Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6609
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
F 28F 1/24
F 28F 9/00
F 28D 7/00
F 28D 3/00
(54) ТРУБНЫЙ ПУЧОК ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ
(21) Номер заявки: u 20100022
(22) 2010.01.11
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Белорусский государственный тех-
нологический университет" (BY)
(72) Авторы: Кунтыш Владимир Борисович
(BY); Дударев Владимир Владимиро-
вич (BY); Стенин Николай Николае-
вич (RU); Володин Виктор Иванович
(BY); Краснощеков Леонид Федоро-
вич (RU)
(73) Патентообладатель: Учреждение обра-
зования "Белорусский государственный
технологический университет" (BY)
(57)
Трубный пучок воздухонагревателя, содержащий трубные решетки и набор шахматно
расположенных в них с поперечным S1п, продольным S2, диагональным S'
2 шагами труб с
поперечными шайбовыми или спиральными ребрами, в котором каждая четная труба в по-
перечных рядах устанавливается с продольным смещением e по ходу воздуха, а центры
двух смежных нечетных труб соседних поперечных рядов образуют основания равнобед-
ренных треугольников с боковыми сторонами, равными диагональному шагу S'
2, и углом β
Фиг. 1
BY6609U2010.10.30

2. BY 6609 U 2010.10.30
2
при вершинах, лежащих в центрах тех четных труб, которые являются одновременно
смежными и равноудаленными по отношению к трубам у основания треугольников, от-
личающийся тем, что относительное смещение e/S'
2 труб не должно выходить за пределы
значений 0,1 - 0,4.
(56)
1. Бажан П.И., Каневец Г.И., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппа-
ратам. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 62-70, 72, 305-309.
2. Минин В.Е. Воздухонагреватели для систем вентиляции и кондиционирования воз-
духа. - М.: Стройиздат, 1976. - 199 с.
3. Богданов Е.С., Козлов В.А., Кунтыш В.Б. и др. Справочник по сушке древесины.
4-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесная промышленность, 1990. - С. 212-222.
4. Кунтыш В.Б., Бессонный А.Н., Дрейцер Г.А. и др. Примеры расчетов нестандарти-
зованных эффективных теплообменников. - СПб.: Недра, 2000. - С. 33-50.
5. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н., Краснощеков Л.Ф. и др. Теплоаэродинамические харак-
теристики алюминиевых спирально накатных труб вентиляционных воздухонагревателей.
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.
6. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н. , Мелехов В.И. Шахматный пучок с эксцентричным раз-
мещением ребристых труб в трубных решетках // Информационный листок. - № 217-92. -
Архангельский ЦНТИ. - 1992. - 4 с. (прототип).
Полезная модель относится к поверхностным рекуперативным теплообменникам [1]
из оребренных труб, а более конкретно к трубным пучкам воздухонагревателей из кругло-
ребристых труб с поперечными шайбовыми, спиральными накатными или навитыми реб-
рами, обтекаемых снаружи поперечным потоком воздуха.
Воздухонагреватели широко применяются в установках вентиляции [2] и кондицио-
нирования воздуха, в отопительных приборах помещений при строительстве, в сушиль-
ных установках [3], в животноводческих фермах и закрытых теплицах для выращивания
овощей. Трубные пучки этих воздухоподогревателей преимущественно собирают из круг-
лых биметаллических ребристых труб (БРТ), которые устанавливают в трубных решетках
шахматно, как правило, по вершинам равностороннего треугольника с поперечным шагом
S1 = S'
2. Здесь S'
2 - диагональный шаг, а продольный шаг S2 = 0,866 ⋅ S1 для таких компо-
новок. Материальное исполнение ребер в БРТ - преимущественно алюминий и его сплавы,
иногда встречается медное.
Воздухонагреватели встраиваются в те или иные технологические агрегаты, вентиля-
ционные установки, в которых для перемещения воздуха применяются осевые вентилято-
ры с ограниченным напором. Из этого вытекает эксплуатационная особенность, которой
должна удовлетворять конструкция трубного пучка - низкие потери давления по воздуху.
