RU2238501C1 - Shell-and-tube heat exchanger and method for its assembly - Google Patents

Shell-and-tube heat exchanger and method for its assembly Download PDF

Info

Publication number
RU2238501C1
RU2238501C1 RU2003112792/06A RU2003112792A RU2238501C1 RU 2238501 C1 RU2238501 C1 RU 2238501C1 RU 2003112792/06 A RU2003112792/06 A RU 2003112792/06A RU 2003112792 A RU2003112792 A RU 2003112792A RU 2238501 C1 RU2238501 C1 RU 2238501C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tube
holes
heat
tubes
diameter
Prior art date
Application number
RU2003112792/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003112792A (en
Inventor
В.И. Грошиков (RU)
В.И. Грошиков
Р.Л. Лотфуллин (RU)
Р.Л. Лотфуллин
Ф.А. Марданов (RU)
Ф.А. Марданов
В.П. Рак (RU)
В.П. Рак
И.А. Самошкин (RU)
И.А. Самошкин
И.Н. Хусаинов (RU)
И.Н. Хусаинов
Original Assignee
Грошиков Владимир Иванович
Лотфуллин Рафиль Лотфуллович
Марданов Фарит Абекарамович
Рак Виктор Петрович
Самошкин Игорь Анатольевич
Хусаинов Игорь Нургалеевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Грошиков Владимир Иванович, Лотфуллин Рафиль Лотфуллович, Марданов Фарит Абекарамович, Рак Виктор Петрович, Самошкин Игорь Анатольевич, Хусаинов Игорь Нургалеевич filed Critical Грошиков Владимир Иванович
Priority to RU2003112792/06A priority Critical patent/RU2238501C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2238501C1 publication Critical patent/RU2238501C1/en
Publication of RU2003112792A publication Critical patent/RU2003112792A/en

Links

Images

Landscapes

  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

FIELD: applicable for manufacture of heat exchangers, mainly for internal combustion engines of transport facilities.
SUBSTANCE: the shell-and-tube heat exchanger has a shell positioned in which is a bank of heat-exchange tubes with cooling ribs fastened by the ends of the tubes in the through holes of the tube plates, the ends of the tubes project outside the limits of the tube plate, and the interplate space is divided by transversal partitions forming the refrigerated cube with inlet and outlet connections of the intertube medium, and the intratube medium feed and discharge connections connected to the shell flanges on both sides of the heat exchanger, one of the tube plates is fixed between the shell flange and the header, and the other is positioned hermetically inside the shell for longitudinal motion at temperature variations of the bank length of the heat-exchange tubes, mounted by the terminal parts of the tubes in the through holes of the tube plates by mandrelling, the through holes in the tube plates are step-shaped, at least on the side of the end of the heat-shaped, at least on the side of the end of the heat-exchange tube, besides, the length of connection of the heat-exchange tube to the tube plate is selected from conduction 0,5dhole<T<2,0dhole , where T- the length of connection of the heat-exchange tube to the tube plate, dhole - the diameter of the through hole of the tube plate. The method for assembly of the shell-and-tube heat exchanger consists in sealing of the terminal parts of the heat-exchange tubes in the through holes of the tube plates, to this end, the tube ends are driven through the tube plate through the through holes of the walls and sealed in the through holes by mandrelling, after which the flexible material of the wall of the through hole squeezes the outside and inside diameters of the heat-exchange tube at the length of engagement with the tube plate by the value of flexible expansion of the through hole, caused by mandrelling of the plastic terminal part of the heat-exchange tube at longitudinal motion of the cylindrical mandrel relative to the tube plate, the through holes in the tube plates are worked with the wall roughness within 6.3 to 25mkμ, and mandrelling of the terminal parts of the heat-exchange tube in the through holes of the tube plates is conducted up to the increase of the outside diameter of the terminal part of the tube to a dimension at least exceeding the diameter of the through hole to the depth of the roughness at a longitudinal motion of the mandrel maximum diameter over a length equal to the thickness of the tube plate.
EFFECT: enhanced reliability of connection of tubes to the tube plate, reduced force of mandrelling during assembly of the heat exchanger.

Description

Изобретение относится к области теплообмена и может быть использовано при изготовлении теплообменников преимущественно для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.The invention relates to the field of heat transfer and can be used in the manufacture of heat exchangers mainly for internal combustion engines of vehicles.

Известен теплообменник, содержащий кожух, в котором размещены закрепленные в трубных досках теплообменные трубы, снабженные компенсаторами температурных расширений. Теплообменные трубы выполнены составными из установленных с зазором автономных отрезков труб, имеющих на свободных концах внутренние цилиндрические проточки, а компенсатор выполнен в виде пары вставленных друг в друга пружинящих колец с диаметрально противоположными продольными разрезами. (Авт. св. СССР №1562656 А1. Кожухотрубный теплообменник. - МКИ 5: F 28 D 7/16, Бюл. №17, 07.05.1990 г.). Недостатком известного теплообменника является низкая надежность и технологичность конструкции.Known heat exchanger containing a casing in which are placed fixed in the tube sheets of the heat exchanger tubes, equipped with expansion joints temperature expansion. Heat-exchange pipes are made of integral autonomous pipe sections installed with a gap, having inner cylindrical grooves at the free ends, and the compensator is made in the form of a pair of spring rings inserted into each other with diametrically opposite longitudinal sections. (Aut. St. USSR No. 1562656 A1. Shell-and-tube heat exchanger. - MKI 5: F 28 D 7/16, Bull. No. 17, 05/07/1990). A disadvantage of the known heat exchanger is the low reliability and adaptability of the design.

