Теплообменный аппарат

Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к рекуперативным теплообменным аппаратам.

Известен теплообменный аппарат, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей трубной и межтрубной полостей и расположенный в нем пучок непрямых, витых трубок (авторское свидетельство SU №1060913 А). Формирование пучка из одинаковы витых трубок позволяет, по сравнению с пучком из прямых трубок, турбулизировать поток среды межтрубного пространства при ее движении внутри корпуса, но из-за одинаковости витых трубок создает регулярные структуры в потоке движущейся жидкости. Кроме того, использование витых трубок не позволяет собрать плотный трубный пучок. Эти недостатки снижают эффект турбулизации, т.е. тепловую эффективность теплообменного аппарата.

Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей трубной и межтрубной полостей и расположенный в нем пучок непрямых серпантинообразных трубок, изогнутых в одной плоскости (патент RU 2527772 С1). Формирование пучка из одинаковых серпантинообразных трубок, изогнутых в одной плоскости, позволяет собрать из них плотный пучок, но при помещении пучка в корпус аппарата между ним и корпусом образуются байпасные полости. Для ликвидации этих полостей приходится выполнять внутреннюю поверхность корпуса фигурной, что усложняет изготовление корпуса. Кроме того, из-за одинаковости серпантинообразных трубок в потоке движущейся жидкости межтрубной полости образуются регулярные структуры, что снижает эффект турбулизации, т.е. эффективность теплообменного аппарата.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности теплообменного аппарата за счет турбулизации потока среды межтрубного пространства при ее движении внутри корпуса и упрощение изготовления корпуса.

Поставленная задача решается тем, что трубки независимо друг от друга имеют вдоль своей длины изгибы более, чем в двух плоскостях, причем максимальная амплитуда изгиба не превышает радиуса трубки, минимальное расстояние между максимальными изгибами составляет не менее 10 радиусов трубки, а положение центра сечения трубки по длине последней не описывает цилиндрическую спираль.

Использование для сборки пучка трубок, которые независимо друг от друга имеют вдоль своей длины изгибы более, чем в двух плоскостях, позволяет избежать образований регулярных структур в потоке движущейся жидкости межтрубной полости, что увеличивает эффект турбулизации. Выполнение изгибов трубок с максимальной амплитудой изгиба, не превышающей радиуса трубки, позволяет собрать из них плотный пучок, что повышает компактность пучка, способствует росту коэффициента теплоотдачи, а благодаря отсутствию байпасных токов между пучком и корпусом позволяет упростить изготовление корпуса, использовав для его изготовления трубу. Выполнение изгибов трубок с минимальным расстоянием между максимальными изгибами не менее 10 радиусов трубки обеспечивает повышение надежности аппарата, благодаря исключению чрезмерных пластических деформаций трубок при выполнении их изгибов. Выполнение условия, при котором положение центра сечения трубки по длине последней не описывает цилиндрическую спираль, позволяет исключить образование спиральной формы трубок, способной сформировать регулярные структуры потока жидкости межтрубной полости.

При погибе каждой трубки, например, диаметром 8 мм для заявляемого теплообменного аппарата, движение ее оси, имеющее стохастический характер, задается в цилиндрических координатах в виде: х=(ρ,ϕ,z), ρ∈[0,8], ϕ∈[0,2π], z∈(0,+∞) и удовлетворяет следующим условиям:

где:

- Р1(ρ) - вероятность того, что траектория оси трубки будет находиться в цилиндре радиуса ρ и высотой 160 с центром в начале координат

- Р2(ϕ) - вероятность того, что радиус траектории оси трубки не останется постоянным при ее повороте на угол ϕ

- x(zk1) - проекция оси трубки x(ρ,ϕ,z) при z=zk на плоскость (ρ,ϕ,0)

параметры а, b, с и d выбираются так, чтобы Р1, Р2∈[0,1]

Выполнение заданных условий для всех трубок пучка позволяет получить плотный пучок из стахостически изогнутых труб, что обеспечивает рост турбулизации межтрубного потока за счет генерирования хаотичного турбулентного характера потока среды межтрубного пространства. При помещении такого пучка в цилиндрический корпус аппарата, между ним и корпусом не образуются байпасные полости, т.к. смежные трубки в каждом сечении имеют незначительные разнонаправленные изгибы, в результате чего в каждом поперечном сечении корпуса имеются близкорасположенные друг к другу трубки, находящиеся в непосредственном контакте с корпусом.

На фг. 1 схематически представлен заявляемый теплообменный аппарат. Поз. 1 - корпус, поз. 2 и поз. 3 - патрубки трубной полости, поз. 4 и поз. 5 патрубки межтрубной полости, поз. 6 - трубки трубного пучка.

На фиг. 2 представлен фрагмент трубного пучка.

Теплообменный аппарат работает следующим образом. Теплоноситель трубной полости через патрубок 2 входит в трубный пучок 6 и, пройдя по трубной полости, выходит из аппарата через патрубок 3. Теплоноситель межтрубной полости входит в межтрубную полость через патрубок 4 и, пройдя по межтрубной полости, выходит через патрубок 5. При движении теплоносителя по межтрубной полости он омывает теплопередающие трубки трубного пучка под постоянно меняющимся углом атаки.

Использование заявляемого технического решения позволяет упростить изготовление корпуса аппарата и повысить турбулизацию потока среды межтрубного пространства, что способствует росту тепловой эффективности теплообменного аппарата.