Теплообмінний апарат

Реферат: Винахід належить до теплообмінних апаратів, зокрема до апаратів з трубчастими теплообмінними елементами і може бути використаний для нагрівання або охолодження рідинних теплоносіїв, сільському господарстві, промисловості, енергетиці та інших галузях народного господарства. Задачею винаходу є підвищення інтенсифікації теплообміну при поперечному обтіканні пучка потоку теплоносія та одночасному підвищенні експлуатаційної надійності, а також зменшення масогабаритних показників теплообмінного апарата. Поставлена задача вирішується тим, що в теплообмінному апараті при поперечному потоці теплоносія розташовано пучок трубок, утворений рядами трубок, при цьому сусідні трубки кожного ряду дотикаються між собою і почергово зміщені відносно осі ряду на відстань Κ, де 0    3D / 2 , D - діаметр трубки, мм; за умови C  D  5 мм, де С - відстань між центрами трубок сусідніх рядів, які утворюють найвужчий переріз каналу теплоносія, мм. Таке рішення зменшує масо-габаритні показники теплообмінного апарата при значній інтенсифікації теплообміну для всіх діапазонів швидкостей руху теплоносія, якщо порівнювати з кожухотрубним теплообмінним апаратом з шаховим чи коридорним розташуванням трубок та апаратом, у якому труби утворюють суцільний ряд труб, що дотикаються без зміщення суміжних труб. Теплообмінний апарат працює наступним чином. Гарячий теплоносій входить в теплообмінний апарат і направляється в міжтрубний простір пучка 1 (фіг. 1), де відбувається теплообмін з UA 111751 C2 (12) UA 111751 C2 охолоджувальною рідиною, що рухається всередині трубок пучка 1, після чого виходить із протилежної сторони з теплообмінного апарата. Конструкція теплообмінного апарата жорстка і технологічно проста, що дозволяє їй працювати в області високих температур та підвищує експлуатаційну надійність апарата. UA 111751 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до теплообмінних апаратів, зокрема до апаратів з трубчастими теплообмінними елементами, і може бути використаний для нагрівання або охолодження рідинних теплоносіїв у сільському господарстві, промисловості, енергетиці та інших галузях народного господарства. Відомий аналог [Патент UA № 104559, опубл. 10.02.2014, бюл. №3, МПК F28D 7/00], що містить поперечно-обтічний пучок трубок з коридорним розташуванням, у якому сусідні трубки одного ряду пучка дотикаються між собою і формують ряди, які є каналами для руху теплоносія. Недоліком конструкції є недостатня інтенсифікація теплообміну. Також відомим є теплообмінний апарат [Патент СССР № 1710974, опубл. 07.02.1992, бюл. №5, МПК F28D 9/02], який містить пучок круглих труб, що розташовані в шаховому порядку і оребрений плоскими пластинами. Недоліком такого апарата є високий аеродинамічний опір та великі масогабаритні показники. Задача винаходу - підвищення інтенсифікації теплообміну при поперечному обтіканні пучка потоком теплоносія та покращення масо-габаритних характеристик теплообмінних апаратів шляхом зміни конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що в теплообмінному апараті при поперечному потоці теплоносія застосовано пучок трубок, утворений рядами трубок, при цьому сусідні трубки кожного ряду дотикаються між собою, а у кожному ряді трубки розташовані з почерговим зміщенням відносно осі ряду на відстань K (фіг. 2). Відстань K лежить у межах, описаних виразом 0  K  3D / 2 , де D - діаметр трубки, мм; при умові C  D  5 , де C - відстань між центрами трубок сусідніх рядів, які утворюють найвужчий переріз каналу теплоносія, мм. Зменшення поперечного кроку S нижче 5 мм є недоцільним та технологічно важким у виконанні. Зміщення трубок зменшує масогабаритні показники теплообмінника, при значній інтенсифікації теплообміну для всіх діапазонів швидкостей руху теплоносія, якщо порівнювати з кожухотрубним теплообмінним апаратом з шаховим чи коридорним розташуванням трубок та апаратом, у якому труби