Известен теплообменник, содержащий кожух, в котором размещен пучок теплообменных трубок с охлаждающими ребрами, закрепленный концами трубок в сквозных отверстиях трубных досок, причем концы трубок выступают за пределы досок. Межтрубное пространство разделено поперечными перегородками, образующими охладительный контур с патрубками подвода и отвода межтрубной среды. К фланцам кожуха с обеих сторон теплообменника присоединены коллекторы подвода и отвода внутритрубной среды (Авт. св. СССР №1632729 А1. Способ изготовления кожухотрубного теплообменника - МКИ 5: В 23 Р 15/26, Бюл. №9, 07.03.1991 г.). Данный теплообменник принят за прототип.Known heat exchanger containing a casing in which a bundle of heat exchange tubes with cooling fins is placed, fixed by the ends of the tubes in the through holes of the tube plates, the ends of the tubes protruding beyond the boards. The annulus is divided by transverse partitions forming a cooling circuit with nozzles for supplying and discharging the annulus. On the flanges of the casing on both sides of the heat exchanger are connected manifolds for supplying and discharging the in-pipe medium (Aut. St. USSR No. 1632729 A1. A method of manufacturing a shell-and-tube heat exchanger - MKI 5: V 23 P 15/26, Bull. No. 9, 03.03.1991) . This heat exchanger is taken as a prototype.

Недостатком известного теплообменника, принятого за прототип, является сложность его сборки, т.к. внешний контур поперечных перегородок формируется спеканием на трубках ферромагнитных частиц между собой, образуя монолитную перегородку между трубками, внешний контур которых требует дополнительной обработки в размер кожуха непосредственно на пучке труб, обладающем малой жесткостью конструкции, а также отсутствие продольной фиксации трубных досок в кожухе теплообменника.A disadvantage of the known heat exchanger, taken as a prototype, is the complexity of its assembly, because the external contour of the transverse partitions is formed by sintering on the tubes of ferromagnetic particles between themselves, forming a monolithic partition between the tubes, the external contour of which requires additional processing to the size of the casing directly on the tube bundle, which has low structural rigidity, as well as the absence of longitudinal fixation of the tube plates in the heat exchanger casing.

Известен способ сборки кожухотрубного теплообменника, включающий заделывание концевых частей теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток. Для этого концы трубок вставляют в сквозные отверстия трубной решетки с высокой прочностью стенок. Затем заделывают концы трубок в сквозных отверстиях дорнованием, при котором упругий материал стенки отверстия сжимает наружный и внутренний диаметры трубки на длине контакта с трубной решеткой за счет упругого расширения сквозного отверстия, вызываемого дорнованием пластичной концевой части теплообменной трубки при продольном перемещении цилиндрического дорна относительно трубной решетки. (Патент US №4,456,059. Трубчатый теплообменник и способ его сборки. МКИ 5: F 28 F 9/04, Бюл. №415.029, 26.06.1984 г.). Данный способ принят за прототип.A known method of assembling a shell-and-tube heat exchanger, comprising sealing the end parts of the heat exchange tubes in the through holes of the tube sheets. To do this, the ends of the tubes are inserted into the through holes of the tube sheet with high wall strength. Then, the ends of the tubes in the through holes are sealed with a mandrel, in which the elastic material of the hole wall compresses the outer and inner diameters of the tube along the length of contact with the tube sheet due to the elastic expansion of the hole through the mandrel of the plastic end portion of the heat exchange tube during longitudinal movement of the cylindrical mandrel relative to the tube sheet. (US patent No. 4,456,059. Tubular heat exchanger and method of assembly. MKI 5: F 28 F 9/04, Bull. No. 415.029, 06/26/1984). This method is adopted as a prototype.

Недостатками способа, принятого за прототип, являются технологическая сложность сборки, требующая больших усилий дорнования, и недостаточная плотность соединения трубки с трубной решеткой из-за неоптимального соотношения параметров сопрягаемых деталей и режимов дорнования.The disadvantages of the method adopted for the prototype are the technological complexity of the assembly, requiring large efforts of burning out, and the insufficient density of the connection of the tube with the tube sheet due to the non-optimal ratio of the parameters of the mating parts and modes of burning.

Основной задачей, на решение которой направлены заявляемые кожухотрубный теплообменник и способ его сборки, является повышение надежности соединения трубок с трубной решеткой и снижение усилий дорнования при сборке теплообменника.The main task, which is claimed by the claimed shell-and-tube heat exchanger and method of assembly, is to increase the reliability of the connection of the tubes with the tube sheet and to reduce the burning force during assembly of the heat exchanger.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является снижение себестоимости и повышение эксплуатационной надежности кожухотрубного теплообменника.A single technical result achieved in the implementation of the claimed group of inventions is to reduce the cost and increase the operational reliability of the shell-and-tube heat exchanger.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном теплообменнике, содержащем кожух, в котором размещен пучок теплообменных трубок с охлаждающими ребрами, закрепленный концами трубок в сквозных отверстиях трубных решеток, причем концы трубок выступают за пределы решетки, а межтрубное пространство разделено поперечными перегородками, образующими охладительный контур с патрубками подвода и отвода межтрубной среды, и коллекторы подвода и отвода внутритрубной среды, присоединенные к фланцам кожуха с обеих сторон теплообменника, согласно предложенному техническому решению:The specified technical result is achieved by the fact that in a known heat exchanger containing a casing in which a bundle of heat exchange tubes with cooling fins is located, fixed by the ends of the tubes in the through holes of the tube sheets, the ends of the tubes protruding outside the grate, and the annular space is divided by transverse partitions forming a cooling a circuit with nozzles for supplying and removing the annular medium, and manifolds for supplying and removing the in-pipe medium, connected to the flanges of the casing on both sides of the heat exchange nnik, according to the proposed technical solution:

одна из трубных решеток защемлена между фланцем кожуха и коллектором, а другая размещена герметично внутри кожуха с возможностью продольного перемещения при температурных изменениях длины пучка теплообменных трубок, вмонтированного концевыми частями трубок в сквозные отверстия трубных решеток дорнованием;one of the tube sheets is pinched between the flange of the casing and the collector, and the other is placed hermetically inside the case with the possibility of longitudinal movement with temperature changes in the length of the bundle of heat transfer tubes mounted by the end parts of the tubes into the through holes of the tube sheets by mandrels;

длина соединения теплообменной трубки с трубной решеткой составляет, по крайней мере, более половины, но менее двух диаметров сквозного отверстия трубной решетки;the connection length of the heat exchange tube with the tube sheet is at least more than half, but less than two diameters of the through hole of the tube sheet;

сквозные отверстия в трубных решетках выполняют с фаской, по крайней мере, со стороны конца теплообменной трубки, размером в пределах 0,1...0,2 диаметра сквозного отверстия;the through holes in the tube sheets are chamfered, at least from the side of the end of the heat exchange tube, with a size in the range 0.1 ... 0.2 of the diameter of the through hole;

сквозные отверстия в трубных решетках выполняют ступенчатыми, по крайней мере, со стороны конца теплообменной трубки;through holes in the tube sheets are stepped, at least from the end of the heat exchange tube;

трубные решетки изготовлены из стали, а теплообменные трубки - из латуни;tube sheets are made of steel, and heat transfer tubes are made of brass;

трубные решетки и теплообменные трубки изготовлены из алюминиевого сплава, при этом трубные решетки подвергают закалке, а теплообменные трубки - отпуску, по крайней мере, концы их на длине, более толщины трубной решетки.the tube sheets and heat transfer tubes are made of aluminum alloy, while the tube sheets are hardened, and the heat transfer tubes are tempered, at least their ends are longer than the thickness of the tube sheet.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе сборки кожухотрубного теплообменника, включающем заделывание концевых частей теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток, для чего концы трубок проводят сквозь трубную решетку через сквозные отверстия с высокой прочностью стенок и заделывают в сквозных отверстиях трубных решеток дорнованием, после которого упругий материал стенки сквозного отверстия сжимает наружный и внутренний диаметры теплообменной трубки на длине контакта с трубной решеткой на величину упругого расширения сквозного отверстия, вызываемого дорнованием пластичной концевой части теплообменной трубки при продольном перемещении цилиндрического дорна относительно трубной решетки, согласно предложенному техническому решению:The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of assembling a shell-and-tube heat exchanger, comprising sealing the end parts of the heat-exchange tubes in the through holes of the tube sheets, for which the ends of the tubes are passed through the tube through the through holes with high wall strength and are sealed in the through holes of the tube sheets by burning, after which the elastic material of the wall of the through hole compresses the outer and inner diameters of the heat exchange tube along the length of contact with the tube sheet minutes the amount of elastic expansion of the through hole caused by burnishing plastic end portion of the heat exchange tube with longitudinal displacement of the cylindrical mandrel relative to the tube sheet, according to the proposed technical solution:

сквозные отверстия в трубных решетках обрабатывают с шероховатостью стенок в пределах Rz=6,3...25,0 мкм, а дорнование концевых частей теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток производят до увеличения наружного диаметра концевой части трубки до размера, по крайней мере, превышающего диаметр сквозного отверстия на глубину шероховатости, при продольном перемещении наибольшего диаметра дорна на длине, равной толщине трубной решетки;the through holes in the tube sheets are treated with a wall roughness in the range R z = 6.3 ... 25.0 μm, and the end parts of the heat exchange tubes in the through holes of the tube sheets are burned until the outer diameter of the tube end portion is increased to a size of at least , exceeding the diameter of the through hole to the depth of roughness, with longitudinal movement of the largest diameter of the mandrel at a length equal to the thickness of the tube sheet;

сквозные отверстия в трубных решетках выполняют диаметром, большим наружного диаметра теплообменной трубки на величину суммарного допуска, состоящего из суммы допусков на наружный диаметр и толщину стенки теплообменной трубки и на диаметр сквозного отверстия в трубной решетке;the through holes in the tube sheets are made with a diameter greater than the outer diameter of the heat exchanger tube by the total tolerance consisting of the sum of the tolerances for the outer diameter and wall thickness of the heat transfer tube and the diameter of the through hole in the tube sheet;

дорнование концевых частей теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток производят за несколько последовательных переходов, при этом диаметр дорна для выполнения первого перехода берут большим внутреннего диаметра теплообменной трубки на величину, равную суммарному допуску, а диаметры дорнов для выполнения других переходов увеличивают с каждым последующим переходом на величину, по крайней мере, не более половины толщины стенки теплообменной трубки;the end parts of the heat exchange tubes in the through holes of the tube sheets are burned in several consecutive transitions, while the diameter of the mandrel for the first transition is taken to be larger than the internal diameter of the heat transfer tube equal to the total tolerance, and the diameters of the mandrels for other transitions are increased by each subsequent transition by a value of at least not more than half the wall thickness of the heat transfer tube;

заводную часть дорна выполняют с конусностью в пределах 3...9°;the crown of the mandrel is performed with a taper within 3 ... 9 °;

сквозные отверстия в трубных решетках выполняют коническими с разностью диаметров на уровнях поверхностей трубной решетки не более суммарного допуска, причем с меньшим диаметром на поверхности трубной решетки с концом теплообменной трубки;the through holes in the tube sheets are conical with a diameter difference at the levels of the surfaces of the tube sheet of not more than the total tolerance, with a smaller diameter on the surface of the tube sheet with the end of the heat exchange tube;

в сквозных отверстиях трубных решеток выполняют кольцевые или винтовые канавки в виде, например, мелкомодульной резьбы.in the through holes of the tube sheets, annular or helical grooves are made in the form of, for example, a fine module thread.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных кожухотрубного теплообменника и способа его сборки, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных технических решений соответствует условию патентоспособности “новизна”.The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that there are no analogues that are characterized by sets of features identical to all the features of the declared shell-and-tube heat exchanger. Therefore, each of the claimed technical solutions meets the condition of patentability “novelty”.