Указанное ограничение выполнимо при небольших значениях скорости w ≈ 0,5 - 6 м/с
воздуха в сечении набегающего потока на пучок труб, которые реализуются в известных
традиционных конструкциях [2, 3] шахматных трубных пучков воздухонагревателей. Од-
нако фронтальное сечение пучка оказывается больших размеров, а для сопряжения венти-
лятора или воздуховода с фланцем патрубка воздухонагревателя устанавливают
диффузоры, являющиеся источником дополнительных аэродинамических потерь. Возрас-
тает потребление энергии на перемещение воздуха через межтрубное пространство возду-
хонагревателя. Этот существенный недостаток частично устраняется применением
энергетически менее выгодного размещения труб в традиционном пучке под углом мень-

3. BY 6609 U 2010.10.30
3
ше 90° к набегающему потоку воздуха. Такое техническое решение осуществлено в воз-
духоподогревателе [4] лесосушильной камеры.
В традиционных конструкциях шахматных пучков из круглоребристых труб умень-
шение фронтального сечения ограничено предельно возможным значением поперечного
шага S1, равным величине наружного диаметра d круглого ребра. Ширина пучка по фрон-
ту не может быть меньшей
Bmin = d ⋅ i, (1)
где i - число труб в поперечном ряду пучка. Дальнейшее уменьшение ширины пучка при
заданных геометрических размерах ребристых труб невозможно. Длина (высота) труб
назначается с учетом размеров проема, в котором устанавливается воздухонагреватель,
или следует из теплового расчета, что исключает возможность управления размерами
фронтального сечения пучка этим параметром.
Известно экспериментальное исследование [5] теплоаэродинамических характеристик
опытного пучка новой конструкции из круглоребристых труб, являющегося ближайшим
аналогом заявленной нами полезной модели. Его конструкция получена на базе шахмат-
ного равностороннего с S1 = S'
2 пучка ребристых труб, обтекаемых снаружи принудитель-
ным поперечным потоком воздуха, преобразованием каждого поперечного ряда в
волнообразный с общим зигзагообразным движением воздуха в его направлении по
межтрубному пространству. В дальнейшем такую конструкцию пучка условимся называть
зигзагообразной.
Конструкция пучка включает верхнюю и нижнюю трубные решетки с закрепленными
в них круглыми ребристыми трубами. В каждом поперечном ряду ребристые трубы через
одну сдвигаются на величину e по ходу движения воздуха и поперечный шаг труб в пучке
равен ( ) 22
2п1 eS'S −= . В случае e = 0 мм значение шага S1п = S'
2 = S1, т. е. зигзагообраз-
ный пучок преобразуется в традиционный шахматный равносторонний. При всех e ≠ 0
значение S1п < S1 = S'
2, следовательно, ширина зигзагообразного пучка B меньше, чем ши-
рина традиционного шахматного.
Зигзагообразный пучок состоит из четырех (z = 4) поперечных рядов и собран из
круглых БРТ с накатными алюминиевыми ребрами следующих геометрических парамет-
ров (в мм): d × d0 × h × s × ∆ = 38,84 × 18,5 × 10,17 × 2,92 × 0,65, где d, d0 = d - 2h, h, s, ∆ -
соответственно наружный диаметр ребра, диаметр ребра у его основания, высота, шаг и
средняя толщина ребра. Коэффициент оребрения трубы ϕ = 12,05. Ребра накатаны на
стальной трубе наружного диаметра dн = 16,2 мм при толщине стенки 1,2 мм. Такие трубы
применяют в шахматных пучках серийных калориферов [2] (воздухоподогревателей) об-
щего назначения. Расположение труб в пучке вертикальное. Зигзагообразный пучок полу-
чен на базе шахматного, у которого S1 = S'
2 = 43 мм.
Величина смещения труб составляла e = 5, 10 и 18 мм, которой соответствовал попе-
речный шаг S1п = 42,71; 41,82 и 39,05 мм. Наибольшее уменьшение ширины B в зигзаго-
образном по сравнению с традиционным шахматным составило S1/S1п = 43/39,05 =
1,1 раза. Видно, что зигзагообразный пучок сжимается с боковых сторон в "гармошку",
увеличивается площадь сжатого проходного сечения для воздуха при одновременном
уменьшении фронтального сечения пучка. Это обеспечивает большее проходное сечение
по воздуху на единицу фронтального входного сечения, что в итоге позволяет обеспечить
небольшие допускаемые значения перепада давления воздуха с уменьшенными габарита-
ми подводящих и отводящих поток конфузорно-диффузорных устройств. Следовательно,
в зигзагообразном пучке устранены принципиальные конструкторско-компоновочные и
технологические недостатки, свойственные традиционным шахматным пучкам воздухо-
подогревателей. Это является достоинством опытного пучка наряду с тем, что он состоял
из БРТ воздухонагревателей систем вентиляции и отопления. Недостатком является от-
сутствие зависимостей, связывающих компоновочные параметры пучка, которые позво-

4. BY 6609 U 2010.10.30
4
ляют осуществлять разбивку отверстий в трубных решетках под трубы при серийном из-
готовлении воздухонагревателей.