утворюють суцільний ряд труб, що дотикаються без зміщення суміжних труб. Перелік фігур графічного зображення, що пояснюють пропонований винахід: на фіг. 1 зображено загальний вигляд теплообмінного апарата у трьох проекціях; на фіг. 2 - трубна дошка; на фіг. 3 - повздовжній розріз запропонованого теплообмінного апарата. Теплообмінний апарат (фіг. 1) складається з бокових 5 та верхніх 4 стінок, закріпленими в ньому трубними дошками 2 (фіг. 2), між якими встановлений вертикальний пучок трубок 1 (фіг 1). Трубки в рядах пучка 1 дотикаються між собою (фіг. 2) та кожна друга зміщена відносно осі ряду на відстань K , таке розташування трубок у пучку утворює криволінійний канал. Кожен ряд трубок в пучку 1 має технологічні зазори (фіг. 2), що ділить ряди на три частини, так як теплообмінний апарат триконтурний по охолоджувальній рідині і має перегородку 3 у верхньому та нижньому колекторі (фіг 3). Підведення та відведення охолоджуючої рідини здійснюється через патрубки 6 та 7 (фіг. 3). Корпус, який складається з бокових 5 та верхніх 4 стінок являє собою суцільну жорстку конструкцію та з торців має фланці, що утворені з кутників 8 та 9 (фіг. 1). Теплообмінний апарат працює наступним чином. Гарячий теплоносій входить в теплообмінний апарат і направляється в міжтрубний простір пучка 1 (фіг. 1), де відбувається теплообмін з охолоджувальною рідиною, що рухається в середині трубок пучка 1, після чого виходить з протилежної сторони теплообмінного апарата. У статті [Горобець В.Г. Моделювання процесів переносу та теплогідравлічна ефективність кожухотрубного теплообмінника з компактним розташуванням пучків труб / В. Г. Горобець, В. І. Троханяк. - Науковий вісник НУБіП України. - 2014. - № 194, ч. 2. – С. 147-155.] проведено дослідження енергетичної ефективності для різних конструкцій трубних пучків, а саме: відстань зміщення кожної другої трубки відносно осі ряду (K) здійснювалась для п'яти варіантів конструкції пучка починаючи з 1 мм і до 5 мм з приростом в 1 мм для кожної конструкції. Усереднені значення коефіцієнта тепловіддачі  для досліджуваних конструкцій зростають від 2 2 210 Вт/м К для зміщення на 1 мм до 450 Вт/м К для зміщення на 5 мм, що безумовно показує вплив зміщення трубок на інтенсивність теплообміну на поверхні пучка трубок. Аналіз отриманих у вищенаведеній статті залежностей показує, що з точки зору інтенсифікації процесів теплопереносу на поверхні пучків, найкращі характеристики має конструкція із зміщенням труб на 5 мм. Усереднені значення коефіцієнта тепловіддачі  для цієї конструкції у 2,1 разу перевищують відповідні значення  для конструкції зі зміщенням труб 1 UA 111751 C2 5 на 1 мм і суттєво перевищують  для конструкції з прямими рядами без зміщень. При цьому досягається значне зниження температури охолоджуваного теплоносія на виході з каналу і зменшення габаритних показників на 15 % порівняно з конструкцією з прямими рядами без зміщень і на 60 % порівняно з традиційною шаховою компоновкою. Гідравлічні втрати зі збільшенням величини зміщення між сусідніми трубами зростають, але в абсолютному значенні суттєвого падіння загального тиску не спостерігається і це не призводить до значного підвищення потужності насоса, який використовується для прокачування теплоносія. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Теплообмінний апарат, що містить поперечно-обтічний пучок трубок, утворений рядами трубок, при цьому сусідні трубки кожного ряду дотикаються між собою, а сусідні ряди утворюють канали для руху теплоносія, який відрізняється тим, що у кожному ряді трубки розташовані з почерговим зміщенням відносно осі ряду, причому сусідні трубки ряду зміщені між собою на відстань K, де 0  K  3D / 2 , D - діаметр трубки, мм; за умови C  D  5 мм, де С - відстань між центрами трубок сусідніх рядів, які утворюють найвужчий переріз каналу теплоносія, мм. 20 2 UA 111751 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3