RU175917U1

RU175917U1 - Tubular heat exchanger

Info

Publication number: RU175917U1
Application number: RU2017105561U
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Анисин; Александр Константинович Анисин; Владимир Николаевич Сапич
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2017-12-22

Abstract

Полезная модель относится к теплообменной технике. Теплообменник содержит поперечно обтекаемый пучок труб с поверхностью в виде чередующихся одинаковых по длине трубы осесимметричных участков различной формы, цилиндрической круговой и профильной в виде сдвоенных цилиндрических круглых элементов, и коллекторы с трубными досками. Участки наружной трубчатой поверхности с разной геометрией и одинаковым порядком чередования на каждой трубе поперечного ряда, но разным по рядам, располагаются последовательно по ходу потока теплоносителя. Трубы с цилиндрическими круговыми концевыми участками одинакового диаметра расположены в вершинах треугольника разбивки трубных досок при шахматной компоновке их в пучке. Конструкция обеспечивает повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение массы и металлоемкости при уменьшении габаритов теплообменника. 5 ил.The utility model relates to heat transfer technology. The heat exchanger contains a transversely streamlined tube bundle with a surface in the form of alternating axisymmetric sections of different shapes that are identical in length, cylindrical circular and profile in the form of double cylindrical round elements, and collectors with tube plates. Sections of the outer tubular surface with different geometries and the same sequence of alternation on each pipe of the transverse row, but different in rows, are arranged sequentially along the flow of the coolant. Pipes with cylindrical circular end sections of the same diameter are located at the vertices of the triangle of the breakdown of the tube plates with a checkerboard layout in a bundle. The design provides an increase in the heat transfer efficiency of the tubular surface, a decrease in mass and metal consumption while reducing the dimensions of the heat exchanger. 5 ill.

Description

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть использована при создании теплообменных аппаратов и устройств транспортного, энергетического и промышленного 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 transport, energy and industrial purposes, the basis of which are transversely streamlined tubular surfaces.

Известен теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок цилиндрических труб одинакового диаметра с прямоугольной или треугольной разбивкой и коллекторы с трубными досками [Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989,. - 368 с., с. 7-8, рис. 1.1 а; с. 25, 26, табл. 1.5].Known heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of cylindrical pipes of the same diameter with a rectangular or triangular breakdown and collectors with tube plates [Bazhan PI and other Handbook of heat exchangers / P.I. Bazhan, G.E. Kanevets, V.M. Seliverstov. - M.: Mechanical Engineering, 1989 ,. - 368 p., P. 7-8, fig. 1.1 a; from. 25, 26, tab. 1.5].

Недостатком такого теплообменника является пониженная эффективность теплоотдачи наружной поверхности труб и повышенная металлоемкость, обусловленные тем, что трубный пучок выполнен из труб одинакового диаметра с характерным наличием малоактивных рециркуляционных зон в межтрубном пространстве и ограниченным уровнем турбулентности потока. В наибольшей мере указанные недостатки проявляются в теплообменниках с коридорной компоновкой труб. При этом интенсивность теплоотдачи поверхности шахматных пучков труб, как и величина гидравлического сопротивления, выше, чем в коридорных пучках с сопоставимой геометрией [Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. - 472 с.].The disadvantage of this heat exchanger is the reduced heat transfer efficiency of the outer surface of the pipes and the increased metal consumption due to the fact that the tube bundle is made of pipes of the same diameter with the characteristic presence of low-active recirculation zones in the annulus and a limited level of flow turbulence. To the greatest extent, these shortcomings are manifested in heat exchangers with a corridor layout of pipes. At the same time, the heat transfer intensity of the surface of chess pipe bundles, as well as the hydraulic resistance value, is higher than in corridor bundles with a comparable geometry [Zhukauskas A.A. Convective transfer in heat exchangers. - M .: Nauka, 1982. - 472 p.].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является трубчатый теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб с наружной поверхностью в виде чередующихся одинаковых по длине круговых цилиндрических участков с разными, большим и меньшим, наружными диаметрами, последовательно расположенных по ходу потока, и коллекторы с трубными досками [А.А. Анисин, А.К. Анисин, В.Т. Буглаев. Трубчатый теплообменник/Патент на изобретение РФ № 2171439 // БИ, 2001, № 21].The closest technical solution, selected as a prototype, is a tubular heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of pipes with an outer surface in the form of alternating circular cylindrical sections of equal length, with different, larger and smaller, outer diameters sequentially located along the flow, and collectors with pipe boards [A.A. Anisin, A.K. Anisin, V.T. Buglaev. Tubular heat exchanger / Patent for the invention of the Russian Federation No. 2171439 // BI, 2001, No. 21].

Недостатком этого теплообменника являются сравнительно невысокая эффективность теплообмена и повышенная металлоемкость.The disadvantage of this heat exchanger is the relatively low efficiency of heat transfer and increased metal consumption.

Отмеченное снижение тепловой эффективности может быть связано с ослаблением механизма генерирования дополнительной турбулентности потока теплоносителя в межтрубном пространстве с внешней стороны разновеликих цилиндрических элементов при уменьшении относительных шагов их расположения, как это установлено, в частности, при исследовании коридорных трубных пучков в работе [А.А. Анисин, А.К. Анисин, В.Т. Буглаев. Трубчатый теплообменник / Патент на изобретение РФ № 2171439 // БИ, 2001, № 21, Анисин А.А. Сравнение эффективности теплоотдачи поперечно обтекаемых потоком воздуха симметричных коридорных пучков труб переменного сечения с различной конфигурацией // Справочник. Инженерный журнал, 2008, №3, с. 60, рис. 3.], а также с наличием местных потерь напора из-за непостоянного сечения в местах изменения формы внутренних каналов труб с резкими расширениями и сужениями потока.The noted decrease in thermal efficiency may be due to a weakening of the mechanism for generating additional turbulence in the coolant flow in the annulus from the outside of the different-sized cylindrical elements with a decrease in the relative steps of their location, as was established, in particular, when studying corridor tube bundles in [A.A. Anisin, A.K. Anisin, V.T. Buglaev. Tubular heat exchanger / Patent for the invention of the Russian Federation No. 2171439 // BI, 2001, No. 21, Anisin A.A. Comparison of the heat transfer efficiency of transverse symmetric corridor bundles of pipes of variable cross section with a different configuration, transversely streamlined by an air stream // Reference. Engineering Journal, 2008, No. 3, p. 60, fig. 3.], as well as with the presence of local pressure losses due to inconsistent cross-sections at the places of changing the shape of the internal pipe channels with sharp expansions and narrowing of the flow.

Задачей полезной модели являются повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение металлоемкости и уменьшение объема теплообменника.The objective of the utility model is to increase the heat transfer efficiency of the tubular surface, reduce metal consumption and reduce the volume of the heat exchanger.

Поставленная задача решается в трубчатом теплообменнике, содержащем поперечно обтекаемый пучок труб, поверхность которых разделена на одинаковые по длине трубы осесимметричные цилиндрические участки с разной геометрией, и коллекторы с трубными досками. Участки наружной трубчатой поверхности различной формы, цилиндрической круговой и профильной в виде сдвоенных цилиндрических круглых элементов, выполнены чередующимися вдоль оси трубы и при одинаковом порядке чередования на каждой трубе отдельного поперечного ряда, но разном по рядам, последовательно расположены по ходу потока теплоносителя в пучке. При этом оси труб пучка с цилиндрическими круговыми концевыми участками одинакового диаметра совпадают с вершинами треугольника разбивки трубных досок при шахматной компоновке труб в пучке, обеспечивая минимально допустимые межтрубные расстояния.The problem is solved in a tubular heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of pipes, the surface of which is divided into axisymmetric cylindrical sections with different geometries of equal length, and collectors with tube plates. Sections of the outer tubular surface of various shapes, cylindrical circular and profile in the form of double cylindrical round elements, are made alternating along the axis of the pipe and with the same alternating order on each pipe of a separate transverse row, but different in rows, are sequentially located along the flow of coolant in the beam. In this case, the axes of the tube tubes with cylindrical circular end sections of the same diameter coincide with the vertices of the triangle of the breakdown of the tube boards in a checkerboard arrangement of tubes in the tube, providing the minimum allowable annular distances.

При осуществлении полезной модели могут быть получены следующие технико-экономические результаты.When implementing a utility model, the following technical and economic results can be obtained.

1. Повышение эффективности теплоотдачи за счет дополнительной турбулизации потока при поперечном обтекании чередующихся упорядоченных по рядам пучка участков с разной геометрией трубчатой поверхности, формирующих трехмерный характер отрывного течения потока в межтрубных каналах.1. Increasing the efficiency of heat transfer due to additional turbulization of the flow during the transverse flow around alternating sections arranged in rows of the beam with different geometry of the tubular surface, forming the three-dimensional nature of the separated flow in the annular channels.

2. Снижение металлоемкости и повышение компактности трубчатых теплообменных аппаратов.2. Reducing metal consumption and increasing the compactness of tubular heat exchangers.

На фиг. 1 изображена схема трубчатого теплообменника, продольный разрез; на фиг. 2 - элемент поверхности трубного пучка с трубными досками; на фиг. 3 - аксонометрическое изображение элемента трубчатой поверхности; на фиг. 4 - схема разбивки труб в трубных досках при шахматной компоновке с шагами s1ш и s2ш, сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 5 - схема расположения труб в пучке при шахматной компоновке, сечение Б-Б на фиг. 2.In FIG. 1 shows a diagram of a tubular heat exchanger, a longitudinal section; in FIG. 2 - an element of the surface of the tube bundle with tube plates; in FIG. 3 is a perspective view of an element of a tubular surface; in FIG. 4 is a diagram of the breakdown of pipes in pipe boards with a chess layout with steps s1ш and s2ш , section AA in FIG. 2; in FIG. 5 is a schematic diagram of the arrangement of pipes in a bundle with a checkerboard layout, section BB in FIG. 2.