Исследование теплоаэродинамических характеристик зигзагообразных пучков в ин-
тервале изменения числа Рейнольдса Re = wd0/ν = (1-20)⋅103
, включающем эксплуатаци-
онные режимы работы воздухоподогревателей, выявило эффект интенсификации
теплоотдачи до 45 % при значительно опережающем росте (до 76 %) аэродинамическом
сопротивления пучка. В числе Re принято: w - скорость воздуха в сжатом фронтальном
сечении пучка, м/с; ν - кинематическая вязкость воздуха, м2
/с. Анализ результатов иссле-
дования показал, что существует оптимальная область значений относительного смеще-
ния e/S'
2, внутри которой интенсификация теплоотдачи и рост аэродинамического
сопротивления приблизительно одинаковы, а энергетическая эффективность зигзагооб-
разного пучка превышает эту характеристику традиционного шахматного. В оптимальной
области e/S'2 вихревые структуры, зарождающиеся при зигзагообразном движении возду-
ха, воздействуют на пристенный к твердой поверхности поток, турбулизируют его, но не
диффундируют в ядро межтрубного пространства, что ограничивает рост сопротивления
пучка.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является зиг-
загообразный пучок [6], принятый нами за прототип, который представляет четырехряд-
ную компоновку круглоребристых труб, обтекаемых снаружи перпендикулярным потоком
воздуха. Параметры ребристых труб и конкретные значения компоновочных параметров
труб в решетках пучка не сообщаются, но приводятся математические выражения для
разметки труб в решетках. В остальном конструкции пучка присущи все недостатки про-
анализированных здесь таких устройств.
Задача полезной модели - интенсификация теплоотдачи без существенного роста
аэродинамического сопротивления трубного пучка воздухонагревателя и повышение
энергетической эффективности при поперечном обтекании вынужденным потоком возду-
ха круглоребристых труб.
Поставленная задача достигается в трубном пучке воздухонагревателя, содержащем
трубные решетки и набор шахматно расположенных в них с поперечным S1п, продольным
S2, диагональным S'
2 шагами труб с поперечными шайбовыми или спиральными ребрами,
в котором каждая четная труба в поперечных рядах устанавливается с продольным сме-
щением e по ходу воздуха, а центры двух смежных нечетных труб соседних поперечных
рядов образуют основания равнобедренных треугольников с боковыми сторонами, рав-
ными диагональному шагу S'
2, и углом β при вершинах, лежащих в центрах тех четных
труб, которые являются одновременно смежными и равноудаленными по отношению к
трубам у основания треугольников, отличающемся тем, что относительное смещение e/S'
2
труб не должно выходить за пределы значений 0,1 - 0,4.
При разработке конструкции трубного пучка воздухонагревателя нами впервые при-
менен принцип интенсификации теплоотдачи для условий движения теплоносителя внут-
ри каналов, заключающийся в создании в потоке чередующегося продольного
знакопеременного градиента давления. Применительно к конвективному теплообмену в
условиях внешней задачи, которая характерна для поперечно обтекаемых снаружи пучков
труб, этот принцип реализован смещением в определенном чередующемся порядке ребри-
стых труб на некоторую величину e в направлении движения воздуха. Смещение труб
осуществляется в каждом поперечном ряду пучка. В результате этого технического реше-
ния в межтрубном пространстве пучка между поперечными рядами образуются непре-
рывно повторяющиеся пространства, напоминающие конфузорно-диффузорные каналы с
квазитвердыми стенками, при этом имеется продольная асимметрия их, способствующая
дополнительному усилению турбулентного обмена количеством движения и теплотой.
Это является новым свойством зигзагообразного трубного пучка. Исследования свиде-
тельствуют, что доминирующее влияние на интенсификацию теплоотдачи, аэродинамиче-

5. BY 6609 U 2010.10.30
5
ское сопротивление, энергетическую эффективность трубного зигзагообразного пучка
оказывает не величина e абсолютного смещения труб, а ее относительное смещение e/S'
2.
