Коридорный трубный пучок

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Дударев Владимир Владимирович Кунтыш Владимир Борисович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Коридорный трубный пучок прямоугольного фронтального сечения, включающий круглоребристые трубы, закрепленные в трубных решетках с поперечным 1 и продольным 2 шагами с образованием поперечных и продольных рядов труб, обтекаемых снаружи перпендикулярным потоком воздуха, отличающийся тем, что в каждом продольном ряду четные трубы, считая в направлении движения потока, смещаются в поперечном потоку направлении на расстояние 1 от продольной оси ряда, а четные трубы каждого поперечного ряда смещаются в продольном направлении потока на расстояние 2 от поперечной оси ряда, образуя тем самым трубный пучок из зигзагообразных продольных с длиной волны 22 и поперечных с длиной волны 21 рядов труб, которые своими сребренными поверхностями создают межтрубное пространство в виде продольных асимметричных конфузорно-диффузорных полостей с постоянным чередованием конфузорных и диффузорных участков в поперечном и продольном направлениях.(56) 1. Бессонный А.Н., Дрейцер Г.А., Кунтыш В.Б. и др. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения Справочник / Под общ. ред. В.Б. Кунтыша, А.Н. Бессонного. - СПб. Недра, 1996. - С. 89-104. 2. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечно обтекаемых пучков труб. - Л. Машиностоение,1982. - С. 46 - 52. 3. Жукаускас А.А., Улинскас Р.В. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков труб. Вильнюс Мокслас, 1986. - С. 144 - 162. 4. Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб. Киев Альтерпресс, 2004. - С. 105 - 182. 5. Кунтыш В.Б., Иохведов Ф.М. Влияние относительной глубины межреберной полости на тепловую эффективность, конвективный теплообмен пучков ребристых труб и интенсификация теплоотдачи в них // Изв. Ан СССР. Энергетика и транспорт. - 1970. -4. С. 127 - 136. 6. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н., Краснощеков Л.Ф. и др. Теплоаэродинамические характеристики алюминиевых спирально накатных труб вентиляционных нагревателей // Индустриальные системы вентиляции и кондиционирования воздуха Сб. науч. тр. Всесоюзн. научно-исслед. ин-т гидромеханизации, сан.-техн. и специальных работ. - Л. 1990. С. 119 - 126. 7. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. - Л. Энергия, 1980. - С. 95 - 97. 8. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н. Теплоотдача и аэродинамическое сопротивление поперечно-обтекаемых переходных коридорно-шахматных пучков сребренных труб // Теплоэнергетика. - 1993. -2. С. 41 - 45 (прототип). Полезная модель относится к поверхностным рекуперативным теплообменникам из оребренных труб, а более конкретно к трубным пучкам калориферов из круглоребристых труб со спиральными накатанными или навитыми ребрами, обтекаемых снаружи поперечным потоком воздуха. Особенно широкое применение в таких трубных пучках получили биметаллические ребристые трубы (БРТ) с накатанными спиральными алюминиевыми ребрами 1. Трубные пучки калориферов систем вентиляции и кондиционирования воздуха общественных и промышленных зданий, а также систем воздушного отопления зрелищных сооружений имеют в большинстве случаев коридорное расположение БРТ. Это предопределено применением в таких системах с большими объемными расходами среды для создания принудительного движения воздуха осевых вентиляторов, способных преодолевать небольшое аэродинамическое сопротивление вентиляционного тракта, основная доля в котором приходится на трубный пучок калорифера. Чтобы уменьшить эту долю применяют коридорное расположение труб в пучке, при котором их сопротивление является наименьшим 2 в сравнении с иными компоновками ребристых труб, например шахматными. Достаточно полно проведены исследования теплоаэродинамических характеристик 2,3, 4 традиционных коридорных и шахматных поперечно-обтекаемых пучков из круглоребристых труб и получено, что энергетитческая эффективность коридорных ребристых пучков 2, 5 на 1063 ниже эффективности шахматных пучков. Следовательно при одинаковой затрате мощностина прокачку воздуха через межтрубное пространство пучка коэффициент теплоотдачи коридорного ребристого пучка снижается в 1,11,6 раза по сравнению с его значением для шахматного пучка. 71832011.04.30 Полученный результат вполне закономерен. При коридорном расположении все трубы, находящиеся в последующих поперечных рядах, кроме первого, оказываются в области действия сходящегося аэродинамического следа, создаваемого впереди стоящей трутрубой 3, 4. Область следа характеризуется относительно низкой скоростью движения воздуха в ней и выключает из активного теплообмена дополнительно часть поверхности оребрения из лобовой половины трубы, что отсутствует при шахматном расположении труб. Кормовая область оребрения трубы за точкой отрыва потока от миделева сечения,независимо от характера расположения труб в пучке, всегда находится в аэродинамическом следе потока и характеризуется в 22,5 раза 5 меньшей интенсивностью теплоотдачи и эта часть теплоотдающей поверхности оребрения является