Трубчатый теплообменник содержит поперечно обтекаемый пучок труб 1, поверхность которых разделена на одинаковые по длине трубы чередующиеся осесимметричные участки различной формы, цилиндрической круговой 4 с наружным диаметром d1 и профильной 5 в виде сдвоенных цилиндрических круглых элементов с наружным диаметром d2(d2<d1) и шириной с, и коллекторы 2 с трубными досками 3. Участки трубчатой поверхности с разной геометрией и одинаковым чередованием на каждой трубе поперечного ряда, но разным по рядам, располагаются последовательно по ходу потока теплоносителя. Трубы в пучке расположены по вершинам треугольника (фиг. 4, 5), образуя шахматную с шагами s1ш и s2ш компоновку трубчатых элементов.The tubular heat exchanger contains a transversely streamlined bundle of pipes 1 , the surface of which is divided into alternating axisymmetric sections of different shapes that are identical along the length of the pipe, circular cylindrical 4 with an outer diameter d1 and profile 5 in the form of double cylindrical round elements with an outer diameter d2 (d2 <d1) and a width s , and collectors 2 with tube plates 3 . The sections of the tubular surface with different geometries and the same alternation on each pipe of the transverse row, but different in rows, are arranged sequentially along the flow of the coolant. The pipes in the bundle are located at the vertices of the triangle (Figs. 4, 5), forming a staggered arrangement of tubular elements with steps s1ш and s2ш .

При работе трубчатого теплообменника теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно обтекающему наружную поверхность труб.During the operation of the tubular heat exchanger, heat from the hot heat carrier passing inside the pipes is transferred through the walls to the cold heat carrier, which transversely flows around the outer surface of the pipes.

Предлагаемая периодическая геометрия поверхности исключает формирование полностью развитого режима течения, характерного для потока в обычной цилиндрической трубе постоянного сечения. При переходе потока из участка 4 с цилиндрической круговой формой в профильный 5 в виде сдвоенных цилиндрических круглых трубчатых элементов с меньшим эквивалентным диаметром каждого из них происходит перестройка профиля скорости течения во внутренней области пограничного слоя, что предполагает повышение интенсивности теплоотдачи на внутренней стороне стенки профильного участка трубы в пучке. Вместе с тем величина проходного сечения внутреннего канала практически не изменяется вдоль оси трубы при указанном переходе потока из участка в участок, исключая таким образом существенное увеличение гидравлического сопротивления по внутренней стороне трубчатой поверхности. Одновременное улучшение условий отрывного обтекания труб с шахматной компоновкой с чередующимися по рядам в поперечном и продольном направлениях и участками цилиндрической круговой 4 и профильной 5 наружной поверхности, и дополнительная турбулизация потока в межтрубном пространстве обеспечивают наибольшую эффективность теплоотдачи наружной поверхности поперечно обтекаемого шахматного пучка профильных труб.The proposed periodic surface geometry excludes the formation of a fully developed flow regime characteristic of a flow in a regular cylindrical pipe of constant cross section. When the flow passes from section 4 with a cylindrical circular shape to profile 5 in the form of double cylindrical round tubular elements with a smaller equivalent diameter of each of them, the profile of the flow velocity in the inner region of the boundary layer is rearranged, which implies an increase in the heat transfer intensity on the inner side of the wall of the profile pipe section in a bunch. At the same time, the size of the passage section of the inner channel practically does not change along the pipe axis at the indicated transition of the flow from section to section, thus eliminating a significant increase in hydraulic resistance along the inner side of the tubular surface. Simultaneous improvement of the conditions for tear-off flow around pipes with a checkerboard layout with alternating rows in the transverse and longitudinal directions and sections of a cylindrical circular 4 and profile 5 outer surface, and additional turbulization of the flow in the annular space provide the greatest heat transfer efficiency of the outer surface of the transversely streamlined chess-board bundle of profile pipes.

Claims

A tubular heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of pipes, the surface of which is divided into axisymmetric cylindrical sections with different geometries of the same length, and collectors with tube plates, characterized in that the sections of the outer tubular surface are of various shapes, cylindrical circular and shaped, in the form of double cylindrical round elements made alternating along the axis of the pipe and with the same alternating order on each pipe of a separate transverse row, but different in rows, well located along the flow of the coolant in the beam; the axes of the tube tubes with cylindrical circular end sections of the same diameter coincide with the vertices of the triangle of the breakdown of the tube boards in a checkerboard arrangement of tubes in the tube, providing the minimum allowable annular distances.