Витые трубчатые теплообменники

Витые теплообменники, широко применяемые в криогенных системах, отличаются многими положительными свойствами – высокой компактностью, несложной технологией изготовления, отсутствием температурных деформаций. Они обеспечивают высокие значения коэффициентов теплопередачи и кпд. Витые аппараты имеют много конструктивных модификаций. Основные конструктивные различия состоят в применении разного типа трубок (гладкие, оребренные) и в различных способах их навивки. Рассмотрим наиболее распространенные виды витых теплообменников.

На рис. 3.1 приведена конструкция витого гладкотрубного теплообменника, а также показаны разные схемы навивки трубок. На полый сердечник 1 навивают ряд слоев гладких трубок 2, устанавливая между каждым слоем прокладки 3 для обеспечения каналов для прохода газа. На внешний слой навивки надевают обечайку 4 из листового материала с крышками и патрубками 5 для входа и выхода газа. Концы трубок собраны в коллекторы 6. Прямой поток I (обычно высокого давления) движется внутри трубок, а обратный II — омывает их внешнюю поверхность, двигаясь противотоком между слоями навивки и обтекая трубки в поперечном направлении.

В этих аппаратах применяют плотную (см. рис. 3.1, г) или разреженную навивки (см. рис. 3.1, в). Радиальный зазор между слоями образован дистанционными прокладками из тонких полос толщиной t₁. Этот зазор определяет скорость потока, существенно влияет на теплообмен и гидравлические потери в межтрубном пространстве. Разреженная навивка обеспечивает дополнительный осевой зазор t₂, что приводит к улучшению теплоотдачи и гидродинамики потока, но и увеличению длины аппарата. Наружный слой навивки уплотняют шнуром из мягкого материала или обжимают обечайкой, чтобы не допустить перетекания газа между внешним слоем трубок и обечайкой.

Большие теплообменники выполняют с многозаходной навивкой (по несколько труб в каждом слое). Чтобы сохранить примерно одинаковую длину труб, их число увеличивают от ряда к ряду. Витые аппараты бывают двухпоточные и многопоточные (несколько прямых потоков двигаются по своим трубкам и коллекторам).

Применяют также конструкции витого теплообменника с навивкой из двойных труб — типа «труба в трубе».

 

Рис. 3.1. Витой теплообменник из гладких труб:

а —общий вид; б —схема навивки двух смежных слоев; в – разреженная навивка; 

г —плотная навивка.

Трубы изготовляют из меди, коррозионно-стойкой стали и алюминиевых сплавов. Типовые размеры медных труб: наружный диаметр 3...12 мм, толщина стенки 0,5 ... 1,5 мм. Диаметр сердечника (10 ... 20) диаметров труб.

Широко применяют витые теплообменники из труб, оребренных проволокой (см. рис. 3.2). Оребрение осуществляется путем плотной намотки проволоки на трубку. Плотный контакт между проволокой и трубкой достигается в результате упругой  деформации материала трубки и проволоки. Такая технология отличается простотой и позволяет создавать высокоэффективные поверхности. Намотка оребренных трубок на сердечники выполняют так же, как и для других типов витых аппаратов; прокладки не применяют; каждый последующий слой намотки сдвигают на 1/2 шага. Поперечный и продольный шаги при этом постоянными не выдерживают.

Рис. 3.2. Схема навивки теплообменника из труб, оребренных проволокой

а) — варианты взаимного расположения трубок в навивке;   б) – элемент трубки с проволочным оребрением.

В зависимости от характера контакта между соседними слоями, их значения меняются от максимального до минимального (см. рис. 3.2). Пределы изменения шага t₂ : t_2min = d + d_р; t_2max  = d + 2d; t₁ =0,866t₂. Диаметр проволоки обычно d_р = (0,15 ... 0,2)d. Коэффициент оребрения при этом невелик j = 2 ... 3,5.

Основные геометрические характеристики витых теплообменников из труб, оребренных проволокой, можно рассчитать по следующим соотношениям:

§ удельная площадь сечения свободного объема f_уд

f_уд = 1 – p (d_т +d_p² ×l_витк / t_ор) / (4t₁ t₂),

где d_т , d_p – диаметр трубки и оребряющей проволоки (ребра) , мм,

t₁, t₂ – поперечный и продольный шаги намотки, мм,

t_ор – шаг оребрения проволокой, мм,

 – длина витка проволоки.

§ эквивалентный диаметр

,

где j_геом = 1 – f_тр.м + f_ор – геометрический коэффициент оребрения,

f_тр.м = l_витк d_к / (pd_т t_ор) – удельная поверхность трубки, омертвленная намотанной проволокой,

d_к – ширина контакта проволока – трубка.

§ коэффициент эффективности оребрения

j = 1 - f_тр.м + f_ор×h_ор,

где h_ор – коэффициент эффективности проволочного ребра.

 

 Несмотря на некоторую неравномерность навивки и различие шагов t₁ и t₂, их среднестатистические значения обеспечивают регулярную и устойчивую структуру межтрубного пространства, равномерное течение потока, высокие коэффициенты теплоотдачи. При этом число слоев навивки должно быть не менее трех. Аппараты такого типа применяют в основном в гелиевых ожижителях, рефрижераторах и ВРУ; они перспективны и для других криогенных систем.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: