RU2815748C1 - Heat exchanger with space-spiral coils - Google Patents
Heat exchanger with space-spiral coils Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815748C1 RU2815748C1 RU2023113778A RU2023113778A RU2815748C1 RU 2815748 C1 RU2815748 C1 RU 2815748C1 RU 2023113778 A RU2023113778 A RU 2023113778A RU 2023113778 A RU2023113778 A RU 2023113778A RU 2815748 C1 RU2815748 C1 RU 2815748C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coil
- coils
- heat exchanger
- diameter
- turns
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 12
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 description 9
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 238000003920 environmental process Methods 0.000 description 1
- -1 ferrous metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплотехники и может использоваться в теплообменниках, как с жидким, так и с газообразным теплоносителем. Изобретение относится к теплообменникам с пучками пространственно-спиральных цилиндрических змеевиков. Предлагаемое техническое решение относится теплообменным аппаратам, которое может найти применение в теплоэнергетической, химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизации тепла дымовых газов и переработке сточных вод и может быть использовано в парогазовых установках (ПГУ) тепловых электростанций (ТЭС) в качестве испарительно-пароперегревательной поверхности нагрева части низкого давления парового котла-утилизатора (КУ), теплоты выхлопных газов газовой турбины (ГТ), входящей в состав ПГУ.The invention relates to the field of heat engineering and can be used in heat exchangers with both liquid and gaseous coolants. The invention relates to heat exchangers with bundles of spatially spiral cylindrical coils. The proposed technical solution relates to heat exchangers, which can be used in heat and power, chemical, petrochemical, metallurgical, mechanical engineering and other industries, as well as in environmental processes of flue gas heat recovery and wastewater recycling and can be used in combined cycle gas units (CCGT) thermal power plants (TES) as an evaporation-steam superheating surface for heating the low pressure part of a waste heat boiler (HRB), the heat of the exhaust gases of a gas turbine (GT), which is part of the CCGT.
Известен теплообменный элемент, обеспечивающий обмен тепловой энергией между средами, обладающими различной температурой в виде пространственно-спирального змеевика (змеевика). Известны теплообменники и парогенераторы, теплообменная поверхность которых выполнена из отдельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, оси которых параллельны (см., RU 99128 U1, F25B 25/00, F28D 07/02; RU 2770261 С2, F28D 07/02, F28D 7/16; SU N 532744 А, 21.10.76, F28D 07/00; RU 1468150 С 30.09.94 F28D 07/00; DE 3421421 А1, 03.01.85; ЕР 0751363 А1, 02.01.97, F28D 07/02).A heat exchange element is known that provides the exchange of thermal energy between media having different temperatures in the form of a spatially spiral coil (coil). Heat exchangers and steam generators are known, the heat exchange surface of which is made of separate spatial-spiral coils with the same geometric characteristics, the axes of which are parallel (see, RU 99128 U1, F25B 25/00, F28D 07/02; RU 2770261 C2, F28D 07/02, F28D 7/16; SU
Недостатками вышеуказанной конструкции является использование теплообменника в узком диапазоне производительности в заданном объеме конструктива теплообменника и при оптимальных теплогидравлических характеристиках. При изменении теплофизических свойств теплоносителей, когда необходимо увеличить или уменьшить производительность, гидравлические характеристики, относительное проходное сечение, пространственно-спиральные змеевики необходимо раздвигать или сдвигать изменяя шаг навивки, не изменяя диаметра навивки. Возможность изменения расстояния между осями змеевиков ограниченно. Расстояние между осями змеевиков зависит только от шага навивки, что приводит к коридорному расположению змеевиков или вырождению в прямотрубный пучок. В результате этого оптимальные теплогидравлические характеристики ухудшаются.The disadvantages of the above design is the use of a heat exchanger in a narrow performance range within a given volume of the heat exchanger structure and with optimal thermal-hydraulic characteristics. When changing the thermophysical properties of coolants, when it is necessary to increase or decrease productivity, hydraulic characteristics, relative flow area, spatial-spiral coils must be moved apart or moved by changing the winding pitch, without changing the winding diameter. The ability to change the distance between the axes of the coils is limited. The distance between the axes of the coils depends only on the winding pitch, which leads to a corridor arrangement of the coils or degeneration into a straight-tube bundle. As a result, the optimal thermal-hydraulic characteristics deteriorate.
Еще одним недостатком является то, что до настоящего времени для изготовления всех деталей и компонентов теплообменника с пространственно-спиральными змеевиками использовали один и тот же материал для возможности соединения друг с другом, прежде всего сваркой. Компоненты и детали змеевиковых теплообменников, как известно, изготавливают из стали, чаще всего из нержавеющей стали (высококачественной стали или специальной стали для работы при криогенных температурах, либо из алюминиевых сплавов.Another disadvantage is that until now, all parts and components of a space-spiral heat exchanger have used the same material to be connected to each other, primarily by welding. The components and parts of coil heat exchangers are known to be made of steel, most often stainless steel (high-quality steel or special steel for operation at cryogenic temperatures, or aluminum alloys.