Анализ гидродинамики течения воздуха через межтрубное пространство зигзагооб-
разных пучков с e/S'
2 < 0,1 выявил слабые изменения в этом процессе от воздействия но-
вых свойств в таких пучках по сравнению с аналогичными характеристиками
традиционных шахматных пучков. Поэтому нельзя ожидать увеличения интенсивности
теплоотдачи, аэродинамического сопротивления и, как следствие, энергетической эффек-
тивности зигзагообразной компоновки труб в сравнении с традиционной. В зигзагообраз-
ных пучках при e/S'
2 > 0,4 происходит наряду с разрушением пристенного пограничного
слоя из-за воздействия знакопеременного градиента давления при продольном зигзагооб-
разном движении потока, но и диффундирование вихревых структур из квазидиффузор-
ной части межтрубных пространств в ядро потока, что приводит к резкому росту
аэродинамического сопротивления при умеренной интенсификации теплоотдачи. В ин-
тервале e/S'
2 = 0,1 - 0,4 возникшие изменения гидродинамики потока в зигзагообразном
пучке сбалансированы, что обеспечивает достижение сформулированной задачи полезной
модели.
Полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен горизонтальный разрез
трубного пучка шириной B воздухонагревателя; на фиг. 2 приведен график зависимости
Cэ интенсификации теплоотдачи трубного пучка от относительного смещения e/S'
2 труб;
на фиг. 3 изображен график зависимости коэффициента C'
э изменения аэродинамического
сопротивления пучка от относительного смещения e/S'
2 труб.
Трубный пучок воздунагревателя преобразуется из равностороннего шахматного и со-
стоит из круглоребристых труб 1, 2 с шайбовыми или спиральными ребрами наружного
диаметра d, при этом номером 1 обозначены нечетные трубы, а номером 2 четные соот-
ветственно в каждом поперечном ряду I, II, III, IV. Каждая четная труба 2 поперечных ря-
дов смещена на величину e вдоль продольной оси в направлении движения воздуха.
Концы труб закрепляются в трубных решетках, нижняя 3 из которых изображена на этой
фигуре. Для обеспечения одинакового сжатого сечения каждого поперечного ряда для
прохода воздуха у боковых стенок пучка установлены полутрубки 4. Трубы располагают-
ся в решетках с поперечным S1п, продольным S2 и диагональным S'
2 шагами. Диагональ-
ный шаг равен
( ) 22
п12 eS'S += . (2)
Центры двух смежных нечетных труб 1 соседних поперечных рядов образуют основа-
ния равнобедренных треугольников, которые изображены на фигуре сплошными линия-
ми, с боковыми сторонами S'
2 и углом при вершине, равным






+−°=β
2
'
2
2
'
S
S
arccos
S
e
arccos180 . (3)
Приведенные соотношения позволяют осуществлять разметку решеток для отверстий,
в которых осуществляется крепление ребристых труб 1, 2.
Трубный пучок воздухонагревателя действует следующим образом. Внутрь ребристых
труб 1, 2 подается греющий теплоноситель (горячая вода или пар), который охлаждается
или конденсируется, передавая тепло внутренней поверхности стенок и далее через стенку
к ее наружной поверхности и ребрам, выполненным из теплопроводного материала. При-
нудительный поток нагреваемого воздуха направляется в межтрубное пространство пуч-
ка, обтекая трубы снаружи перпендикулярно, нагревается вследствие конвективного
теплообмена и далее поступает к потребителю тепла. Поток воздуха при его перемещении
от входа к выходу пучка совершает зигзагообразное (волнообразное) движение относи-
тельно ребристых труб, турбулизирует пограничный (пристенный) слой, повышая интен-
сивность теплоотдачи и соответствующий прирост аэродинамического сопротивления,
причем последнее возрастает в приблизительно одинаковой пропорции, так как турбули-

6. BY 6609 U 2010.10.30
6
зация не затрагивает ядра потока межтрубного пространства. При выходе воздуха из I, II,
III поперечных рядов поток расширяется в асимметрично расположенные полости (участ-
ки) межтрубного пространства, а затем при натекании на II, III, IV поперечные ряды про-
исходит его сужение. В этом процессе возникают мелкие периферийные вихри,
дополнительно благоприятно воздействующие на пристенный слой, увеличивая интен-
сивность переноса тепла без существенного роста сопротивления. Картина качественно
схожа с процессом интенсификации теплообмена применением диффузорно-конфузорных
труб и каналов [1] при продольном движении теплоносителя. По расчетным оценкам
энергетически оптимальной является область относительного смещения труб e/S'
2 = 0,1 -
0,4, в которой наиболее полно реализуются изложенные теплофизические процессы, обес-
печивающие выгодное соотношение между переносом тепла и затратами энергии на него.