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявляемых технических решений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявляемых технических решений соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.The search results for known solutions in the art in order to identify features that match the distinctive features of the prototypes of each of the proposed technical solutions have shown that they do not follow explicitly from the prior art. From the prior art determined by the applicant, the influence of the transformations provided for by the essential features of each of the claimed technical solutions on the achievement of the specified technical result has not been revealed. Therefore, each of the claimed technical solutions meets the condition of patentability “inventive step”.

В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку кожухотрубный теплообменник и способ его сборки решают одну и ту же задачу - обеспечение надежного соединения трубок с трубной решеткой при низких затратах на сборку теплообменника.In the present application for the grant of a patent, the requirement of the unity of the invention is met, since the shell-and-tube heat exchanger and the method of its assembly solve the same problem — ensuring reliable connection of the tubes to the tube sheet at low costs for the assembly of the heat exchanger.

На фиг.1 изображен теплообменник, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема установки трубки в отверстие с фасками на трубной решетке; на фиг.4 - ступенчатое исполнение отверстия в трубной решетке; на фиг.5 - схема установки трубки в конусном отверстии трубной решетки; на фиг.6 - дорн, общий вид; на фиг.7 - первый переход дорнования; на фиг.8 - второй переход дорнования; на фиг.9 - соединение трубок с трубной доской; на фиг.10 - схема установки трубок в отверстиях трубных досок с кольцевыми проточками; на фиг.11 - третий переход дорнования.Figure 1 shows a heat exchanger, a General view; figure 2 is a section aa in figure 1; figure 3 - diagram of the installation of the tube into the hole with chamfers on the tube sheet; figure 4 - stepwise execution of the holes in the tube sheet; figure 5 - diagram of the installation of the tube in the conical hole of the tube sheet; figure 6 - mandrel, General view; in Fig.7 - the first transition of burnishing; on Fig - the second transition of burnishing; figure 9 - connection of tubes with a tube plate; figure 10 is a diagram of the installation of tubes in the holes of tube boards with annular grooves; figure 11 is a third transition burnishing.

Теплообменник состоит из кожуха 1, в котором размещен пучок теплообменных трубок 2 с охлаждающими ребрами 3, закрепленный концами трубок 2 в трубных решетках 4 и 5 (фиг.1). Межтрубное пространство разделено поперечными перегородками 6, образующими с патрубками подвода 7 и отвода 8 межтрубной среды охладительный контур. Трубная решетка 4 защемлена между фланцем 9 и коллектором 10 подвода внутритрубной среды с помощью прокладок 11, а трубная решетка 5 размещена герметично внутри кожуха 1, с помощью резиновых колец 12. Коллектор 13 отвода внутритрубной среды присоединен к фланцу 14 кожуха 1. Концевые части теплообменных трубок 2 вмонтированы в сквозные отверстия 15 трубных решеток 4 и 5 дорнованием (фиг.2). Отверстия 15 в трубных досках 4 и 5 выполнены с фасками 16, высота h которых выбрана из условия 0,1dотв<h<0,2 dотв (фиг.3). Отверстия 15 могут быть выполнены ступенчатыми (фиг.4). Длина Т соединения теплообменных трубок 2 с трубными решетками 4 и 5 выбрана из условия 0,5dотв<Т<2,0dотв.The heat exchanger consists of a casing 1, in which a bundle of heat exchange tubes 2 with cooling fins 3 is placed, fixed by the ends of the tubes 2 in the tube sheets 4 and 5 (Fig. 1). The annular space is divided by transverse partitions 6, forming a cooling circuit with the nozzles of the supply 7 and the outlet 8 of the annular medium. The tube sheet 4 is pinched between the flange 9 and the inlet pipe manifold 10 by means of gaskets 11, and the tube sheet 5 is sealed inside the casing 1 using rubber rings 12. The in-pipe medium collector 13 is connected to the flange 14 of the casing 1. The end parts of the heat exchange tubes 2 are mounted in the through holes 15 of the tube sheets 4 and 5 by a mandrel (FIG. 2). Openings 15 in tube plates 4 and 5 are made with chamfers 16, the height h of which is selected from the conditions of holes 0,1d <h <0.2 d of holes (3). The holes 15 can be made stepped (figure 4). The length of the heat exchange tubes T compounds 2 to tube sheets 4 and 5 is chosen from the condition 0,5d holes <T <2,0d holes.

Сборку теплообменника по заявляемому способу осуществляют следующим образом.The Assembly of the heat exchanger according to the claimed method is as follows.