Наиболее близким по технической сущности (прототип) к изобретению является теплообменник по патенту RU 2152574 C1 (F28D 7/02, опубликован 10.07.2000 в бюл. №19). Данный теплообменник содержит расположенный в кожухе пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков с одинаковыми геометрическими характеристиками, витки которых заведены между витками смежных змеевиков до соприкосновения и витки расположены по равносторонней треугольной сетке, с шагом между витками в змеевике в зависимости от расстояния между осями смежных змеевиков, диаметра витков, наружного диаметра труб змеевиков. Концы змеевиков закреплены на трубных решетках и образуют отдельные шестигранные модули, объединенные в блок. Кожух теплообменника выполнен с гофрами, расположенными перпендикулярно осям спиралей змеевиков и заведенных между витками крайних змеевиков пучка с шагом между гофрами равным шагу навивки змеевиков.The closest in technical essence (prototype) to the invention is the heat exchanger according to patent RU 2152574 C1 (F28D 7/02, published 07/10/2000 in Bulletin No. 19). This heat exchanger contains a bundle of parallel spatial-spiral coils with identical geometric characteristics located in a casing, the turns of which are inserted between the turns of adjacent coils until they touch and the turns are located along an equilateral triangular mesh, with a pitch between the turns in the coil depending on the distance between the axes of adjacent coils, the diameter turns, outer diameter of coil pipes. The ends of the coils are fixed to the tube sheets and form separate hexagonal modules combined into a block. The heat exchanger casing is made with corrugations located perpendicular to the axes of the coil spirals and wound between the turns of the outer coils of the bundle with a pitch between the corrugations equal to the coil winding pitch of the coils.
Недостатком данной конструкций является малая плотность заполнения теплообменной поверхностью корпуса теплообменного аппарата с малым коэффициентом заполнения объема, что особенно проявляется при необходимости увеличения производительности теплообменника, и увеличении диаметра змеевиков, установки трубного пучка в корпус теплообменника цилиндрической формы, поскольку равносторонняя сетка расположения витков позволяет собирать только шестигранные модули пучка змеевиков.The disadvantage of this design is the low filling density of the heat exchanger surface of the heat exchanger body with a low volume fill factor, which is especially evident when it is necessary to increase the productivity of the heat exchanger, and increase the diameter of the coils, install a tube bundle in a cylindrical heat exchanger body, since the equilateral mesh arrangement of turns allows the assembly of only hexagonal coil bundle modules.
При этом недостатком также является слабая турбулизация теплоносителя по пространству между корпусом прямоугольного теплообменника и трубным пучком с низкой скоростью теплообмена из-за того, что гофры корпуса теплообменника заведены между витками крайних змеевиков пучка.At the same time, the disadvantage is also the weak turbulization of the coolant in the space between the body of the rectangular heat exchanger and the tube bundle with a low heat transfer rate due to the fact that the corrugations of the heat exchanger body are inserted between the turns of the outer coils of the bundle.
Недостатком является также то, что при маленьком диаметре змеевиков и высокой твердости материала труб змеевиков становится невозможным ввести пучок параллельных пространственно-спиральных змеевиков в корпус теплообменника с гофрами корпуса.Another disadvantage is that with the small diameter of the coils and the high hardness of the material of the coil pipes, it becomes impossible to introduce a bundle of parallel spatially spiral coils into the heat exchanger body with body corrugations.
При увеличении диаметра змеевиков или количества змеевиков в шестигранном модуле или увеличении диаметра корпуса теплообменника (или все вместе), при сборке в четырехгранный модуль происходит уменьшение плотности заполнения теплообменной поверхностью всего сечения корпуса теплообменного аппарата, снижение коэффициента заполнения, снижение производительности и эффективности теплообменника, вследствие чего увеличивается металлоемкость и вес теплообменника.When the diameter of the coils or the number of coils in a hexagonal module increases or the diameter of the heat exchanger body increases (or all together), when assembled into a tetrahedral module, the filling density of the entire cross-section of the heat exchanger body with the heat exchanger surface decreases, the fill factor decreases, the productivity and efficiency of the heat exchanger decreases, as a result the metal consumption and weight of the heat exchanger increases.
С учетом изложенного задачей изобретения является - увеличение диапазона производительности и эффективности теплообменника за счет повышения плотности заполнения теплообменной поверхностью корпуса круглой или прямоугольной формы теплообменного аппарата с увеличением коэффициента заполнения объема, при изменении теплофизических свойств теплоносителей, повышение надежности и уменьшения металлоемкости теплообменника, облегчение сборки теплообменника,, удешевление изготовления теплообменника с пространственно-спиральными змеевиками.Taking into account the above, the objective of the invention is to increase the range of performance and efficiency of the heat exchanger by increasing the density of filling the heat exchange surface of the round or rectangular body of the heat exchanger with increasing the volume filling factor, when the thermophysical properties of the coolants change, increasing reliability and reducing the metal consumption of the heat exchanger, facilitating the assembly of the heat exchanger, , reducing the cost of manufacturing a heat exchanger with spatially spiral coils.
Поставленная задача достигается тем, что в кожухотрубном теплообменнике, состоящем из корпуса с параллельными пространственно-спиральными змеевиками, змеевики в пучке имеют разные геометрические размеры, оси смежных змеевиков расположены на расстояниях, формируя неравностороннюю треугольную сетку, при этом змеевик при вершине меньшего угла в треугольной сетке может иметь больший диаметр, а змеевик при вершине большего угла имеет меньший диаметр витков, причем диаметр витков змеевиков зависит от пластических свойств стенки трубы, позволяя формировать симметричную и несимметричную многогранную сетку с расстоянием между осями соседних змеевиков в зависимости от диаметра трубки змеевика, диаметра витков по средней линии и шага навивки, который определяется по формулеThe task is achieved by the fact that in a shell-and-tube heat exchanger consisting of a housing with parallel spatially spiral coils, the coils in the bundle have different geometric dimensions, the axes of adjacent coils are located at distances, forming an unequal triangular mesh, with the coil at the vertex of the smaller angle in the triangular mesh may have a larger diameter, and the coil at the apex of a larger angle has a smaller diameter of turns, and the diameter of the coil turns depends on the plastic properties of the pipe wall, allowing the formation of a symmetrical and asymmetrical polyhedral mesh with the distance between the axes of adjacent coils depending on the diameter of the coil tube, the diameter of the turns center line and winding pitch, which is determined by the formula
где Т - расстояние между осями соседних змеевиков;where T is the distance between the axes of adjacent coils;
Н - шаг навивки;N - winding pitch;
D - усредненный диаметр витков по средней линии D - average diameter of turns along the center line
D1 - меньший диаметр витков змеевика;D 1 - smaller diameter of the coil turns;
D2 - больший диаметр витков змеевика;D 2 - larger diameter of the coil turns;
d - наружный диаметр трубы змеевика;d is the outer diameter of the coil pipe;
при этом радиус кривизны змеевика в пространстве, получающийся после навивки в плоскости делительного угла подъема винтовой линии витка, определяемого по формулеin this case, the radius of curvature of the coil in space, resulting after winding in the plane of the pitch angle of the helix of the coil, determined by the formula
где Rкрив - радиус кривизны змеевика в пространстве,where R curve is the radius of curvature of the coil in space,
и который позволяет рассчитать возможный минимальный диаметр оправки для навивки змеевика с наименьшим диаметром в неравносторонней треугольной сетке, в зависимости от толщины стенки трубки, по формулеand which allows you to calculate the possible minimum diameter of the mandrel for winding a coil with the smallest diameter in an unequal triangular mesh, depending on the thickness of the tube wall, according to the formula
где Dmin - минимальный диаметр оправки для навивки;where D min is the minimum diameter of the mandrel for winding;
δ - толщина стенки трубки.δ is the thickness of the tube wall.