В результате интенсификация теплоотдачи достигает 10 % при приблизительно равном
(до 12 %) росте аэродинамического сопротивления, при этом тепловая эффективность
пучка повышается на 8 - 9 %.
Для подтверждения оптимальной области значения e/S'
2, обоснованной теоретическим
анализом основ интенсификации теплоотдачи зигзагообразным расположением ребри-
стых труб в пучке и качественным анализом течения воздуха в таких пучках, нами было
выполнено экспериментальное исследование теплоаэродинамических характеристик пяти
пучков по общепринятой методике [1]. Пучки собирали из БРТ, применяемых в воздухо-
нагревателях систем кондиционирования. Геометрические параметры ребер были (в мм):
наружный диаметр - 49,5; высота - 10,7; шаг - 3,38 и толщина - 0,8. Коэффициент оребре-
ния трубы ϕ = 9,91. Ребра круглые спиральные накатные из алюминия. Несущая стальная
труба наружным диаметром 25 мм имела толщину стенки 2 мм. Высота оребренной части
труб 350 мм. Пучки имели четыре (z = 4) поперечных ряда. Обогрев труб осуществлялся
кипящей водой, а снаружи они омывались перпендикулярным потоком воздуха.
Пучок 1 являлся базовым шахматным традиционным с размещением труб в вершинах
равностороннего треугольника с шагами S1 = S'
2 = 52 мм, S2 = 42 мм. Пучки 2, 3, 4, 5 были
зигзагообразными и созданы на базе пучка 1 соответственно смещением труб на величину
e = 5, 10, 18 и 25 мм, которому соответствовало относительное смещение e/S'
2 = 0,096;
0,192; 0,346; 0,480.
Опытные данные обрабатывали и представляли в числах подобия Нуссельта
Nu = αd0/λ, Рейнольдса Re = wd0/ν и Эйлера Eu = ∆p/(ρw2
). Здесь α - средний приведен-
ный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2
⋅К); d0 - диаметр ребра у его основания, мм; w - ско-
рость воздуха в наименьшем сжатом сечении пучка, м/с; ∆р - перепад статического
давления воздуха, Па; λ - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м⋅К); ν - коэффи-
циент кинематической вязкости воздуха, м2
/с; ρ - плотность воздуха, кг/м3
. Физические
свойства воздуха λ, ν, ρ принимали по его средней температуре в пучке.
Результаты опытов обобщали уравнениями подобия по теплоотдаче
Nu = C ⋅ Ren
(4)
и аэродинамическому сопротивлению
Eu = M ⋅ Re-0,32
(5)
Получены следующие значения коэффициентов в уравнениях (4) и (5) для исследо-
ванных пучков: 1 - C = 0,100; n = 0,68; M = 44,4; 2 - C = 0,115; n = 0,67; M = 47,0; 3 -
C = 0,114; n = 0,67; M = 46,4; 4 - C = 0,116; n = 0,67; M = 48,6; 5 - C = 0,121; n = 0,67;
M = 52,5.
Уравнения (4), (5) действительны в интервале числа Re = (1,5 - 30)⋅103
.
Оценку влияния относительного смещения e/S'
2 на интенсификацию теплоотдачи зиг-
загообразного пучка осуществляли по коэффициенту
Cэ = Nu/Nuб, (6)
а рост аэродинамического сопротивления пучка оценивали коэффициентом
C'
э = Eu/Euб, (7)

7. BY 6609 U 2010.10.30
7
где Nu, Eu - значения чисел для пучков 2 - 5;
Nuб, Euб - то же для базового пучка 1.
По опытным данным с применением формул (6) и (7) были вычислены значения (за-
черненные точки) коэффициентов Cэ, C'
э, используя которые были построены на фиг. 2 и 3
графики, отражающие влияние относительного смещения e/S'
2 на величину интенсифика-
ции теплоотдачи и роста аэродинамического сопротивления. Видно, что в области
e/S'
2 = 0,1 - 0,4 одновременно происходят приблизительно в равной пропорции интенси-
фикация теплопередачи и увеличение аэродинамического сопротивления зигзагообраз-
ного пучка. Такое соотношение между теплоотдачей и сопротивлением является
исключительно энергетически выгодным, и в данном случае эффективность пучка повы-
шается до 9 %.
Полезная модель может быть использована заводами по производству калориферов,
отопительных приборов для жилищно-коммунального хозяйства и строительства, завода-
ми холодильного машиностроения, институтами по проектированию тепличных комбина-
тов, птицеферм и животноводческих комплексов.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.