одним из резервов увеличения энергетической эффективности ребристого пучка. Известна конструкция 6 поперечно-обтекаемого воздухом пучка из БРТ со спиральными накатанными алюминиевыми ребрами с геометрическими параметрами вентиляционных калориферов. Конструкция представляет модификацию равностороннего шахматного пучка, в котором трубы каждого поперечного ряда смещены на расстояниечерез одну вдоль его продольной оси по направлению движения потока. В итоге трубы в каждом поперечном ряду располагаются зигзагообразно. Энергетическая эффективность пучка увеличилась на 1017 по сравнению с традиционной компоновкой БРТ в шахматном равностороннем пучке. Объяснение достигнутого эффекта заключается в реализации известного принципа интенсификации теплоотдачи 7 вследствие создания в межтрубном пространстве пучка ассиметричных конфузорно-диффузорных полостей с условно перемежающимися границами, вследствие чего возникает дополнительный перенос количества движения в направлении, перпендикулярном основному движению потока. Теплоотдача интенсифицируется при умеренном росте аэродинамического сопротивления. Описанная конструкция является ближайшим аналогом заявленной полезной модели. Известно исследование 8, в котором дается конструкция (рис. 1, типпо 8) поперечно-обтекаемого воздухом пучка из БРТ, принятая нами за прототип. Она представляет пучок с промежуточным расположением труб между коридорным и шахматным. Пучок собран из БРТ с накатанными спиральными алюминиевыми ребрами следующих параметров 055,8525,85152,560,75 мм, где- наружный диаметр ребра 0 - диаметр ребра у его основания , ,- соответственно высота, шаг и средняя толщина ребра. Коэффициент оребрения трубы 19,9. Наружный диаметр несущей трубы, на которой накатаны алюминиевые ребра 25 мм, и толщина стенки ее 2 мм. Труба выполнена из углеродистой стали 20. Пучок состоит из четырех (, , , ) поперечных рядов труб, установленных с поперечным шагом 170 мм и продольным 260,6 мм в трубных решетках, фронтальное сечение пучка - прямоугольное. Для вывода теплоотдающей поверхности лобовой половины труб из аэродинамической тени, создаваемой впереди стоящими трубами, все трубы каждого поперечного ряда(, , ) за исключением труб первогоряда были сдвинуты поперек потока воздуха на некоторый уголпо отношению к направлению потока. Благодаря этому техническому решению сузилась область аэродинамического следа и в активный теплообмен была вовлечена часть лобовой теплоотдающей поверхности каждой трубы со -го и последующих поперечных рядов. Дополнительным фактором усиления интенсивности теплообмена явилось возрастание турбулентности потока, так как нарушилось канальное (линейное) движение потока между продольными рядами. Трубы этих рядов начали играть роль активных турбулизаторов потока с вихреобразованием. Аэродинамическое сопротивление пучка возросло умеренно, что в итоге привело к повышению энергетической эффективности пучка на 21 по сравнению к традиционному коридорному пучку из ребристых труб. Однако в конструкции прототипа использованы не все потенциальные резервы повышения энергетической эффективности. Анализ гипотетической картины течения потока 3 71832011.04.30 показывает, что оно даже в изменившихся условиях осуществляется преимущественно по межрядным продольным каналам под углом , предопределенного правилом короткого замыкания - меньшего сопротивления движению, и лишь некоторая часть потока осуществляет огибающее течение вокруг труб. Благодаря последнему лишь частично улучшается омывание потоком лобовой части труб и небольшое повышение уровня турбулентности межтрубного потока. Задача полезной модели - повышение энергетической эффективности коридорного трубного пучка за счет внесения в межтрубный поток чередующегося знакопеременного градиента давления воздуха. Поставленная задача достигается в коридорном трубном пучке прямоугольного фронтального сечения, включающем круглоребристые трубы, закрепленные в трубных решетках с поперечным 1 и продольным 2 шагами с образованием поперечных и продольных рядов труб, обтекаемых снаружи перпендикулярным потоком воздуха, отличающийся тем, что в каждом продольном ряду четные трубы, считая в направлении движения потока, смещаются в поперечном потоку направлении на расстояние 1 от продольной оси ряда, а четные трубы каждого поперечного ряда смещаются в продольном направлении потока на расстояние 2 от поперечной оси ряда, образуя тем самым трубный пучок из зигзагообразных продольных с длиной волны 22 и поперечных с длиной волны 21 рядов труб, которые своими оребренными поверхностями создают межтрубное пространство в виде продольных ассиметричных конфузорно-диффузорных полостей с постоянным чередованием конфузорных и диффузорных участков в поперечном и продольном направлениях. Существенным отличием предполагаемой конструкции коридорного трубного пучка является смещение перпендикулярно направлению движения воздуха каждой четной круглоребристой трубы в каждом продольном ряду на расстояние 1 от продольной оси ряда. Благодаря этому техническому решению теплоотдающая поверхность оребрения лобовой половины каждой трубы, начиная