В трубных решетках 4 и 5 отверстия 15 выполняют диаметром dотв=dтр+Σδ, где dтр - наружный диаметр теплообменной трубки 2, Σδ - величина суммарного допуска: Σδ=δтротвt, состоящая из суммы допусков на наружный диаметр dтр трубки - δтр, на диаметр отверстия dотв в трубной решетке - δотв и на толщину t стенки трубки - δt Отверстия 15 выполняют с шероховатостью в пределах Rz=6,3...25,0 мкм, что позволяет при дорновании пластичному металлу трубок 2 заполнить микрорельефы 17 шероховатостей поверхностей отверстий 15 в трубных решетках 4 и 5. Отверстия 15 в трубных решетках допускается выполнять конусными в пределах Σδ с меньшим диаметром отверстия d1отв, равным dтр, на поверхности трубной решетки с концом теплообменной трубки 2 (фиг.5). Пакет охлаждающих ребер 3 и поперечные перегородки 6 собираются с трубками 2, которые пучком устанавливают в отверстия 15 трубных решеток 4 и 5. Монтаж концевых частей трубок 2 в трубные решетки 4 и 5 осуществляют дорнованием в три перехода с помощью дорна 17 (фиг.6). При первом переходе диаметр d1 дорна 17 выбирают равньм (фиг.7):The tubesheets 4 and 5, openings 15 operate diameter d of holes = d tr + Σδ, where d tr - the outer diameter of the heat exchange tubes 2, Σδ - value cumulative tolerance: Σδ = δ mp + δ holes + δ t, consisting of the sum of tolerances an outer tube diameter d tr - δ Tp on the hole diameter d of holes in the tubesheet - δ holes and the thickness of the tube wall t - δ t The openings 15 operate with a roughness in the range R z = 6,3 ... 25,0 microns which makes it possible to fill the microreliefs 17 of the roughnesses of the surfaces of the holes 15 in the tube sheets 4 and 5 when drilling the plastic metal of the tubes 2; holes 15 in t ubnyh lattices allowed to perform within Σδ cone with the smaller diameter d hole 1otv equal to d tr, on the surface of the tube sheet with the heat exchanging tube end 2 (Figure 5). The package of cooling ribs 3 and the transverse partitions 6 are assembled with tubes 2, which are installed with a beam in the holes 15 of the tube sheets 4 and 5. Installation of the ends of the tubes 2 in the tube sheets 4 and 5 is performed by mandrels in three transitions using mandrel 17 (Fig.6) . At the first transition, the diameter d 1 of the mandrel 17 is chosen equal (Fig. 7):

d1=(dтр+Σδ)-2t,d 1 = (d tr + Σδ) -2t,

где t - толщина стенки трубки. При этом угол α заводного конуса 18 дорна 17 на длине В выполнен в пределах 3-9°, который создает большую радиальную силу и требует малого усилия вдоль оси его перемещения при дорновании. Первым переходом дорнова-ния выбирают зазор между диаметрами трубок 2 и отверстий 15 и прижимают наружную поверхность концевой части трубки 2 к поверхности отверстия 15 в трубной решетке. Для второго перехода дорнования диаметр d2 дорна 17 выбирают равным (фиг.8):where t is the tube wall thickness. Moreover, the angle α of the crown 18 of the mandrel 17 at a length B is made in the range of 3-9 °, which creates a large radial force and requires little effort along the axis of its movement during burning. The first transition of the mandrel selects the gap between the diameters of the tubes 2 and the holes 15 and presses the outer surface of the end part of the tube 2 to the surface of the hole 15 in the tube sheet. For the second transition burnishing diameter d 2 mandrel 17 is chosen equal (Fig):

d2=(dтр+Σδ)-0,5t.d 2 = (d tr + Σδ) -0.5t.

Угол α заводного конуса дорна 17 выполняют также в пределах 3-9°. При выполнении второго перехода поверхность концевой части трубки 2 окончательно вдавливают в поверхность отверстия 15 трубной решетки на высоте макро и микронеровностей, полученных за счет шероховатости поверхности в отверстии 15 (фиг.9). Такой же эффект получается при выполнении поверхности отверстий 15 с кольцевыми или винтовыми канавками, например, в виде мелкомодульной резьбы (фиг.10). Третий, окончательный переход дорнования осуществляют дорном 17, диаметр dок которого определяют по следующей формуле:The angle α of the crown cone of the mandrel 17 also perform in the range of 3-9 °. When performing the second transition, the surface of the end part of the tube 2 is finally pressed into the surface of the hole 15 of the tube sheet at the height of macro and microroughness obtained due to the surface roughness in the hole 15 (Fig. 9). The same effect is obtained when performing the surface of the holes 15 with annular or helical grooves, for example, in the form of a fine module thread (Fig. 10). The third, final transition of the burnishing is carried out by the mandrel 17, the diameter d ok of which is determined by the following formula:

dок=(d2+Σδ)-0,5t.d ok = (d 2 + Σδ) -0.5t.

Третий переход создает дополнительное уплотнение между поверхностью концевой части трубки 2 и поверхностью отверстия 15 в трубных решетках с возникновением диффузионного соединения между собой (фиг.11). В этом случае упругий материал трубной решетки сквозным отверстием 15 сжимает наружный и внутренний диаметры теплообменной трубки 2 на величину упругого расширения сквозного отверстия 15, вызываемого усилием от дорнования пластичной концевой части теплообменной трубки 2, которая вдавливается в неровности твердой поверхности отверстия 15 трубной решетки, обеспечивая надежное соединение между собой. При этом трубка 2 расширяется в зоне фасок 16 или ступеней отверстия 15 за счет остаточной деформации трубки 2 после окончательного дорнования, при котором концы трубок могут выступать на величину L или утопать на уровне поверхности трубной решетки, что создает надежное соединение трубки с трубной решеткой. Надежность соединения повышается при изготовлении трубной решетки из стали, а теплообменной трубки из латуни, или при изготовлении трубной решетки и трубок из алюминиевых сплавов, при этом трубку перед монтажом подвергают высокому отпуску, а трубную решетку - закалке. После дорнования пучок трубок 2, соединенных с трубными решетками, вставляют в трубную решетку 5 с резиновыми кольцами 12 в кожух 1 теплообменника. Трубную решетку 4 закрепляют между фланцем 9 и коллектором 10 подвода внутритрубной среды с помощью прокладок 11. Коллектор 13 отвода внутритрубной среды присоединяют к фланцу 14 кожуха 1. Такая конструкция теплообменника позволяет в эксплуатации разбирать теплообменник и очищать его, например, охлаждающие ребра 3 теплообменных трубок 2.The third transition creates an additional seal between the surface of the end of the tube 2 and the surface of the hole 15 in the tube sheets with the occurrence of diffusion between them (Fig. 11). In this case, the elastic material of the tube sheet through the through hole 15 compresses the outer and inner diameters of the heat transfer tube 2 by the amount of elastic expansion of the through hole 15 caused by the force from the burning of the plastic end part of the heat transfer tube 2, which is pressed into the roughness of the solid surface of the hole 15 of the tube sheet, providing reliable connection among themselves. At the same time, the tube 2 expands in the area of the chamfers 16 or the steps of the hole 15 due to the permanent deformation of the tube 2 after the final burnishing, in which the ends of the tubes can protrude by the value L or sink at the level of the surface of the tube sheet, which creates a reliable connection between the tube and the tube sheet. Reliability of the connection is improved when manufacturing a tube sheet from steel, and a heat transfer tube from brass, or during the manufacture of a tube sheet and tubes from aluminum alloys, while the tube is subjected to high tempering before installation, and the tube sheet is quenched. After burning, the bundle of tubes 2 connected to the tube sheets is inserted into the tube sheet 5 with rubber rings 12 in the casing 1 of the heat exchanger. The tube sheet 4 is fixed between the flange 9 and the inlet pipe manifold 10 by means of gaskets 11. The inlet pipe outlet manifold 13 is connected to the flange 14 of the casing 1. This design of the heat exchanger allows the heat exchanger to be disassembled and cleaned, for example, cooling fins 3 of the heat exchange tubes 2 .

Теплообменник работает следующим образом.The heat exchanger operates as follows.

Среда внутритрубного пространства подается в коллектор 10, протекает через теплообменные трубки 2, обмениваясь при этом теплом со средой межтрубного пространства, и далее через коллектор 13 удаляется из теплообменника. Среда межтрубного пространства поступает через патрубок 7, а затем, огибая поперечные перегородки 6, протекает по охладительному контуру между трубками 2, поступает в патрубок 8. Температурные расширения трубок 2 компенсируются смещением трубной решетки 5 в кожухе 1 с обеспечением герметичности резиновыми кольцами 12. При работе теплообменника в конструкции двигателя внутреннего сгорания выбранная длина Т соединения теплообменных трубок 2 с трубными решетками 4 и 5 в сочетании с дорнованием позволяет воспринимать термические, вибрационные и ударные нагрузки как осевые, так и радиальные, сохраняя прочность их соединения.The in-tube space medium is supplied to the manifold 10, flows through the heat exchange tubes 2, exchanging heat with the annulus, and then through the collector 13 is removed from the heat exchanger. The annular space medium enters through the pipe 7, and then, enveloping the transverse partitions 6, flows along the cooling circuit between the pipes 2, enters the pipe 8. The temperature expansion of the pipes 2 is compensated by the displacement of the pipe lattice 5 in the casing 1 to ensure tightness with the rubber rings 12. During operation heat exchanger in the design of the internal combustion engine, the selected length T of the connection of the heat exchange tubes 2 with the tube sheets 4 and 5 in combination with the mandrel allows to perceive thermal, vibrational and shock loads, both axial and radial, while maintaining the strength of their connection.

Предлагаемый способ сборки теплообменника позволяет за счет оптимизации параметров элементов сопрягаемых деталей перед сборкой и режимов дорнования получить надежное соединение теплообменных трубок с трубной решеткой, когда трубка за несколько переходов вдавливается в поверхность отверстий в трубных досках, образуя заполнение материалом трубки макро- и микронеровностей отверстия и соединение материалов на молекулярном уровне. Малое осевое усилие не выталкивает трубки из отверстий трубных решеток и позволяет вести дорнование всего пучка теплообменных трубок одновременно. Такое соединение трубки с трубной решеткой выдерживает длительное время воздействия радиальных и осевых усилий, обладает высокой виброударной прочностью и воспринимает термическую нагрузку.The proposed method of assembling a heat exchanger allows, due to optimization of the parameters of the elements of the mating parts before assembly and durning conditions, to obtain a reliable connection of the heat exchange tubes to the tube sheet when the tube is pressed into the surface of the holes in the tube boards in several transitions, forming macro-and microroughnesses of the hole in the tube material and connecting materials at the molecular level. The small axial force does not push the tubes out of the openings of the tube sheets and allows the entire beam bundle to be burned at the same time. This connection of the tube with the tube sheet withstands a long time of exposure to radial and axial forces, has a high vibrational strength and perceives thermal load.

На предложенный кожухотрубный теплообменник и способ его сборки разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы.For the proposed shell-and-tube heat exchanger and the method of its assembly, technical documentation has been developed, prototypes have been manufactured and tested.

Claims (9)

1. Кожухотрубный теплообменник, содержащий кожух, в котором размещен пучок теплообменных трубок с охлаждающими ребрами, закрепленный концами трубок в сквозных отверстиях трубных решеток, причем концы трубок выступают за пределы решетки, а межтрубное пространство разделено поперечными перегородками, образующими охладительный контур с патрубками подвода и отвода межтрубной среды, и коллекторы подвода и отвода внутритрубной среды, присоединенные к фланцам кожуха с обеих сторон теплообменника, отличающийся тем, что одна из трубных решеток защемлена между фланцем кожуха и коллектором, а другая размещена герметично внутри кожуха с возможностью продольного перемещения при температурных изменениях длины пучка теплообменных трубок, вмонтированного концевыми частями трубок в сквозные отверстия трубных решеток дорнованием, причем сквозные отверстия в трубных решетках выполняют ступенчатыми, по крайней мере, со стороны конца теплообменной трубки, кроме того, длина соединения теплообменной трубки с трубной решеткой выбирается из условия 0,5dотв<T<2,0dотв, где T - длина соединения теплообменной трубки с трубной решеткой, dотв - диаметр сквозного отверстия трубной решетки.1. Shell-and-tube heat exchanger containing a casing in which a bundle of heat-exchange tubes with cooling fins is placed, fixed by the ends of the tubes in the through holes of the tube sheets, the ends of the tubes protruding outside the grate, and the annular space is divided by transverse partitions forming a cooling circuit with inlet and outlet pipes annular medium, and manifolds for supplying and discharging the internal annular medium connected to the flanges of the casing on both sides of the heat exchanger, characterized in that one of the pipe sieve to is pinched between the casing flange and the collector, and the other is sealed inside the casing with the possibility of longitudinal movement with temperature changes in the length of the bundle of heat transfer tubes mounted by the end parts of the tubes into the through holes of the tube sheets by mandrels, and the through holes in the tube sheets are made stepwise, at least end side of the heat exchange tube further connection length of the heat exchange tubes with the tube sheet selected from the conditions of holes 0,5d <T <2,0d holes where T - length connected Ia exchanger tube with tubesheet, d of holes - hole diameter of the through tubesheet. 2. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что сквозные отверстия в трубных решетках выполняют с фасками, причем высота фасок выбрана из условия 0,1dотв<h<0,2dотв, где h - высота фасок, dотв - диаметр сквозного отверстия.2. Shell and tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the through openings in the tubesheets operate with chamfers, the chamfers being chosen height from the condition 0,1d holes <h <0,2d holes, where h - height of the chamfers, d holes - diameter through holes. 3. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что трубные решетки изготовлены из стали, а теплообменные трубки - из латуни.3. Shell and tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the tube sheets are made of steel, and the heat transfer tubes are made of brass. 4. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что трубные решетки и теплообменные трубки изготовлены из алюминиевого сплава, причем трубные решетки подвергнуты закалке, а теплообменные трубки подвергнуты отпуску, по крайней мере, на длине более толщины трубной решетки.4. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the tube sheets and heat transfer tubes are made of aluminum alloy, the tube sheets are hardened and the heat transfer tubes are tempered at least for a length greater than the thickness of the tube sheet. 5. Способ сборки кожухотрубного теплообменника, включающий заделывание концевых частей теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток, для чего концы трубок проводят сквозь трубную решетку через сквозные отверстия стенок и заделывают в сквозных отверстиях дорнованием, после которого упругий материал стенки сквозного отверстия сжимает наружный и внутренний диаметры теплообменной трубки на длине контакта с трубной решеткой на величину упругого расширения сквозного отверстия, вызываемого дорнованием пластичной концевой части теплообменной трубки при продольном перемещении цилиндрического дорна относительно трубной решетки, отличающийся тем, что сквозные отверстия в трубных решетках обрабатывают с шероховатостью стенок в пределах от 6,3 до 25,0 мкм, а дорнование концевых частей теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток производят до увеличения наружного диаметра концевой части трубки до размера, по крайней мере, превышающего диаметр сквозного отверстия на глубину шероховатости, при продольном перемещении наибольшего диаметра дорна на длине, равной толщине трубной решетки.5. A method of assembling a shell-and-tube heat exchanger, comprising sealing the end parts of the heat exchange tubes in the through holes of the tube sheets, for which the ends of the tubes are passed through the tube through the through holes of the walls and close the holes through the holes with an elastic, after which the elastic material of the wall of the through hole compresses the outer and inner diameters heat transfer tube at the length of contact with the tube sheet by the amount of elastic expansion of the through hole caused by the burning of the plastic end h parts of the heat transfer tube during longitudinal movement of the cylindrical mandrel relative to the tube sheet, characterized in that the through holes in the tube sheets are processed with a wall roughness ranging from 6.3 to 25.0 μm, and the end parts of the heat exchange tubes in the through holes of the tube sheets are burned up to increasing the outer diameter of the end of the tube to a size at least greater than the diameter of the through hole to the depth of roughness, with longitudinal movement of the largest diameter of the mandrel by Line equal to the thickness of the tube sheet. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что сквозные отверстия в трубных решетках выполняют диаметром, большим наружного диаметра теплообменной трубки на величину суммарного допуска, состоящего из суммы допусков на наружный диаметр и толщину стенки теплообменной трубки и на диаметр сквозного отверстия в трубной решетке.6. The method according to claim 5, characterized in that the through holes in the tube sheets are made with a diameter greater than the outer diameter of the heat exchange tube by the total tolerance consisting of the sum of the tolerances for the outer diameter and wall thickness of the heat transfer tube and the diameter of the through hole in the tube . 7. Способ по любому из п.5 или 6, отличающийся тем, что дорнование концевых частей теплообменных трубок в сквозных отверстиях трубных решеток производят за несколько последовательных переходов, при этом диаметр дорна для выполнения первого перехода берут большим внутреннего диаметра теплообменной трубки на величину, равную суммарному допуску, а диаметры дорнов для выполнения других переходов увеличивают с каждым последующим переходом на величину, по крайней мере, не более половины толщины стенки теплообменной трубки.7. The method according to any one of claims 5 or 6, characterized in that the end parts of the heat exchange tubes are burned in the through holes of the tube sheets in several consecutive transitions, while the diameter of the mandrel for taking the first transition is taken to be larger than the internal diameter of the heat transfer tube by an amount equal to the total tolerance, and the diameters of the mandrels to perform other transitions increase with each subsequent transition by at least no more than half the wall thickness of the heat transfer tube. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что сквозные отверстия в трубных решетках выполняют коническими с разностью диаметров на уровнях поверхностей трубной решетки не более суммарного допуска.8. The method according to claim 5, characterized in that the through holes in the tube sheets are conical with a diameter difference at the surface levels of the tube sheet of not more than the total tolerance. 9. Способ по любому из пп.5, 6 и 8, отличающийся тем, что в сквозных отверстиях трубных решеток выполняют кольцевые или винтовые канавки в виде, например, мелкомодульной резьбы.9. The method according to any one of paragraphs.5, 6 and 8, characterized in that in the through holes of the tube sheets an annular or helical grooves are made in the form, for example, of a fine module thread.
RU2003112792/06A 2003-04-22 2003-04-22 Shell-and-tube heat exchanger and method for its assembly RU2238501C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003112792/06A RU2238501C1 (en) 2003-04-22 2003-04-22 Shell-and-tube heat exchanger and method for its assembly