Расположение осей змеевиков по равнобедренной треугольной сетке позволяет формировать четырехугольный пучок, пятиугольный пучок, шестиугольный, семиугольный пучок с шагом между витками в змеевиках, определяемым в зависимости от угла подъема винтовой линии витка змеевика с наименьшим диаметром витка.The arrangement of the axes of the coils along an isosceles triangular mesh allows the formation of a quadrangular bundle, a pentagonal bundle, a hexagonal, a heptagonal bundle with a pitch between the coils in the coils, determined depending on the angle of elevation of the helix of the coil with the smallest coil diameter.
Коэффициент компактности теплообменной поверхности, образованной пространственно-спиральными змеевиками внутри корпуса теплообменника, между параллельными стенками, определяется по формулеThe compactness coefficient of the heat exchange surface formed by spatially spiral coils inside the heat exchanger body, between parallel walls, is determined by the formula
где Kкомп - коэффициент компактности теплообменной поверхности;where Kcomp is the coefficient of compactness of the heat exchange surface;
- средняя длина трубки, образующей спираль пространственно-спирального змеевика, проходное сечение по межтрубному пространству определяется по формуле - the average length of the tube forming the spiral of the space-spiral coil, the flow area in the inter-tube space is determined by the formula
где Si - площадь проходного сечения по межтрубному пространству,where S i is the cross-sectional area along the annulus,
а теплогидравлический диаметр по межтрубному пространству определяется по формулеand the thermal-hydraulic diameter in the annular space is determined by the formula
где dэк - теплогидравлический диаметр по межтрубному пространству.where d eq is the thermohydraulic diameter along the interpipe space.
Корпус теплообменника выполнен с прикрепленными к примеру сваркой ребрами с внутренней стороны в виде перфорированных полосовых, конических или треугольных ребер, высота которых определяется в зависимости от диаметра трубки змеевика и расстояния между соседними змеевиками, прилегающими к стенке, по формулеThe heat exchanger body is made with fins attached to the inside by welding, for example, in the form of perforated strip, conical or triangular fins, the height of which is determined depending on the diameter of the coil tube and the distance between adjacent coils adjacent to the wall, according to the formula
где h - высота ребра на внутренней стороне кожуха теплообменника,where h is the height of the fin on the inside of the heat exchanger casing,
приваренных перпендикулярно или под углом к осям пространственно-спиральных змеевиков в зависимости от расстояния между соседними пространственно-спиральными змеевиками, причем расстояние между ребрами турбулизаторами может быть равно шагу между витками пространственно-спиральных змеевиков с внешней стороны у стенки корпуса.welded perpendicularly or at an angle to the axes of the spatial-spiral coils, depending on the distance between adjacent spatial-spiral coils, and the distance between the turbulator ribs can be equal to the pitch between the turns of the spatial-spiral coils on the outer side at the housing wall.
Отдельные части теплообменника с пространственно-спиральными змеевиками могут быть выполнены из разных материалов с разными конструктивными свойствами.Individual parts of a heat exchanger with spatially spiral coils can be made of different materials with different design properties.
В разных частях теплообменника пространственно-спиральные змеевики с меньшим диаметром витка располагаются внутри пространственно-спирального змеевика с большим диаметром витка соосно или с параллельным смещением оси змеевика с меньшим диаметром витка в ортогональном направлении к стенке теплообменника.In different parts of the heat exchanger, spatial-spiral coils with a smaller coil diameter are located inside a spatial-spiral coil with a larger coil diameter coaxially or with a parallel displacement of the axis of the coil with a smaller coil diameter in the orthogonal direction to the heat exchanger wall.
На корпусе теплообменника, параллельно оси теплообменника, закрепляются перфорированные ребра обеспечивающие упор и фиксацию труб змеевиков с меньшим диаметром витка, расположенных внутри пространственно-спирального змеевика с большим диаметром витка.On the heat exchanger body, parallel to the axis of the heat exchanger, perforated fins are fixed to provide support and fixation of coil pipes with a smaller coil diameter located inside a spatial-spiral coil with a larger coil diameter.
Техническим результатом предлагаемой конструкции теплообменника является увеличение его диапазона производительности без увеличения габаритных размеров внешнего корпуса теплообменника. Технический результат от использования изобретения заключается в получение такой геометрии пучка змеевиков, при которой высокая надежность конструкции сочетается с максимальной эффективностью теплообмена, за счет увеличения коэффициента заполнения корпуса теплообменного аппарата, более плотного заполнения теплообменной поверхностью внешнего корпуса теплообменника для различных параметров и теплофизических свойств теплоносителей, при постоянстве габаритов внешнего корпуса теплообменника.The technical result of the proposed heat exchanger design is to increase its performance range without increasing the overall dimensions of the outer heat exchanger housing. The technical result from the use of the invention is to obtain such a geometry of the coil bundle, in which high reliability of the design is combined with maximum heat transfer efficiency, due to an increase in the filling factor of the heat exchanger body, more dense filling of the outer body of the heat exchanger with the heat exchange surface for various parameters and thermophysical properties of the coolants, with constancy of the dimensions of the outer casing of the heat exchanger.
