При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо в максимально возможной степени удовлетворить многосторонние и часто противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам.
При проектировании поверхностных теплообменников выбор конструкции теплообменника приобретает важнейшее значение. Следует учитывать ряд требований, которым должен удовлетворять данный теплообменник. Эти требования зависят от конкретных условий протекания процесса теплообмена, к которым, прежде всего следует отнести величину тепловой нагрузки аппарата, агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей (вязкость и др.), температуру и давление в аппарате, условия теплопереноса (гидродинамические режимы, соотношения между коэффициентами теплоотдачи по обе стороны стенки и др.), и др. Кроме того, теплообменник должен быть как можно более прост по устройству, компактен, с малой металлоемкостью и т. п. Конструкции теплообменника, который бы удовлетворял всем названным требованиям, нет. Поэтому в каждом конкретном случае теплообмена приходится ограничиваться выбором наиболее подходящей конструкции.
В теплотехнологических установках нефтяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности широко используются змеевиковые поверхности нагрева, составленные из прямых труб, соединенных отводами (рис.1). Выпускаемые промышленностью стандартные отводы имеют минимальный радиус изгиба равный наружному диаметру соединенных труб. Это обстоятельство является ограничением для компоновочных решений и сдерживает увеличение площади поверхности труб змеевиков в единице занимаемого ими объема.
Значительно увеличить площадь поверхности теплопередачи в единице объема позволяют коллекторные змеевики. Отличительная особенность состоит в том, что отводы с одной стороны ряда труб змеевика заменены одной общей коллекторной трубой — соединительным элементом с внутренними диаметральными перегородками — дисками. Конструкция данного змеевика получается проще и технологичнее в изготовлении.
Рис. 1. Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»: 1-внутренние трубы; 2-наружные трубы; 3-соединительные колена (калачи); 4-соединительные патрубки; l и ll — теплоносители
Компактность достигается за счет тесного расположения прямых теплообменных труб в змеевике. Расстояние между соседними трубами может быть уменьшено до минимальной величины, позволяющей обеспечить наложение качественного сварного шва в месте стыка прямых труб ряда с коллекторными трубами змеевика.
Рис. 2. Разрез элемента однопоточного змеевика: 1 — прямые теплообменные трубы; 2 — отсеки поворотные; 3 — коллекторные соединительные трубы; 4 — перегородки дисковые
Дисковые перегородки крепятся в коллекторных трубах с помощью сварных заклепок, либо с помощью одного или нескольких стержней, прошивающих перегородки в осевом направлении. Концы стержней в концевых участках коллекторных труб закрепляются на их стенках сваркой.
Для сравнения компактности разработанного нового змеевика с расстоянием между прямыми трубами 0,02м и традиционного змеевика, в котором прямые трубы соединены отводами с шагом равным двум диаметрам, использован параметр
где 
и Vо — объемы соответственно предложенного змеевика и змеевика с отводами при одинаковых площадях F поверхностей теплопередачи.
Результаты расчетов для диаметров d прямых труб в интервале от 0,03 до 0,15 показали, что для многорядных змеевиков величина 
снижается с ростом d при коридорной компоновке труб до величины 0,3 и 
= 0,28 для всех d при шахматной компоновке труб.
К преимуществам предлагаемого нового змеевика следует отнести и значительно более высокую интенсивность теплообмена при поперечном обтекании труб в тесных пучках по отношению к разреженным пучкам. По данным экспериментов [2], например, получено двойное увеличение интенсивности теплообмена с уменьшением продольного шага труб. Данное обстоятельство позволяет дополнительно повысить компактность теплообменного устройства за счет возможного уменьшения площади поверхности теплопередачи.
Использование предложенной конструкции змеевика может быть особенно эффективным при размещении его в среде жидкого теплоносителя, в том числе и кипящего, а также в среде конденсирующегося пара. Змеевик может найти применение в теплоутилизационных установках, где из-за малых разностей температур теплоносителей традиционные компоновочные решения поверхностей теплопередачи приводят к громоздким конструкциям.
Литература:
- Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975.-559с
- Козлова Л. Г., Нелипович В. И., Эпик Э. Я. Теплоотдача шахматного пучка, образованного спаренными цилиндрами.- В кн. Теплообмен в энергетических установках. Киев: Наук. думка, 1978. С.94–98.
