RU2391613C1

RU2391613C1 - Shell-and-tube heat exchanger

Info

Publication number: RU2391613C1
Application number: RU2008147254/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Лаврентьевич Наумов (RU); Александр Лаврентьевич Наумов; Гамлет Ашотович Мирзоян (RU); Гамлет Ашотович Мирзоян; Виктор Михайлович Сотников (RU); Виктор Михайлович Сотников
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НПО ТЕРМЭК"
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: shell-and-tube heat exchanger includes staggered bank of heat exchange tubes with variable longitudinal profile repeated with specified pitch throughout the length of tubes arranged with offset between adjacent tubes; at that, longitudinal tube profile includes straight sections and protrusions, and tubes are arranged in bank with alternation of cross sections of inter-tube space F1 and F2; at that, 0.4<F1/F2<0.6, where F1 - area of the section formed with protrusions of adjacent tubes, F2 - area of the section formed with straight sections of adjacent tubes and with alternation of lengths of channels of inter-tube space L1 and L2; at that, 0.2<L1/L2<0.4, where L1 - length of channels between the closest tops of protrusions of adjacent tubes, L2 - length of channel between tops of tube protrusions.

EFFECT: increasing heat release efficiency, and optimum intensification of heat exchange.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменному оборудованию, и может использоваться в энергетической, химической, пищевой и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of heat engineering, namely to heat exchange equipment, and can be used in energy, chemical, food and other industries.

Известен кожухотрубный теплообменник (SU №840662, кл. F28D 7/00, F28F 1/06, опубл. 1981), содержащий пучок винтообразно закрученных труб овального профиля, закрепленных прямыми круглыми концами в трубных досках, причем трубы в каждом поперечном ряду пучка установлены с зазорами, образующими по длине пучка щелевые каналы с максимальной шириной, равной половине разности между максимальным и минимальным размерами овала, и имеют касание только с трубами соседних рядов.Known shell-and-tube heat exchanger (SU No. 840662, class. F28D 7/00, F28F 1/06, publ. 1981), containing a bundle of screw-shaped tubes of oval profile, fixed with straight round ends in pipe boards, and pipes in each transverse row of the bundle are installed with gaps forming along the length of the beam slotted channels with a maximum width equal to half the difference between the maximum and minimum sizes of the oval, and have contact only with pipes of adjacent rows.

Известен теплообменник (SU №1239501, кл. F28D 7/00, опубл. 1986), содержащий кожух и размещенный внутри него пучок теплообменных труб с переменным продольным профилем, повторяющимся с заданным шагом по длине трубы. Шаг продольного профиля труб выполнен уменьшающимся в направлении движения холодного теплоносителя трубного пространства в пределах 40-0,25d, где d - наибольший внутренний диаметр трубы.Known heat exchanger (SU No. 1239501, class. F28D 7/00, publ. 1986), comprising a casing and a bundle of heat exchange tubes with a variable longitudinal profile, repeated at a given step along the length of the pipe, placed inside it. The step of the longitudinal profile of the pipes is made decreasing in the direction of movement of the cold coolant of the pipe space within 40-0.25 d, where d is the largest internal diameter of the pipe.

Основным недостатком указанных теплообменных аппаратов является недостаточно высокая эффективность теплоотдачи наружной поверхности труб.The main disadvantage of these heat exchangers is the insufficiently high heat transfer efficiency of the outer surface of the pipes.

