ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА С РАЗМЕЩЕННОЙ ВНУТРИ ВСТАВКОЙ Российский патент 1994 года по МПК F28F1/40 

Изобретение относится к кожухотрубным теплообменникам и может быть использовано в теплообменных аппаратах и в конденсаторах паровых турбин.

Известна теплообменная труба [1] , внутри которой размещена турбулизирующая вставка, выполненная в виде гофрированной ленты, линии перегибов которой расположены под углом друг к другу и к стенке трубы с образованием на торцах ленты точек пересечения и размещены в одной плоскости, смещенной относительно центральной оси трубы. Дополнительные линии гибов перпендикулярны торцам ленты, проходят через указанные точки пересечения и расположены в различных плоскостях с образованием в продольном сечении трубы конфузорно-дифффузорного канала. Такое выполнение способствует возникновению неоднородного поля давления по длине трубы и позволяет перетекать теплоносителю из одной зоны в другую, что приводит к дополнительной турбулизации потока в плоскости поперечного сечения трубы. Так как данная труба круглая и гладкая, то поэтому она может быть выполнена снаружи и оребренной с целью интенсификации теплообмена при конденсации пара на ее наружной поверхности.

Недостатком ее является низкий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны, так как приведенная конструкция турбулизирующей вставки не обеспечивает надлежащую закрутку потока, а следовательно, его турбулизацию и, кроме того, она не позволяет получить длину конфузорного участка больше длины диффузорного участка, что также ухудшает турбулизацию потока, а следовательно, не позволяет получать высокие коэффициенты теплоотдачи с внутренней стороны трубы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой теплообменной трубе является теплообменная труба с размещенной внутри вставкой [2] , состоящей из примыкающих друг к другу усеченных конусов таким образом, что между внутренней поверхностью теплообменной трубы и вставкой образуется кольцевой канал типа диффузор-конфузор.

Благодаря наличию участков увеличенных скоростей и пониженных скоростей, чередующихся друг с другом, происходит интенсивное смешивание слоев жидкости за счет возникновения кавитационного режима течения в сопловых сечениях. Около стенок трубы скорость прохождения особенно увеличивается, что разрушает неподвижный слой жидкости на стенках и интенсифицирует теплообмен. Снаружи трубу омывает пар или жидкость и соответственно за счет протекания внутри трубы охлаждающей среды пар конденсируется на ее поверхности, а жидкость охлаждается.

Недостатками такой теплообменной трубы является низкий коэффициент теплоотдачи с ее внутренней стороны, трудоемкость ее изготовления, большая масса турбулизирующей вставки, сложность крепления последней внутри трубы, повышенное гидравлическое сопротивление.

Цель изобретения - интенсификация теплообмена.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции теплообменной трубы с размещенной внутри вставкой, состоящей из двух идентичных частей, каждая из которых включает полуобечайки в форме усеченного конуса, скрепленные между собой большими и меньшими основаниями с образованием между вставкой и трубой конфузорно-диффузорных участков разной длины, в полости трубы по ее оси дополнительно установлены жестко соединенные между собой ленты, при этом полуобечайки закреплены на упомянутых лентах, основания полуобечаек одной части вставки смещены относительно соответствующих оснований полуобечайки другой части вставки на расстояние, равное длине диффузорного участка, а торцевые участки лент, примыкающие к внутренней поверхности трубы имеют прямоугольные вырезы, расположенные в зоне диффузорного участка между одной частью вставки и трубой, причем длина выреза равна длине этого участка, а выходное сечение последнего совпадает с выходным сечением конфузорного участка.

Анализ известных технических решений - аналога и прототипа - в исследуемой области, т. е. элементов конструкции теплообменников позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками, описывающими предлагаемую теплообменную трубу с размещенной внутри вставкой, и признать предлагаемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

В частности, не известны теплообменные трубы с размещенной внутри вставкой, в которых в полости трубы по ее оси были бы установлены две жестко соединенные между собой ленты, при этом полуобечайки закреплены на упомянутых лентах, основания полуобечаек одной части вставки смещены относительно соответствующих оснований полуобечайки другой части вставки на расстояние, равное длине диффузорного участка, а торцевые участки обеих лент, примыкающие к внутренней поверхности трубы имели бы прямоугольные вырезы, расположенные в зоне диффузорного участка между одной частью и трубой, причем длина выреза равна длине этого участка, а выходное сечение последнего совпадает с выходным сечением конфузорного участка.

На фиг. 1 представлена теплообменная труба с размещенной внутри вставкой; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид сверху на фиг. 1.

