубчатой поверхности с треугольной схемой размещения осей труб, при этом трубы размещены из условия расположения вертикальных осей в треугольной схеме труб одинакового диаметра d₁ или d₂ при ее основании относительно продольной вертикальной плоскости симметрии кожуха, проходящей через входной и выходной патрубки холодного теплоносителя и совпадающей с направлением вектора течения потока теплоносителя на стороне кожуха, в угловом интервале 15°≤φ_опт≤30°.The tasks are solved by using a shell-and-tube heat exchanger containing a bundle of pipes with segmented partitions, collectors with tube boards, inlet and outlet pipes for cold coolant, the bundle consisting of pipes of larger diameter d ₁ with a square arrangement of axes and pipes of smaller diameter d ₂ , placed with minimum permissible distances between the tubes of cells in the center square pipes with a diameter d _1, characterized in that the tube bundle is adapted to form a combination of different-sized tubes Ata surface with a triangular diagram of the placement of the axes of pipes, the pipes are arranged from the condition of arrangement of the vertical axes in a triangular pattern of pipes of the same diameter d ₁ or d ₂ at its base with respect to the longitudinal vertical plane of the casing of symmetry passing through the inlet and outlet of cold coolant and coinciding with the direction of the flow vector of the coolant flow on the casing side, in an angular interval of 15 ° ≤φ _opt ≤30 °.

На фиг.1 изображена схема комбинированной трубчатой поверхности в условиях изменения угла ее ориентации φ относительно направления потока теплоносителя; на фиг.2 - схема кожухотрубного теплообменника с одним ходом в трубах разных наружных диаметров (d₁>d₂) и одним ходом в снабженном перегородками кожухе; на фиг.3 - схема размещения осей труб разных диаметров d₁ и d₂ и положение пучка в кожухе с углом ориентации φ и сегментных перегородок относительно вертикальной плоскости симметрии кожуха (сечение А-А на фиг.2).Figure 1 shows a diagram of a combined tubular surface under conditions of a change in the angle of its orientation φ relative to the direction of flow of the coolant; figure 2 - diagram of a shell-and-tube heat exchanger with one stroke in pipes of different outer diameters (d ₁ > d ₂ ) and one stroke in the casing provided with partitions; figure 3 - layout of the axes of pipes of different diameters d ₁ and d ₂ and the position of the beam in the casing with an orientation angle φ and segmental partitions relative to the vertical plane of symmetry of the casing (section AA in figure 2).

При работе кожухотрубного теплообменника, содержащего пучок труб с разными наружными диаметрами (d₁>d₂), теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно омывающему наружную поверхность трубного пучка. Выполненные экспериментальные исследования теплоаэродинамических характеристик поверхности поперечно обтекаемых пучков латунных труб диаметром d₁=11 мм с последовательно размещенными в центре каждой их квадратной ячейки со стороной s=16 мм трубами диаметром d₂=6 мм показали возможность повышения теплоэнергетической эффективности комбинированной трубчатой поверхности в условиях изменения угла φ ее ориентации относительно направления воздушного потока в интервале 0°≤φ≤45° (соответствующем шахматной схеме размещением труб с φ_ш=0° и коридорной с φ_к=45°) приблизительно до 40% по сравнению с эффективностью поверхности симметричного коридорного пучка труб одинакового диаметра d=11 мм с шагом s=16 мм в угловом интервале 15°≤φ≤30° (при соответствующей величине расхода теплоносителя) [4, с.95, 96, рис.3].During the operation of a shell-and-tube heat exchanger containing a bundle of pipes with different external diameters (d ₁ > d ₂ ), the heat from the hot heat carrier passing inside the pipes is transferred through the walls to the cold heat carrier, which transversely washes the outer surface of the tube bundle. The experimental studies of the thermo-aerodynamic characteristics of the surface of transversely streamlined bundles of brass pipes with a diameter of d ₁ = 11 mm and successively placed in the center of each square cell with a side s = 16 mm of pipes with a diameter of d ₂ = 6 mm showed the possibility of increasing the heat energy efficiency of the combined tubular surface under conditions of change angle φ of its orientation relative to the direction of the air flow in the interval 0 ° ≤φ≤45 ° (corresponding to a chessboard by placing pipes with φ _ш = 0 ° and reference with φ _к = 45 °) up to approximately 40% compared with the surface efficiency of a symmetrical corridor bundle of pipes of the same diameter d = 11 mm with a step s = 16 mm in the angular interval of 15 ° ≤φ≤30 ° (with the corresponding flow rate of the coolant) [4, p. 95, 96, fig. 3].

