RU185495U1

RU185495U1 - Tubular heat exchanger

Info

Publication number: RU185495U1
Application number: RU2017110952U
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Анисин; Александр Константинович Анисин; Владимир Николаевич Сапич
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Полезная модель относится к теплообменной технике. Теплообменник содержит поперечно обтекаемый пучок труб переменного сечения с последовательно чередующимися вдоль оси коническими расширяющимися участками поверхности с оптимальным углом раскрытия конуса. При шахматной схеме компоновки трубы в смежных рядах пучка имеют противоположную периодичность чередования конических участков, обеспечивая наиболее полное обтекание потоком расположенных по течению круговых элементов поверхности с непрерывно изменяющейся вдоль оси трубы от большего основания конуса к меньшему его основанию величиной наружного диаметра. Конструкция обеспечивает повышение эффективности теплоотдачи трубчатой поверхности, снижение массы и металлоемкости при уменьшении габаритов теплообменника. 7 ил.

The utility model relates to heat transfer technology. The heat exchanger contains a transversely streamlined bundle of tubes of variable cross-section with conically expanding consecutive surface sections successively alternating along the axis with an optimum cone opening angle. In a checkerboard pattern, the pipe layouts in adjacent rows of the beam have the opposite periodicity of alternating conical sections, providing the most complete flow around the flow of circular elements of the surface with continuously varying along the axis of the pipe from the larger base of the cone to its smaller outer diameter. 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. 7 ill.

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 теплообменники, содержащие поперечно обтекаемые пучки цилиндрических труб одинакового диаметра с прямоугольной (коридорной) или треугольной (шахматной) 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. 1.1а; с. 25-26, табл. 1.5].Known heat exchangers containing transversely streamlined bundles of cylindrical pipes of the same diameter with a rectangular (corridor) or triangular (checkerboard) breakdown, and collectors with pipe boards [Bazhan PI and other Handbook of heat exchangers / P.I. Bazhan, G.E. Kanevets, V.M. Seliverstov. - M: Engineering, 1989 .-- 368 p., P. 7-8, fig. 1.1a; from. 25-26, tab. 1.5].

Недостатком указанных теплообменников является низкая эффективность теплоотдачи наружной поверхности пучка труб одинакового диаметра, обусловленная малоактивным механизмом процессов переноса в рециркуляционных зонах межтрубного пространства. Создание наиболее благоприятных условий поперечного обтекания труб в пучке, обеспечивающих рациональный отрывный характер потока, является важным фактором повышения эффективности теплообмена. Одним из таких подходов, направленным на интенсификацию теплообмена, является применение в пучках профильных труб с оптимальной формой поперечного сечения и схемами компоновки.The disadvantage of these heat exchangers is the low heat transfer efficiency of the outer surface of the tube bundle of the same diameter, due to the inactive mechanism of transfer processes in the recirculation zones of the annular space. The creation of the most favorable conditions for the transverse flow around pipes in a bundle, ensuring a rational detachable nature of the flow, is an important factor in increasing the efficiency of heat transfer. One of such approaches aimed at the intensification of heat transfer is the use in bundles of shaped pipes with an optimal cross-sectional shape and layout schemes.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменник, содержащий поперечно обтекаемый пучок труб конусоидальной формы, обусловленной разной величиной концевых диаметров [патент на изобретение РФ №2170898]. При этом трубы в пучке с одинаковыми концевыми диаметрами расположены в противоположных вершинах прямоугольника коридорной или вершинах при основании треугольника шахматной разбивки осей трубных досок. Наряду с достаточно высокой теплоэнергетической эффективностью наружной трубчатой поверхности, экспериментально установленной в работе [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. 56-61], определенным недостатком такого теплообменника с коридорным пучком относительно длинных конусных труб может быть уменьшение интенсивности теплоотдачи по наружной и внутренней сторонам из-за небольшой величины угла раскрытия конической поверхности и ослабления эффекта дополнительной турбулизации при снижении активности отрывных явлений в потоке внутри труб и в рециркуляционных зонах межтрубного пространства.The closest technical solution, selected as a prototype, is a heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of conical tubes, due to different sizes of the end diameters [patent for invention of the Russian Federation No. 2170898]. In this case, pipes in a bundle with the same end diameters are located at opposite vertices of the corridor rectangle or the vertices at the base of the chessboard triangle breakdown of the axes of the tube plates. Along with a sufficiently high heat energy efficiency of the outer tubular surface, experimentally established in [Anisin A.A., Comparison of the heat transfer efficiency of transverse streamlined symmetrical corridor bundles of tubes of variable cross section with different configurations // Reference. Engineering Journal. 2008. No3. P. 56-61], a certain drawback of such a heat exchanger with a corridor bundle of relatively long conical pipes may be a decrease in the heat transfer intensity on the outer and inner sides due to the small opening angle of the conical surface and the weakening of the effect of additional turbulization while reducing the activity of separation phenomena in the flow inside pipes and in the recirculation zones of the annular space.