Наиболее близким к заявленному изобретению является кожухотрубный теплообменник (SU №1763842, кл. F28D 7/16, F28F 1/06, опубл. 1992), содержащий шахматный пучок теплообменных труб с периодически повторяющимся по длине диффузорно-конфузорным профилем, имеющих угол раскрытия диффузора и конфузора 6-10°, степень сужения сечения 0,6-0,8, образующих в межтрубном пространстве продольные криволинейные периодически расширяющиеся и сужающиеся каналы, при этом теплообменные трубы в пучке размещены со смещением между собой на половину периода профиля диффузор-конфузор, а относительный поперечный шаг труб составляет 1,10-1,16 максимального диаметра трубы.Closest to the claimed invention is a shell-and-tube heat exchanger (SU No. 1763842, class F28D 7/16, F28F 1/06, publ. 1992), comprising a staggered bundle of heat-exchange tubes with a diffuser-confuser profile periodically repeating in length, having a diffuser opening angle and confuser 6-10 °, the degree of narrowing of the cross-section is 0.6-0.8, forming longitudinal curvilinear periodically expanding and tapering channels in the annulus, while the heat exchange tubes in the bundle are offset halfway between the diffuser-conf profile set, and the relative lateral spacing pipes is 1,10-1,16 maximum diameter pipe.

Недостаток известного кожухотрубного теплообменника с теплообменными трубами диффузорно-конфузорного профиля заключается в том, что профиль труб в продольном сечении очерчен пологими синусоидальными линиями. При обтекании труб в каждом сечении попарно образуются области относительного давления и разрежения, однако геометрия диффузорно-конфузорных участков не обеспечивает условий оптимального поперечного обтекания наружной трубчатой поверхности, что ухудшает гидродинамическую обстановку и уменьшает возможный уровень турбулентности потока теплоносителя, генерируемый трубчатыми элементами поверхности.A disadvantage of the known shell-and-tube heat exchanger with heat exchanger tubes of the diffuser-confuser profile is that the tube profile in the longitudinal section is outlined by gentle sinusoidal lines. When pipes flow around each section, relative pressure and rarefaction regions form in pairs, however, the geometry of the diffuser-confuser sections does not provide the conditions for optimal transverse flow around the outer tubular surface, which worsens the hydrodynamic situation and reduces the possible level of fluid flow turbulence generated by the tubular surface elements.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности теплоотдачи и достижение оптимальной интенсификации теплообмена.The technical task of the invention is to increase the efficiency of heat transfer and achieve optimal intensification of heat transfer.

Поставленная задача решена тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем шахматный пучок теплообменных труб с переменным продольным профилем, повторяющимся с заданным шагом по длине труб, размещенных со смещением между смежными трубами, согласно изобретению продольный профиль труб содержит прямые участки и выступы, а трубы в пучке размещены с чередованием поперечных сечений F1 и F2 межтрубного пространства, причем 0,4<F1/F2<0,6, где F1 - площадь сечения, образованного выступами смежных труб, F2 - площадь сечения, образованного прямыми участками смежных труб, и чередованием длин каналов L1 и L2 межтрубного пространства, причем 0,2<L1/L2<0,4, где L1 - длина канала между ближайшими вершинами выступов смежных труб, L2 - длина канала между вершинами выступов трубы.The problem is solved in that in a shell-and-tube heat exchanger containing a staggered bundle of heat exchange tubes with a variable longitudinal profile, repeating at a given step along the length of the pipes placed with an offset between adjacent pipes, according to the invention, the longitudinal profile of the pipes contains straight sections and protrusions, and the pipes in the bundle placed with alternating cross sections F1 and F2 of the annulus, with 0.4 <F1 / F2 <0.6, where F1 is the cross-sectional area formed by the protrusions of adjacent pipes, F2 is the cross-sectional area formed by straight sections ami adjacent tubes and interleaved channel lengths L1 and L2 of the annular space, wherein 0.2 <L1 / L2 <0.4, where L1 - channel length between adjacent peaks of the projections of adjacent tubes, L2 - channel length between the tops of the projections of the pipe.

Сущность изобретения поясняется подробнее чертежами и описанием к ним.The invention is illustrated in more detail by the drawings and description thereof.