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003112792/06A RU2238501C1 (en) 2003-04-22 2003-04-22 Shell-and-tube heat exchanger and method for its assembly

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2238501C1 true RU2238501C1 (en) 2004-10-20
RU2003112792A RU2003112792A (en) 2004-10-27

Family

ID=33537945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003112792/06A RU2238501C1 (en) 2003-04-22 2003-04-22 Shell-and-tube heat exchanger and method for its assembly

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2238501C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU181049U1 (en) * 2017-11-28 2018-07-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" Device for fixing, ensuring tightness and maintainability of the evaporator-condenser of vacuum-evaporation plants
RU2680291C1 (en) * 2018-04-23 2019-02-19 Сергей Яковлевич Данилов Shell and tube heat exchanger
CN110450424A (en) * 2019-08-28 2019-11-15 河北远征环保科技有限公司 Plastics tube sheet connects the method and gas-gas heat exchanger of sealing tool, tube sheet connection

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Справочник по теплообменникам в двух томах. Том 2. - М.: 1987, с. 273-293. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU181049U1 (en) * 2017-11-28 2018-07-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" Device for fixing, ensuring tightness and maintainability of the evaporator-condenser of vacuum-evaporation plants
RU2680291C1 (en) * 2018-04-23 2019-02-19 Сергей Яковлевич Данилов Shell and tube heat exchanger
CN110450424A (en) * 2019-08-28 2019-11-15 河北远征环保科技有限公司 Plastics tube sheet connects the method and gas-gas heat exchanger of sealing tool, tube sheet connection
CN110450424B (en) * 2019-08-28 2024-02-23 河北远征环保科技有限公司 Tool for connecting and sealing plastic tube plates, tube plate connecting method and gas-gas heat exchanger

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210071971A1 (en) Heat exchanger with aluminum tubes rolled into an aluminum tube support
FI107835B (en) Heat exchanger tube for gas boiler
JP4797998B2 (en) Heat exchanger piping joint structure and heat exchanger piping assembly method
US20090260775A1 (en) Heat exchanger, in particular an exhaust gas evaporator of a motor vehicle
WO2003040642A1 (en) Heat exchanger and method for manufacturing the same
KR960005791B1 (en) Method of manufacture of manifolds and manifold provided by such method
US6167619B1 (en) Method for assembling a heat exchanger
US20200309464A1 (en) Heat exchanger
RU2274763C2 (en) Rocket engine member and method of its manufacture
KR20140110968A (en) Heat exchanger utilizing tubular structures having internal flow altering members and external chamber assemblies
US5535820A (en) Method for assembling a heat exchanger
RU2238501C1 (en) Shell-and-tube heat exchanger and method for its assembly
JPWO2019189924A1 (en) Header plateless heat exchanger
US20100116483A1 (en) Heat exchange device and method of manufacturing the same
EP1900931A1 (en) Thermal expansion feature for an exhaust gas cooler
JP2008215161A (en) Egr cooler
US9149895B2 (en) Non-plain carbon steel header for a heat exchanger
RU2386096C2 (en) Honeycomb heat exchanger with flow swirling
RU2003112792A (en) SHELL-TUBE HEAT EXCHANGER AND METHOD OF ITS ASSEMBLY
US11879691B2 (en) Counter-flow heat exchanger
RU66495U1 (en) SHELL-TUBE HEAT EXCHANGER
CN112082404A (en) Heat exchange tube, heat exchanger tube core, heat exchanger and manufacturing method
RU2266493C1 (en) Mode of manufacturing of a gas air cooling apparatus
RU2819325C1 (en) Plate heat exchanger with header for separation of hot and cold heat carrier
RU142473U1 (en) SINGLE-PIPE GAS COOLER

Legal Events

Date Code Title Description
PC4A Invention patent assignment

Effective date: 20050628

QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20060412

QB4A Licence on use of patent

Free format text: SUB-LICENCE

Effective date: 20110210

QB4A Licence on use of patent

Free format text: SUB-LICENCE

Effective date: 20131224

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140423

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20150727

MZ4A Patent is void

Effective date: 20170215