Вместе с тем в работе [Суза Мендес, Спэрроу. Турбулентный теплообмен и его интенсификация, потери давления и картины течения жидкости в трубах с периодическим сужением и расширением проходного сечения // Теплопередача. - 1984, т. 106, №1. - С. 57-67,] установлена возможность интенсификации теплообмена при течении воздуха в трубе с попеременно расширяющимися и сужающимися одинаковыми коническими участками-модулями с углом конусности ϕ≈6-10° на 30-60% по сравнению с гладкой прямой трубой.However, in the work of [Susa Mendes, Sparrow. Turbulent heat transfer and its intensification, pressure loss and patterns of fluid flow in pipes with periodic narrowing and expansion of the bore // Heat transfer. - 1984, t. 106, No. 1. - P. 57-67,] the possibility of intensifying heat transfer during air flow in a pipe with alternately expanding and tapering identical conical sections-modules with a taper angle ϕ≈6-10 ° by 30-60% compared with a smooth straight pipe is established.

Поэтому наблюдается возможность применения в теплообменных аппаратах и устройствах пучков труб переменного сечения в виде коротких чередующихся по оси участков конической поверхности с рациональными углами раскрытия конуса и схемами размещения с целью одновременной интенсификации теплоотдачи как в условиях поперечного обтекания потоком теплоносителя наружной трубчатой поверхности, так и поверхности внутри труб.Therefore, it is possible to use tube bundles of variable cross section in heat exchangers and devices in the form of short conical surface sections alternating along the axis with rational opening angles of the cone and layouts to simultaneously intensify heat transfer both under conditions of transverse flow around the heat transfer medium of the outer tubular surface and the surface inside pipes.

Известно, что интенсивность теплоотдачи поверхности шахматных пучков труб постоянного сечения, 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.]. Однако, как отмечено в [Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования / Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 264 с.], прирост теплообмена энергетически более весом, чем прирост сопротивления, и даже небольшое повышение интенсивности теплоотдачи может возместить увеличение потери энергии на преодоление сопротивления и обеспечить рост теплоэнергетической эффективности трубчатой поверхности. Поэтому во многих практически обоснованных случаях более приоритетным является использование шахматной схемы размещения труб в пучке.It is known that the intensity of heat transfer on the surface of a chessboard bundle of pipes of constant cross section, as well as the value of hydraulic resistance is higher than in corridor bundles with a comparable geometry [Zhukauskas A.A. Convective transport in heat exchangers / M .: Nauka, 1982. - 472 p.]. However, as noted in [Migai V.K. Modeling of heat-exchange power equipment / L .: Energoatomizdat, 1987. - 264 p.], The increase in heat transfer is energetically more weighty than the increase in resistance, and even a small increase in the heat transfer intensity can offset the increase in energy loss to overcome resistance and provide an increase in the heat and power efficiency of the tubular surface. Therefore, in many practically justified cases, the use of a checkerboard pattern for placing pipes in a bundle is more priority.