На фиг.1 схематично изображен теплообменник, общий вид; на фиг.2 - элементарная ячейка межтрубного пространства с минимальным сечением F1, образованным выступами смежных труб, и максимальным сечением F2, образованным прямыми участками смежных труб; на фиг.3 - смежные трубы теплообменника с переменным продольным профилем.Figure 1 schematically shows a heat exchanger, General view; figure 2 - a unit cell of the annular space with a minimum section F1 formed by the protrusions of adjacent pipes, and a maximum section F2 formed by straight sections of adjacent pipes; figure 3 - adjacent pipe heat exchanger with a variable longitudinal profile.

Теплообменник содержит кожух 1, в котором установлен шахматный пучок теплообменных труб с переменным продольным профилем 2, закрепленных прямыми концами 3 в трубных досках 4. Трубы имеют прямые участки и выступы высотой h и расположены со смещением выступов в смежных трубах таким образом, что соотношение площадей минимального F1 и максимального F2 сечений каналов межтрубного пространства (фиг.2) находится в пределах 0,4<F1/F2<0,6, а длины каналов между ближайшими вершинами выступов смежных труб L1 и вершинами соседних выступов трубы L2 (фиг.3) ограничены пределами 0,2<L1/L2<0,4. Кожух снабжен патрубками 5 для подвода и отвода среды межтрубного пространства и днищами 6 с патрубками 7 для подвода и отвода среды трубного пространства.The heat exchanger comprises a casing 1, in which a staggered bundle of heat exchange tubes with a variable longitudinal profile 2 is mounted, fixed by straight ends 3 in the tube plates 4. The pipes have straight sections and projections of height h and are located with the projections offset in adjacent pipes so that the area ratio is minimal F1 and maximum F2 of the cross-sectional channels of the annular space (FIG. 2) is within 0.4 <F1 / F2 <0.6, and the length of the channels between the nearest peaks of the protrusions of adjacent pipes L1 and the peaks of the adjacent protrusions of the pipe L2 (FIG. 3) is limited us outside 0,2 <L1 / L2 <0,4. The casing is equipped with nozzles 5 for supplying and discharging the annulus environment and bottoms 6 with nozzles 7 for supplying and discharging the medium of the tube space.

Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.Shell-and-tube heat exchanger operates as follows.

Поток первичного теплоносителя поступает через входной патрубок 5 на участок труб с прямыми концами 3 пучка теплообменных труб, распределяется по межтрубному пространству и проходит через ряд теплообменных труб с переменным продольным гофрированным профилем 2, поступает в участок труб с прямыми концами, расположенный на противоположном конце теплообменника, и по патрубку 5 выходит из теплообменника. Вторичный теплоноситель поступает через патрубок 7 в днище 6, проходит внутри теплообменных трубок сначала по участку с прямыми концами 3, затем по участку трубного пространства с переменным продольным гофрированным профилем 2, затем по противоположному участку труб с прямыми концами, и через днище и патрубок, расположенные на противоположном конце теплообменника, выходит из него.The primary coolant flow enters through the inlet pipe 5 to the pipe section with straight ends 3 of the heat exchange tube bundle, is distributed along the annulus and passes through a series of heat exchange pipes with a variable longitudinal corrugated profile 2, enters the pipe section with straight ends located at the opposite end of the heat exchanger, and through pipe 5 exits the heat exchanger. The secondary coolant enters through the nozzle 7 in the bottom 6, passes inside the heat exchange tubes first in the straight end section 3, then in the pipe space section with a variable longitudinal corrugated profile 2, then in the opposite straight end pipe section, and through the bottom and nozzle located at the opposite end of the heat exchanger comes out of it.