Увеличение поверхности теплообмена обеспечивается расположением змеевиков по равнобедренной треугольной сетке или по неравносторонней треугольной сетке, изменения диаметра труб змеевиков, что позволяет формировать треугольный, четырехугольный пучок, пятиугольный пучок, шестиугольный, семиугольный пучок с разными диаметрами труб и витков в змеевиках, одинаковым или разным шагом между витками в змеевиках. При равном шаге змеевиков спиралей большого и маленького диаметра змеевика, уменьшается глубина взаимного проникновения витков змеевиков спиралей. В этом случае глубина взаимного проникновения витков спиралей зависит от диаметра труб змеевика с наибольшим диаметром. Когда диаметр трубы становится равным шагу витков змеевика с маленьким диаметром, глубина взаимного проникновения труб равна половине диаметра труб змеевиков и труба змеевика большого диаметра касается труб двух смежных витков, что обеспечивает конструктивную устойчивость всего пакета змеевиков.An increase in the heat transfer surface is ensured by the arrangement of the coils on an isosceles triangular mesh or on a non-equilateral triangular mesh, changes in the diameter of the coil pipes, which allows the formation of a triangular, quadrangular bundle, pentagonal bundle, hexagonal, heptagonal bundle with different diameters of pipes and turns in the coils, the same or different pitch between turns in coils. With an equal pitch of the spiral coils of large and small coil diameters, the depth of mutual penetration of the turns of the spiral coils decreases. In this case, the depth of mutual penetration of the turns of the spirals depends on the diameter of the coil pipes with the largest diameter. When the diameter of the pipe becomes equal to the pitch of the turns of the coil with a small diameter, the depth of mutual penetration of the pipes is equal to half the diameter of the pipes of the coils and the pipe of the large-diameter coil touches the pipes of two adjacent turns, which ensures the structural stability of the entire package of coils.
Теплообменная поверхность увеличивается и за счет увеличения диаметра труб змеевиков, пучок змеевиков имеет увеличенную площадь проходного сечения, и, следовательно, способна обеспечить значительное улучшение теплопередающей способности и плотности теплового потока.The heat transfer surface increases and due to an increase in the diameter of the coil pipes, the coil bundle has an increased flow area and, therefore, is able to provide a significant improvement in heat transfer capacity and heat flux density.
При равном шаге витков спирали и различных диаметрах витков в змеевиках угол подъема винтовой линии витков спиралей в змеевиках будет различный для обеспечения примыкания и соприкосновения витков змеевиков. При увеличении диаметра змеевиков в пределах от 2 до 7% обеспечивается максимальное увеличение производительности и эффективности при минимальном увеличении габаритных размеров пучка змеевиков в наружном корпусе теплообменника.With an equal pitch of the spiral turns and different diameters of the turns in the coils, the angle of elevation of the helix of the turns of the spirals in the coils will be different to ensure the abutment and contact of the turns of the coils. By increasing the diameter of the coils in the range from 2 to 7%, a maximum increase in productivity and efficiency is ensured with a minimal increase in the overall dimensions of the coil bundle in the outer casing of the heat exchanger.
Треугольный и четырехугольный пучок позволяет собирать плоский фронтальный теплообменник с максимальным заполнением площади поперечного сечения корпуса теплообменника. При этом в четырехугольном теплообменнике располагается 5 змеевиков, каждый из которых касается стенки корпуса теплообменника как минимум в 2 точках.Triangular and quadrangular bundles make it possible to assemble a flat front heat exchanger with maximum filling of the cross-sectional area of the heat exchanger body. In this case, there are 5 coils in the quadrangular heat exchanger, each of which touches the wall of the heat exchanger housing at least at 2 points.
Появляется возможность в наружный цилиндрический корпус теплообменника устанавливать пятиугольный пучок, шестиугольный, семиугольный пучок с разными диаметрами витков в змеевиках.It becomes possible to install a pentagonal bundle, a hexagonal bundle, a heptagonal bundle with different diameters of turns in the coils into the outer cylindrical body of the heat exchanger.
Разный диаметр витков змеевиков в теплообменнике позволяет змеевики меньшего диаметра располагать соосно в змеевиках большего диаметра, что позволяет увеличить плотность заполнения теплообменной поверхностью внешнего корпуса теплообменника для различных параметров и теплофизических свойств теплоносителей, при постоянстве габаритов внешнего корпуса теплообменника. Змеевик меньшего диаметра может располагаться параллельно внутри змеевика большего диаметра со смещением оси змеевика меньшего диаметра до положения, в котором змеевики одновременно прижаты к стенке корпуса теплообменника.The different diameters of the coil turns in the heat exchanger allow coils of smaller diameter to be placed coaxially in coils of larger diameter, which allows increasing the density of filling the outer body of the heat exchanger with the heat exchange surface for various parameters and thermophysical properties of the coolants, while maintaining the same dimensions of the outer body of the heat exchanger. A coil of a smaller diameter can be located parallel inside a coil of a larger diameter with the axis of the smaller diameter coil being shifted to a position in which the coils are simultaneously pressed against the wall of the heat exchanger housing.
При соосном расположении пространственно-спиральных змеевиков, на корпусе теплообменника, параллельно оси теплообменника, закрепляются перфорированные ребра обеспечивающие упор и фиксацию труб змеевиков с меньшим диаметром витка.With a coaxial arrangement of spatial-spiral coils, perforated ribs are fixed on the heat exchanger body, parallel to the axis of the heat exchanger, providing support and fixation of coil pipes with a smaller coil diameter.