Задачей предлагаемой полезной модели являются повышение теплоэнергетической эффективности, снижение металлоемкости и увеличение компактности трубчатой поверхности теплообменных аппаратов и устройств.The objective of the proposed utility model is to increase heat energy efficiency, reduce metal consumption and increase the compactness of the tubular surface of heat exchangers and devices.

Указанная задача решается при использовании трубчатого теплообменника, содержащего поперечно обтекаемый пучок профильных труб переменного сечения и коллекторы с трубными досками, отличающийся тем, что каждая труба имеет периодическую конфигурацию в виде последовательно чередующихся вдоль оси плавно сочлененных круглых конических расширяющихся участков поверхности длиной, обусловленной величиной диаметра большего основания конуса, равного диаметру непрофилированного цилиндрического прямого концевого участка трубы, оптимальным углом раскрытия конуса и величиной диаметра его меньшего основания, и при шахматной схеме размещения трубы в смежных рядах пучка имеют противоположную периодичность чередования конических участков.This problem is solved by using a tubular heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of profile tubes of variable cross section and collectors with tube plates, characterized in that each tube has a periodic configuration in the form of smoothly articulated round conical expanding surface sections with a length depending on the diameter of a larger diameter the base of the cone, equal to the diameter of the non-profiled cylindrical straight pipe end section, optimal glom cone opening and the size of the diameter of its smaller base, and checkerboard scheme tube placement in adjacent rows have opposite beam frequency interleaving conical portions.

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 путем дополнительной турбулизации потока теплоносителя при поперечном обтекании периодически чередующихся конических наружных участков трубчатой поверхности и одновременной интенсификации теплообмена по внутренней стороне труб с оптимальным профилем поверхности канала.1. Increasing the efficiency of heat transfer by additional turbulization of the coolant flow during transverse flow around periodically alternating conical outer sections of the tubular surface and at the same time intensifying heat transfer along the inner side of the pipes with an optimal channel surface profile.

2. Снижение металлоемкости и увеличение компактности поверхности теплообмена.2. Reducing metal consumption and increasing the compactness of the heat transfer surface.

На фиг. 1 изображена схема трубчатого теплообменника, продольный разрез; на фиг. 2 показана геометрия трубы переменного сечения с коническими участками поверхности; на фиг. 3 изображен элемент поверхности пучка профильных труб с шахматной разбивкой трубных досок; на фиг. 4 - аксонометрическое изображение элемента трубчатой поверхности; на фиг. 5 - схема расположения труб с шагами s _1ш и s ₂ _ш в шахматном пучке, сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 6 - схема расположения труб в пучке, сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 7 - схема расположения труб в пучке, сечение В-В на фиг. 3.In FIG. 1 shows a diagram of a tubular heat exchanger, a longitudinal section; in FIG. 2 shows the geometry of a pipe of variable cross section with conical surface sections; in FIG. 3 shows a surface element of a bundle of shaped tubes with a checkerboard pattern of tube boards; in FIG. 4 is a perspective view of an element of a tubular surface; in FIG. 5 is a diagram of the arrangement of pipes with steps s _1ш and s ₂ _ш in a staggered beam, section AA in FIG. 3; in FIG. 6 is a pipe arrangement diagram in a bundle, section BB in FIG. 3; in FIG. 7 - arrangement of pipes in the beam cross section B-B in FIG. 3.