При течении теплоносителя в трубном пространстве происходит сужение и расширение потока при прохождении им прямых и расширяющихся (за счет наружных выступов) участков, при этом возникают зоны завихрений, и течение приобретает рециркуляционный характер. Поток трубного теплоносителя интенсивно турбулизуется, возрастают скорости процессов переноса, увеличиваются тепловые потоки на теплопередающую стенку, что приводит к росту теплоотдачи, уменьшению термического сопротивления теплопередачи, в результате чего теплообмен интенсифицируется. При протекании теплоносителя в межтрубном пространстве с чередующимися по площади участками минимального F1 и максимального F2 поперечных сечений каналов межтрубного пространства, образованными прямыми и выступающими участками труб, происходит турбулизация потока (фиг.3) и разрушение пристенного пограничного слоя. Наибольшая интенсификация потока достигается при соотношениях площадей минимального и максимального сечений каналов межтрубного пространства в пределах 0,4<F1/F2<0,6 и длин каналов между ближайшими смежными вершинами соседних труб L1 и вершинами выступов труб L2 в пределах 0,2<L1/L2<0,4. При F1/F2>0,6 и L1/L2>0,4 генерация вихревых структур происходит незначительная, и существенного роста теплоотдачи не наблюдается. При F1/F2<0,4 и L1/L2<0,2 резко возрастает гидравлическое сопротивление.During the flow of the coolant in the pipe space, the flow narrows and expands when it passes through straight and expanding (due to the external protrusions) sections, while there are turbulence zones, and the flow acquires a recirculating character. The flow of the pipe coolant is intensively turbulized, the rates of the transfer processes increase, the heat fluxes to the heat transfer wall increase, which leads to an increase in heat transfer, a decrease in the thermal resistance of heat transfer, as a result of which heat transfer is intensified. When the coolant flows in the annular space with alternating areas of sections of minimum F1 and maximum F2 of the cross-sections of the annular channels formed by straight and protruding pipe sections, flow turbulence occurs (Fig. 3) and the wall boundary layer is destroyed. The greatest intensification of the flow is achieved when the ratio of the areas of the minimum and maximum cross-sections of the annular channel is within 0.4 <F1 / F2 <0.6 and the channel lengths between the nearest adjacent peaks of the adjacent pipes L1 and the peaks of the protrusions of the pipes L2 are within 0.2 <L1 / L2 <0.4. At F1 / F2> 0.6 and L1 / L2> 0.4, the generation of vortex structures occurs insignificant, and a significant increase in heat transfer is not observed. With F1 / F2 <0.4 and L1 / L2 <0.2, the hydraulic resistance sharply increases.

Таким образом, предложенный кожухотрубный теплообменник с использованием пучка теплообменных труб с переменным продольным профилем, размещенных со смещением между соседними трубами с предлагаемыми относительными параметрами, обеспечивает оптимальное перераспределение переноса тепловой энергии с интенсификацией процесса теплообмена. Теплотехническая эффективность работы кожухотрубного теплообменника повышается на 20-35%. Достигнутые результаты позволяют рекомендовать заявленное изобретение для широкого внедрения в различных областях для осуществления эффективного теплообмена.Thus, the proposed shell-and-tube heat exchanger using a bundle of heat-exchange tubes with a variable longitudinal profile, placed with an offset between adjacent pipes with the proposed relative parameters, provides optimal redistribution of heat energy transfer with intensification of the heat transfer process. The heat engineering efficiency of the shell-and-tube heat exchanger is increased by 20-35%. The results achieved make it possible to recommend the claimed invention for widespread implementation in various fields for effective heat transfer.

Claims

A shell-and-tube heat exchanger containing a staggered bundle of heat-exchange tubes with a variable longitudinal profile, repeating with a given step along the length of pipes placed with an offset between adjacent pipes, characterized in that the pipe profile contains straight sections and protrusions, and the pipes in the bundle are placed with alternating cross-sections of the annular spaces F1 and F2, and
0.4 <F1 / F2 <0.6,
where F1 is the cross-sectional area formed by the protrusions of adjacent pipes;
F2 is the cross-sectional area formed by the straight sections of adjacent pipes and the alternation of the lengths of the channels of the annular space L1 and L2, and
0.2 <L1 / L2 <0.4,
where L1 is the length of the channel between the nearest peaks of the protrusions of adjacent pipes;
L2 is the length of the channel between the vertices of the projections of the pipe.