Таким образом, оптимальная ориентация пучка труб с разными наружными диаметра относительно вектора течения потока с последовательно чередующимися по длине перегородками, сегментные срезы которых расположены под прямым углом к вертикальной плоскости симметрии кожуха, позволит обеспечить благоприятные условия поперечного обтекания и взаимодействия потока теплоносителя отрывного характера с трубчатой поверхностью, что при активизации механизмов переноса в рециркуляционных зонах межтрубного пространства будет способствовать интенсификации теплообмена в пучке труб на стороне кожуха.Thus, the optimal orientation of the tube bundle with different outer diameters relative to the flow vector with partitions sequentially alternating along the length, the segment cuts of which are located at right angles to the vertical plane of symmetry of the casing, will provide favorable conditions for the transverse flow and interaction of the detached coolant flow with the tubular surface that with the activation of transport mechanisms in the recirculation zones of the annulus will intensify ifikatsii heat transfer in the tube bundle on the shell side.

Источники информации, использованные при составлении заявки:Sources of information used in the preparation of the application:

1. П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.1. P.I. Bazhan, G.E. Kanevets, V.M. Seliverstov Handbook of heat exchangers. - M.: Mechanical Engineering, 1989. - 368 p.

2. А. Фраас, М. Оцисик. Расчет и конструирование теплообменников. Перев. с англ. - М., Энергоатомиздат, 1971. - 358 с.2. A. Fraas, M. Ocisik. Calculation and design of heat exchangers. Perev. from English - M., Energoatomizdat, 1971. - 358 p.

3. В.И. Евенко, А.К. Анисин и др. Трубчатый теплообменник / Патент на изобретение РФ №2006780 // БИ. - 1994. - №2.3. V.I. Evenko, A.K. Anisin et al. Tubular heat exchanger / RF Patent No. 20066780 // BI. - 1994. - No. 2.

4. Буглаев В.Т., Анисин А.К., Анисин А.А. Эффективность теплообмена поперечно обтекаемых комбинированных пучков труб с различными схемами расположения элементов поверхности // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. - №3. - С.88-97.4. Buglaev V.T., Anisin A.K., Anisin A.A. The heat transfer efficiency of transversely streamlined combined tube bundles with various patterns of surface elements // Izv. universities. Nuclear energy. 2000. - No. 3. - S.88-97.

Claims

A shell-and-tube heat exchanger containing a bundle of pipes with segmented partitions, collectors with tube boards, inlet and outlet pipes for cold coolant, the bundle consists of pipes of larger diameter d ₁ with a square arrangement of axes and pipes of smaller diameter d ₂ placed with the minimum allowable annular distances in the center of square cells with pipes with a diameter of d ₁ , characterized in that the tube bundle is formed with the formation of a combined different-sized tubular surface with a triangular layout about pipes, while the pipes are placed from the condition of the vertical axes in the triangular pattern of pipes of the same diameter d ₁ or d ₂ at its base relative to the longitudinal vertical plane of symmetry of the casing passing through the inlet and outlet pipes of the coolant and coinciding with the direction of the flow vector of the coolant flow side of the casing, in an angular interval of 15 ° ≤φ _opt ≤30 °.