со второго ряда, выводится из аэродинамического следа (тени) от впереди расположенных труб в продольных рядах. Эта теплоотдающая поверхность оребрения оказывается под воздействием благоприятной гидродинамики потока подобной той, в которой находится лобовая часть оребрения труб первого ряда. Теплоотдающая поверхность вовлекается в активный теплообмен. В результате смещения на величину 1 трубы в продольных рядах располагаются зигзагообразно с длинной волны 22, вследствие чего канальное (линейное) движение воздуха в межтрубном пространстве деформируется в направлении волнообразного, что сопровождается ростом межтрубной турбулентности воздуха и повышением теплоотдачи. Одновременно со смещением труб в продольных рядах осуществляется смещение труб каждого поперечного ряда на расстояние 2 по направлению потока воздуха от поперечной оси ряда, что приводит также к зигзагообразному расположению труб с длиной волны 21 в поперечных рядах. Итоговым результатом смещения круглоребристых труб на расстояния 1 и 2 с образованием зигзагообразной их компоновки в продольных и поперечных рядах соответственно с длиной волны 22 и 21 является возникновение в межтрубном пространстве пучка продольно расположенных ассимметричных конфузорно-диффузорных полостей, при этом имеет место постоянное чередование конфузорных и диффузорных участков в поперечном и продольном направлениях движению потока воздуха. Конфузорно-диффузорные полости допустимо рассматривать как образования с квазитвердыми стенками и движение потока воздуха в них имеет гидродинамические свойства, характерные для движения потока внутри теплообменных конфузорнодиффузорных труб с гладкими стенками 7. В конфузорном участке межтрубного пространства пучка градиент давления потока воздуха отрицательный, а при поступлении потока в диффузорный участок градиент давления меняет знак на противоположный(положительный) и при прохождении потока от входа в пучок к выходу из него происхо 4 71832011.04.30 дит чередование картины изменения градиента давления соответственно ранее изложенному. Повышается уровень турбулентности потока, который дополнительно усиливается ассиметрией конфузорно-диффузорных полостей из-за поперечного переноса количества движения, что интенсифицирует теплоотдачу при меньшем росте аэродинамического сопротивления пучка. Исследования 7 подтверждают изложенное. Совместное действие возникшего улучшенного обтекания труб потоком с течением его в конфузорно-диффузорных полостях межтрубного пространства пучка вызывает опережающее увеличение теплоотдачи по сравнению с ростом потери давления воздуха. Энергетическая эффективность коридорного пучка повышается. Таким образом, в заявленном коридорном трубном пучка полностью решена сформулированная задача. Полезная модель поясняется фиг. 1, на которой изображен трубный пучок со снятой верхней трубной решеткой (вид сверху). Коридорный трубный пучок состоит из круглоребристых труб Б с поперечными спиральными ребрами наружного диаметраи двух трубных решеток, нижняя А из которых изображена на рисунке. Концы труб с поперечным 1 и продольным 2 шагами закреплены в верхней и нижней трубных решетках, образуя четырехрядный пучок, в котором имеются четыре поперечных ряда , , ,и четыре продольных ряда 1, 2, 3, 4. Четные трубы продольных рядов сдвинуты на расстояние 1 от оси ряда по направлению, перпендикулярному потоку воздуха. Четные трубы поперечных рядов сдвинуты от оси ряда на расстояние 2 по направлению движения воздуха. Трубный пучок работает следующим образом. Горячий поток воздуха подводится перпендикулярно продольной оси круглых ребристых труб Б, обтекаемых снаружи поперечно. При движении воздуха в направлении к выходу из пучка он последовательно проходит ассиметричные конфузорно-диффузорные полости межтрубного пространства,возникающие междуи ,и ,ипоперечными рядами, в которых генерируется повышенная турбулентность воздуха, а также возникает поперечное перемешивание потока, что интенсифицирует теплоотдачу. Наряду с этим дополнительно теплоотдача увеличивается вследствие улучшения обтекания лобовых участков оребрения труб,расположенных во , ,поперечных рядах. Тепловой поток от воздуха передается через теплопроводные ребра и стенки труб нагреваемой жидкости, движущейся внутри труб или наоборот в случае отвода теплового потока от жидкости. В целом новая компоновка труб в пучке увеличивает интенсивность теплоотдачи на 3040 , а энергетическая эффективность пучка повышается на 2030 . В предлагаемой полезной модели пучка исходный тепловой поток , Вт, обеспечивается при уменьшении площади поверхности теплоотдачи , м 2, вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи , Вт/(м 2 К),где- разность средних температур воздуха и поверхности теплоотдачи, С. Меньшей площади поверхноститеплоотдачи пучка соответствует и меньшая металлоемкость (масса) трубного пучка. Предлагаемая полезная модель пучка может быть использована в калориферах и теплоутилизаторах из круглоребристых труб, выпускаемых заводами коммунального, санитарно-технического и химического машиностроения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5