Теплообменная поверхность увеличивается, что позволяет увеличить эффективность теплообменника за счет повышения плотности заполнения теплообменной поверхностью корпуса теплообменного аппарата с увеличением коэффициента заполнения объема, повысить надежность и уменьшить металлоемкости наружного корпуса теплообменника, обеспечить снижение стоимости теплообменника.The heat exchange surface increases, which makes it possible to increase the efficiency of the heat exchanger by increasing the density of filling the heat exchanger body with the heat exchange surface with an increase in the volume filling factor, increasing reliability and reducing the metal consumption of the outer body of the heat exchanger, and ensuring a reduction in the cost of the heat exchanger.
Для обеспечения надежного дистанцирования змеевиков при равномерном распределении на периферии пучка у стенки корпуса теплообменника, интенсификации теплообмена, обеспечения конструктивной устойчивости плоских стенок прямоугольного корпуса теплообменника, корпус теплообменника с внутренней стороны имеет перфорированные ребра-турбулизаторы. Они могут быть расположены с шагом равным шагу витков змеевика на периферии пучка и выполняют роль преград и завихрителей для потока среды вдоль стенки теплообменника. Высота ребра-турбулизатора определяется исходя из диаметра труб змеевика и расстояния между осями смежных змеевиков. Ребра-турбулизаторы могут быть выполнены из полосы или треугольной формы с отверстиями в стенках. Ребра-турбулизаторы могут быть приварены либо закреплены неподвижно на стенке корпуса иным способом, что позволяет повысить жесткость стенок корпуса теплообменника.To ensure reliable spacing of the coils with uniform distribution at the periphery of the bundle near the wall of the heat exchanger body, intensification of heat transfer, and ensuring the structural stability of the flat walls of the rectangular heat exchanger body, the heat exchanger body has perforated turbulator fins on the inside. They can be located with a pitch equal to the pitch of the coil turns at the periphery of the bundle and act as barriers and swirlers for the flow of medium along the wall of the heat exchanger. The height of the turbulator fin is determined based on the diameter of the coil pipes and the distance between the axes of adjacent coils. Turbulizer fins can be made of a strip or triangular shape with holes in the walls. Turbulizer fins can be welded or fixedly fixed to the housing wall in another way, which makes it possible to increase the rigidity of the walls of the heat exchanger housing.
Использование разных материалов в одном и том же теплообменнике обеспечивает возможность дальнейшей оптимизации конструкции теплообменника, например в отношении его объема, массы, прочности и/или стоимости, при сохранении высоких прочностных характеристик и обеспечения надежности. Это позволяет удешевить изготовление теплообменника с пространственно-спиральными змеевиками и/или улучшить технологические свойства.The use of different materials in the same heat exchanger allows for further optimization of the heat exchanger design, for example in terms of volume, weight, strength and/or cost, while maintaining high strength characteristics and ensuring reliability. This makes it possible to reduce the cost of manufacturing a heat exchanger with spatially spiral coils and/or improve technological properties.
Например, пространственно-спиральные змеевики могут быть изготовлены из высоколегированной стали, поскольку работают при высоких перепадах температур с возникновением механических деформаций и напряжений, коллектора и трубные доски в которых закреплены оконечности змеевиков, могут быть изготовлены из менее легированной стали с возможностью обеспечения сварки со змеевиками. Пространственно-спиральные змеевики могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов или из цветных металлов, а трубные доски из стали и оконечности змеевиков в трубных досках закрепляются вальцовкой.For example, spatially spiral coils can be made of high-alloy steel, since they operate at high temperature differences with the occurrence of mechanical deformations and stresses; the collector and tube sheets in which the ends of the coils are fixed can be made of less alloy steel with the possibility of welding with the coils. Spatial-spiral coils can be made of aluminum alloys or non-ferrous metals, and tube sheets made of steel and the ends of the coils in tube sheets are fixed by rolling.
Предлагаемое в изобретении решение позволяет лучше согласовывать геометрические параметры пространственно-спиральных змеевиков с конкретными технологическими потребностями в обеспечении высокой эффективности теплопередачи. Подобные технологические потребности могут основываться, например, на различиях в тепловых свойствах сред, протекающих через контуры теплообменника, или же на необходимости использования труб разного диаметра с различной толщиной стенки. Еще одно преимущество состоит возможности согласования диаметра и толщины стенок труб с разными величинами рабочего давления сред протекающих по ним и тем самым обеспечивать оптимизацию параметров теплообменника в целом.The solution proposed in the invention makes it possible to better coordinate the geometric parameters of spatial-spiral coils with specific technological needs to ensure high heat transfer efficiency. Such technological needs may be based, for example, on differences in the thermal properties of the media flowing through the heat exchanger circuits, or on the need to use pipes of different diameters with different wall thicknesses. Another advantage is the ability to match the diameter and wall thickness of pipes with different operating pressures of the media flowing through them and thereby ensure optimization of the parameters of the heat exchanger as a whole.
Промышленное применение данного решения в теплообменных аппаратах позволяет за сет оптимального использования активного объема для равномерного распределения в нем теплообменной поверхности улучшить тепло-гидравлические характеристики без увеличения массо-габаритных характеристик, тем самым расширить диапазон использования теплообменника при оптимальных теплогидравлических характеристиках теплообменника.The industrial application of this solution in heat exchangers allows, through the optimal use of the active volume for uniform distribution of the heat exchange surface in it, to improve the thermal-hydraulic characteristics without increasing the weight-dimensional characteristics, thereby expanding the range of use of the heat exchanger with optimal thermal-hydraulic characteristics of the heat exchanger.