Профильные трубы 1 переменного сечения (фиг. 2) состоят из последовательности конфузорно-диффузорных участков-циклов. Длина расширяющегося конического участка определяется максимальным d ₁ и минимальным диаметрами и углом d ₂ одностороннего раскрытия конуса. При этом длина соответствующего участка плавного сопряжения расширяющихся участков имеет вид синусоиды, что обеспечивает рациональный отрывный характер внутреннего потока с образованием нестационарных микроотрывов, интенсифицирующих теплообмен и не вызывающих большого повышения гидравлического сопротивления. Профильные трубы в пучке с концевыми прямыми участками диаметром d ₁, одинаковым с диаметром большего основания конуса, могут быть расположены по вершинам треугольника разбивки осей в трубных досках 3, образуя шахматную с шагами s _1ш и s ₂ _ш компоновку труб.Profile pipes 1 of variable cross section (Fig. 2) consist of a sequence of confuser-diffuser sections-cycles. The length of the expanding conical section is determined by the maximum d ₁ and the minimum diameters and angle d _{2 of the} one-sided opening of the cone. The length of the corresponding section of smooth conjugation of the expanding sections has the form of a sinusoid, which ensures a rational detachable nature of the internal flow with the formation of unsteady microseparations that intensify heat transfer and do not cause a large increase in hydraulic resistance. Profile pipes in a bundle with end straight sections with a diameter of d ₁ identical with the diameter of the larger base of the cone can be located at the vertices of the axial alignment triangle in tube plates 3, forming a staggered pipe arrangement with steps s _1ш and s ₂ _ш .

При работе трубчатого теплообменника, содержащего поперечно обтекаемый пучок профильных труб 1 и коллекторы 2 с трубными досками 3, теплота от горячего теплоносителя, проходящего внутри труб, через стенки передается холодному теплоносителю, поперечно обтекающему наружную трубчатую поверхность. Эффективность процесса теплопередачи в пучке определяется в значительной мере интенсивностью теплообмена между наружной поверхностью труб и омывающим ее теплоносителем. Как видно на фиг. 3-7, наклонные межтрубные зазоры, определяющие диагональные проходные сечения, формируют в пространстве между коническими участками различное по направлению, зигзагообразное течение потока. При этом поперечные проходные сечения обеспечивают полноту обтекания потоком лобовой части поверхности последовательно чередующихся по глубине пучка конических участков профильных труб.During operation of a tubular heat exchanger containing a transversely streamlined bundle of profile pipes 1 and collectors 2 with tube plates 3, the heat from the hot heat carrier passing inside the pipes is transferred through the walls to the cold heat carrier transversely flowing around the outer tubular surface. The efficiency of the heat transfer process in the beam is determined to a large extent by the intensity of heat transfer between the outer surface of the pipes and the coolant washing it. As seen in FIG. 3-7, the inclined annular gaps defining the diagonal passage sections form in the space between the conical sections a different in direction, zigzag flow flow. In this case, the cross-sectional passage sections ensure the completeness of the flow around the frontal part of the surface of conical sections of profile pipes alternately alternating along the depth of the beam.

Таким образом, в благоприятных условиях поперечного обтекания и взаимодействия потока теплоносителя отрывного характера с профильной конической поверхностью, способствующих дополнительной турбулизации течения, ожидается увеличение интенсивности теплоотдачи наружной поверхности пучка труб. Вместе с тем по внутренней стороне в трубах с профилированными каналами обеспечивается также повышение теплообмена по сравнению с гладкой прямой трубой.Thus, under favorable conditions of transverse flow and interaction of a detached coolant flow with a profile conical surface, which contribute to additional turbulence of the flow, an increase in the heat transfer intensity of the outer surface of the tube bundle is expected. At the same time, on the inner side in pipes with profiled channels, an increase in heat transfer is also provided in comparison with a smooth straight pipe.

Claims

A tubular heat exchanger containing a transversely streamlined bunch of profile tubes of variable cross section and collectors with tube plates, characterized in that each tube has a periodic configuration in the form of consecutively alternating along the axis of smoothly jointed round conical expanding sections of the surface length, due to the diameter of the larger base of the cone, equal to the diameter non-profiled cylindrical straight end section of the pipe, the optimum angle of the cone and the value of its diameter enshego base and pipe placement checkerboard pattern in adjacent rows have opposite beam frequency interleaving conical portions.