Сущности предлагаемого изобретения поясняется приведенными чертежами:The essence of the proposed invention is illustrated by the following drawings:
- на фиг. 1 изображен продольный разрез теплообменника с пространственно-спиральными змеевиками;- in fig. 1 shows a longitudinal section of a heat exchanger with spatially spiral coils;
- на фиг. 2 - вид теплообменника с пятью пространственно-спиральными змеевиками в прямоугольном корпусе;- in fig. 2 - view of a heat exchanger with five spatially spiral coils in a rectangular body;
- на фиг. 3 - вид теплообменника с пучком из четырех пространственно-спиральных змеевиков в квадратном корпусе;- in fig. 3 - view of a heat exchanger with a bundle of four spatially spiral coils in a square housing;
- на фиг. 4 - вид теплообменника с пятиугольным пучком в круглом корпусе;- in fig. 4 - view of a heat exchanger with a pentagonal beam in a round housing;
- на фиг. 5 - вид теплообменника с шестиугольным пучком в круглом корпусе;- in fig. 5 - view of a heat exchanger with a hexagonal beam in a round housing;
- на фиг. 6 - вид теплообменника с семиугольным пучком в круглом корпусе;- in fig. 6 - view of a heat exchanger with a heptagonal beam in a round housing;
- на фиг. 7 - сечение теплообменника с ребрами турбулизации;- in fig. 7 - cross-section of a heat exchanger with turbulization fins;
- на фиг. 8 - вид теплообменника с соосными змеевиками, где:- in fig. 8 - view of a heat exchanger with coaxial coils, where:
1 - теплообменник;1 - heat exchanger;
2 - трубная доска;2 - pipe plate;
3 - цилиндрический корпус;3 - cylindrical body;
4 - горловина входа;4 - entrance neck;
5 - горловина выхода;5 - outlet neck;
6 - патрубок входа;6 - inlet pipe;
7 - патрубок выхода;7 - outlet pipe;
8 - пространственно-спиральный змеевик;8 - spatial-spiral coil;
9 - пространственно-спиральный змеевик;9 - spatial-spiral coil;
10 - пространственно-спиральный змеевик;10 - spatial-spiral coil;
11 – ребро-турбулизатор;11 – rib-turbulator;
12 - прямоугольный корпус теплообменника;12 - rectangular heat exchanger housing;
А - параметры греющей среды на входе;A - parameters of the heating medium at the inlet;
Б - параметры греющей среды на выходе;B - parameters of the heating medium at the outlet;
В - параметры нагреваемой среды на входе;B - parameters of the heated medium at the inlet;
Г - параметры нагреваемой среды на выходе;G - parameters of the heated medium at the outlet;
Д - цилиндрическая часть корпуса;D - cylindrical part of the body;
D1 - диаметр витков змеевика;D 1 - diameter of coil turns;
D2 - диаметр витков змеевика;D 2 - diameter of coil turns;
d1 - наружный диаметр змеевика;d 1 - outer diameter of the coil;
d2 - наружный диаметр змеевика;d 2 - outer diameter of the coil;
d3 - наружный диаметр змеевика;d 3 - outer diameter of the coil;
Т1 - расстояние между осями соседних змеевиков;T 1 - distance between the axes of adjacent coils;
T2 - расстояние между осями соседних змеевиков;T 2 - distance between the axes of adjacent coils;
Н - шаг навивки;N - winding pitch;
h - высота ребра-турбулизатора;h is the height of the turbulator fin;
α - угол подъема винтовой линии витка.α is the angle of elevation of the helix of the coil.
Теплообменник 1 с пространственно-спиральными змеевиками 8 содержит цилиндрический корпус 3, с горловиной входа 4 и горловиной выхода 5 на днищах и патрубками входа 4 и выхода 5 цилиндрического корпуса 3. В цилиндрической части корпуса Д располагается пучок теплообменных элементов, объединенных в модуль, выполненных из параллельных пространственно-спиральных змеевиков 8 с одинаковыми геометрическими характеристиками, заведенными между витками смежных змеевиков 8, и расположенных в модуле по равносторонней, равнобедренной или неравносторонней треугольной сетке. Пространственно-спиральные змеевики 8 имеют входные и выходные участки которые закреплены в трубных досках 2. Патрубки входа 6 и выхода 7 проходят через стенку цилиндрического корпуса 3.
На фиг. 1 изображен продольный разрез теплообменника 1, который имеет цилиндрический корпус 3 с горловинами 4, 5 на днищах и патрубками входа 6 и выхода 7 на стенке цилиндрического корпуса 3. Внутри цилиндрического корпуса 3 закреплен модуль с пучком из 6 пространственно-спиральных змеевиков 8 с углом подъема винтовой линии витка α, заведенными между витками смежных змеевиков, и распределенных по равносторонней треугольной сетке, при этом концы змеевиков 8 закреплены в трубных досках 2. Пространственно-спиральные змеевики 8 имеют одинаковый шаг навивки Н с углом подъема винтовой линии витка α.In fig. Figure 1 shows a longitudinal section of a
Пространственно-спиральные змеевики 8 и 10 могут образовывать модуль, в которые входят пучки, расположенные по равнобедренной треугольной сетке. Это модуль с 4 пространственно-спиральными змеевиками 8 одинакового диаметра и с расположенным в центре теплообменника пространственно-спиральным змеевиком 10 большого диаметра, витки которого заведены в смежные с ним пространственно-спиральные змеевики 8, в прямоугольном корпусе теплообменника 12 (см. фиг. 2).Spatial-
Модуль с пространственно-спиральными змеевиками 8, расположенными по треугольной сетке в пучке, может содержать 5, 6 или 7 змеевиков 8 и 9 в цилиндрическом корпусе 3 (см. чертеж фиг. 4, 5, 6) или 4 змеевика 8 в прямоугольном корпусе теплообменника 12 (см. чертеж фиг. 3).A module with spatially
При расположении змеевиков 8, 10 в прямоугольном корпусе 12 на внутренней поверхности располагаются ребра-турбулизаторы 11, закрепленные с определенным шагом, на стенке прямоугольного корпуса 12 (см. фиг. 7).When the
В цилиндрический корпус 3 может быть вставлено 13 пространственно-спиральных змеевиков 8, 9, 10 разного диаметра, расположенных по треугольной сетке в пучке, причем на периферии теплообменника 1 некоторые змеевики 8 соосны змеевикам 10 и расположены внутри них (см. фиг. 8).13 spatial-
Ниже более подробно рассмотрена работа теплообменника 1 на примере одного из вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показан предлагаемый в изобретении теплообменник.Below, the operation of the
На фиг. 1 изображен продольный разрез теплообменника 1, который имеет цилиндрический корпус 3 с горловинами 4, 5 в цилиндрической части которого расположен пучок пространственно-спиральных змеевиков 8, с трубными досками 2 и патрубками входа 6 и выхода 7.In fig. Figure 1 shows a longitudinal section of a
В рассматриваемом примере теплообменник 1 имеет пучок пространственно-спиральных змеевиков 8, состоящий из 6 змеевиков. Змеевики 8 в пучке имеют разные геометрические размеры, оси смежных змеевиков 8 расположены на расстояниях, формируя равнобедренную треугольную сетку с расстоянием между осями соседних змеевиков 8 в зависимости от диаметра трубки змеевика, диаметра витков по средней линии и шага навивки, который определяется по формулеIn the example under consideration,
, ,
где:Where:
D - усредненный диаметр витков по средней линии ;D - average diameter of turns along the center line ;
D1 - меньший диаметр витков змеевика;D 1 - smaller diameter of the coil turns;
D2 - больший диаметр витков змеевика;D 2 - larger diameter of the coil turns;
d - наружный диаметр трубы змеевика.d is the outer diameter of the coil pipe.
Проведенные расчеты показывают, что увеличение на 6% разницы между меньшим диаметром змеевика 8 и большим диаметром змеевика 8 приводит к 5% увеличению теплообменной поверхности и всего 2,5% увеличению расстояния между осями соседних змеевиков 8.The calculations show that a 6% increase in the difference between the smaller diameter of the
В таблице 1 приведены результаты расчетов при величине исходного меньшего диаметра витка змеевика 8 в 201 мм, диаметре трубки змеевика в 16 мм и с расстоянием между соседними змеевиками в 84,23 мм.Table 1 shows the calculation results with the initial smaller coil diameter of
При этом змеевики 8, расположенные на периферии пучка имеют больший диаметр по отношению к змеевику 8, располагающемся в центре пучка.In this case, the
Пучок пространственно-спиральных змеевиков 8 располагается в круглом корпусе 3 теплообменника 1 с минимальным зазором для обеспечения плотного прилегания и обеспечения постоянного соприкосновения труб змеевиков 8, что исключает колебания и вибрацию труб при пульсации давления протекающих сред. При расположении пространственно-спиральных змеевиков 8 в прямоугольном корпусе теплообменника 12, на его стенках прикрепляются (привариваются) ребра-турбулизаторы 11, с шагом равным шагу навивки змеевиков 8, что позволяет повысить жесткость стенок корпуса теплообменника 12 и удержать змеевики 8 в постоянном соприкосновении.A bundle of spatially spiral coils 8 is located in the
Теплообменник работает следующим образом.The heat exchanger works as follows.
Вход греющей среды с параметрами А (с более высокой температурой по отношению к Б - параметры греющей среды на выходе) осуществляется через горловину 4, в трубной доске 2 распределяется по всем змеевикам 8, протекает по ним, отдает тепло через стенки трубок змеевиков 8, объединенных на конце в трубную доску 2, отводится из теплообменника 1 через горловину 5 с параметрами греющей среды Б.The input of the heating medium with parameters A (with a higher temperature in relation to B - parameters of the heating medium at the outlet) is carried out through the
Нагреваемая среда с параметрами В подается в цилиндрический корпус 3 теплообменника 1 через патрубок 6 в противоток направлению подачи греющей среды, проходит через пучок пространственно-спиральных теплообменников 8, нагревается от греющей среды посредством теплообмена через стенки змеевиков 8 и удаляется через горловину выхода 7 с параметрами Г.The heated medium with parameters B is supplied to the
Теплообменная поверхность змеевиков 8 служит для передачи тепла от одной среды (греющей) к другой среде (нагреваемой) без их смешения. Чем более эффективнее происходит процесс теплообмена, тем больше мощность.The heat exchange surface of the
Увеличение теплообменной поверхности и расположение в том же объеме теплообменника 1 не 7, а 13 пространственно-спиральных теплообменников 8 (см. фиг. 8), позволяет сделать более компактный теплообменник.An increase in the heat exchange surface and the location in the same volume of
Но не только это позволяет получить заданные параметры.But not only this allows you to obtain the specified parameters.
Необходимо также подобрать оптимальные геометрические характеристики трубной системы: диаметр труб змеевиков, диаметр витков, расстояния между соседними змеевиками, угол подъема винтовой линии витка при определенном шаге навивки витков.It is also necessary to select the optimal geometric characteristics of the pipe system: the diameter of the coil pipes, the diameter of the coils, the distance between adjacent coils, the angle of the helix of the coil at a certain pitch of the coils.
Сочетание данных параметров с равносторонней или равнобедренной треугольной системой расположения змеевиков позволяет изменить пространственную теплообменную поверхность из соприкасающихся труб витков змеевиков и значительно турбулизировать поток нагреваемой среды, протекающей по межтрубному пространству. При этом гидравлическое сопротивление не превышает заданного параметра. Наличие угла наклона винтовой линии витка змеевика позволяет направить поток среды не только поперек труб, но и вдоль наружной поверхности труб змеевика, что приводит к закручиванию потока нагреваемой среды. Движение греющей среды внутри трубы змеевика так же приводит к закручиванию потока и увеличению турбулизации, что выравнивает температуру греющей среды во всем внутреннем объеме трубы.The combination of these parameters with an equilateral or isosceles triangular arrangement of coils makes it possible to change the spatial heat exchange surface of the contacting pipes of coils and significantly turbulize the flow of the heated medium flowing through the inter-tube space. In this case, the hydraulic resistance does not exceed the specified parameter. The presence of an angle of inclination of the helical line of the coil turn makes it possible to direct the flow of the medium not only across the pipes, but also along the outer surface of the coil pipes, which leads to twisting of the flow of the heated medium. The movement of the heating medium inside the coil pipe also leads to swirling of the flow and increased turbulence, which equalizes the temperature of the heating medium throughout the entire internal volume of the pipe.
Claims (33)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2815748C1 true RU2815748C1 (en) | 2024-03-21 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU227261U1 (en) * | 2024-04-09 | 2024-07-12 | Владимир Викторович Михайлов | SPIRAL HEAT EXCHANGER |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152574C1 (en) * | 1999-02-16 | 2000-07-10 | Походяев Сергей Борисович | Heat exchanger |
| RU2162583C1 (en) * | 2000-02-29 | 2001-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью НПЦ "Анод" | Heat exchange apparatus |
| JP2001056188A (en) * | 1999-06-10 | 2001-02-27 | Sanden Corp | Heat exchanger used in vapor pressurizing type refrigeration cycle and the like |
| RU25586U1 (en) * | 2002-05-06 | 2002-10-10 | Дочернее унитарное предприятие "Турбонасос" Федерального государственного унитарного предприятия "Конструкторское бюро Химавтоматики" | SHELL-TUBE COIL HEAT EXCHANGER |
| RU99128U1 (en) * | 2010-04-09 | 2010-11-10 | Станислав Андреевич Понятовский | UNIVERSAL HEAT EXCHANGE ELEMENT |
| RU2770261C2 (en) * | 2020-07-13 | 2022-04-14 | Акционерное общество "Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И. Африкантова" (АО "ОКБМ Африкантов") | Heat exchanger |
| EP3705831B1 (en) * | 2019-03-08 | 2022-09-21 | Hamilton Sundstrand Corporation | Rectangular helical core geometry for heat exchanger |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152574C1 (en) * | 1999-02-16 | 2000-07-10 | Походяев Сергей Борисович | Heat exchanger |
| JP2001056188A (en) * | 1999-06-10 | 2001-02-27 | Sanden Corp | Heat exchanger used in vapor pressurizing type refrigeration cycle and the like |
| RU2162583C1 (en) * | 2000-02-29 | 2001-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью НПЦ "Анод" | Heat exchange apparatus |
| RU25586U1 (en) * | 2002-05-06 | 2002-10-10 | Дочернее унитарное предприятие "Турбонасос" Федерального государственного унитарного предприятия "Конструкторское бюро Химавтоматики" | SHELL-TUBE COIL HEAT EXCHANGER |
| RU99128U1 (en) * | 2010-04-09 | 2010-11-10 | Станислав Андреевич Понятовский | UNIVERSAL HEAT EXCHANGE ELEMENT |
| EP3705831B1 (en) * | 2019-03-08 | 2022-09-21 | Hamilton Sundstrand Corporation | Rectangular helical core geometry for heat exchanger |
| RU2770261C2 (en) * | 2020-07-13 | 2022-04-14 | Акционерное общество "Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И. Африкантова" (АО "ОКБМ Африкантов") | Heat exchanger |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU227261U1 (en) * | 2024-04-09 | 2024-07-12 | Владимир Викторович Михайлов | SPIRAL HEAT EXCHANGER |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11835302B2 (en) | Tubeless heat exchanger for fluid heating systems | |
| Kakaç et al. | Heat exchangers: selection, rating, and thermal design | |
| US6808017B1 (en) | Heat exchanger | |
| US5579836A (en) | Heat-exchanger coil assembly and complex thereof | |
| CN102278907B (en) | External-convex-type asymmetrical wave node pipe heat exchanger | |
| CN201517899U (en) | Pipe shell type heat exchanger | |
| CN103411447A (en) | Horizontal-fin shell and tube heat exchanger | |
| CN103411454A (en) | Tube type heat exchanger with outer-protruding-type corrugated tubes arranged in staggering mode | |
| Ali et al. | Effect of design parameters on passive control of heat transfer enhancement phenomenon in heat exchangers–A brief review | |
| CN104913663A (en) | Tube shell pass volume-adjustable longitudinal turbulence oil cooler | |
| RU2815748C1 (en) | Heat exchanger with space-spiral coils | |
| Thulukkanam | Heat Exchangers: Classification, Selection, and Thermal Design | |
| CN111336841A (en) | Enclosed stack type micro-channel heat exchanger | |
| US7913512B2 (en) | Air-heated heat exchanger | |
| JP2020016393A (en) | Heat exchanger | |
| Boda et al. | Design and Development of Parallel-Counter Flow Heat Exchanger | |
| CN102636054A (en) | Asymmetric retractable transverse slot pipe heat exchanger | |
| CN202216589U (en) | Heat exchanger applying rotating arc heat exchange tubes | |
| CN217654341U (en) | Heat exchanger | |
| CN103644755A (en) | Heat transfer pipe and gas heat exchanger where heat transfer pipe is used | |
| RU2819324C1 (en) | Plate heat exchanger with helical turbulators for gas turbine plant | |
| WO2015048013A1 (en) | Heat exchanger | |
| Dahare | Review on experimental analysis and performance characteristic of heat transfer in shell and twisted tube heat exchanger | |
| RU2822724C1 (en) | Shell-and-tube heat exchanger | |
| CN213396657U (en) | Heat exchanger |