В теплообменной трубе с размещенной внутри вставкой 1 (см. фиг. 1, 2, 3), состоящей из двух идентичных частей 2 и 3, каждая из которых включает полуобечайки 4 и 5 в форме усеченного конуса, скрепленные между собой большими 6 и меньшими 7 основаниями с образованием между вставкой и трубой конфузорно-диффузорных участков (см. фиг. 3, l_к и l_д) разной длины, в полости трубы по ее оси установлены две жестко соединенные между собой ленты 8 и 9, при этом полуобечайки 4 и 5 закреплены на упомянутых лентах 8 и 9, основания 6 и 7 полуобечаек одной части вставки 1 смещены относительно соответствующих оснований 6 и 7 полуобечайки другой части вставки на расстояние, равное длине l_д диффузорного участка, а торцевые участки 10 и 11 обеих лент, примыкающие к внутренней поверхности трубы, имеют прямоугольные вырезы 12, расположенные в зоне диффузорного участка между одной частью и трубой, причем длина выреза равна длине этого участка l_д, а выходное сечение 13 последнего совпадает с выходным сечением 14 конфузорного участка (см. фиг. 1, 3) другой части вставки.

Теплообменная труба с размещенной внутри вставкой 1 (см. фиг. 1, 2, 3) работает следующим образом. При протекании рабочей среды по трубе из-за наличия внутри нее полуобечаек 4 и 5 в форме усеченного конуса, закрепленных на лентах 8 и 9 вставки 1 и образующих конфузорно-диффузорные участки (l_к и l_д), происходит поочередное увеличение, а затем уменьшение скорости жидкости в каждой из разделенных вставкой 1 зон последней, что приводит к интенсивному смешиванию всех слоев среды за счет возникновения кавитационного режима течения в сопловых сечениях. Одновременно при этом вследствие смещения оснований 6 и 7 полуобечаек одной части вставки 1 относительно соответствующих оснований 6 и 7 полуобечайки другой части вставки на расстояние, равное длине l_д диффузорного участка, а также вследствие того, что торцовые участки 10 и 11 обеих лент, примыкающие к внутренней поверхности трубы, имеют прямоугольные вырезы 12, расположенные в зоне диффузорного участка между одной частью и трубой, причем длина выреза равна длине этого участка l_д, а выходное сечение 13 последнего совпадает с выходным сечением 14 конфузорного участка (см. фиг. 1, 3) другой части вставки, при сжатии рабочей среды в одной зоне трубы в конфузорном участке последня через прямоугольные вырезы 12 (см. фиг. 1, 3) перетекает в зону рабочей среды диффузорного участка l_д, что создает оптимальные условия для процесса перетекания среды через указанные зазоры, так как в этом случае импульс давления достигает наибольшего значения в конфузорном участке вследствие окончания процесса сжатия рабочей среды. При этом достигается наибольший эффект в использовании импульса давления для интенсификации теплообмена вследствие перетекания рабочей среды через прямоугольные вырезы 12 в другую зону рабочей среды, движущейся в это время на диффузорном участке l_д, благодаря чему происходит турбулизация потока в плоскости поперечного сечения трубы и особенно у поверхности трубы в районе вырезов 12. Перетекание среды через прямоугольные вырезы 12 заканчивается одновременно на границе конца сжатия рабочей среды на конфузорном участке и на границе конца расширения в другой зоне трубы. При этом следует отметить, что в начальный момент перетекание рабочей среды происходит в противоположном описанному направлении, так как на начальном участке выреза в зоне трубы с дифффузорным участком давление будет максимальным, вследствие того, что процесс расширения только начался, а в зоне с конфузорным участком давление еще не достигло максимального, но этот начальный участок мал, а затем направление перетекания меняется и все происходит согласно вышеописанному. В связи с этим прямоугольные вырезы 12 могут быть выполнены не на всей длине диффузорного участка l_д. Однако выполнение прямоугольных вырезов 12 на всей длине диффузорных участков одной части вставки дает больший эффект, чем на части их длины.

Высота прямоугольного выреза 12 вставки 1 составляет ≈0,5-0,15 внутреннего диаметра трубы и выбирается из условий эффективного разрушения неподвижного слоя жидкости на стенках трубы. Минимальная высота выреза определяется величиной сопротивления последнего, возникающего при перетекании рабочей среды из одной зоны в другую, так как слишком малая высота выреза препятствует перетеканию среды и условия для разрушения пристенного слоя среды ухудшаются. Увеличение высоты выреза сверх оптимального значения (≈0,15 внутреннего диаметра трубы) также приводит к ухудшению указанных условий, так как процесс перетекания распространяется вглубь от поверхности трубы и, таким образом, воздействие перетекающей среды на пристенный слой уменьшается.

Таким образом, предложенное конструктивное решение теплообменной трубы с размещенной внутри вставкой увеличивает коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны трубы, а следовательно, интенсифицирует процесс теплообмена. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1420333, кл. F 28 F 1/40, 13/12, 1988.

2. Бажан П. И. и др. - Справочник по теплообменным аппаратам, М. : Машиностроение, 1989, с. 72.

Использование: в теплообменных аппаратах и в конденсаторах паровых турбин. Сущность изобретения: в теплообменной трубе с размещенной внутри вставкой 1, состоящей из двух идентичных частей, каждая из которых включает полуобечайки 4 и 5 в форме усеченного конуса, скрепленные между собой большими 6 и меньшими 7 основаниями с образованием между вставкой и трубой конфузорно-диффузорных участков разной длины. В полости трубы по ее оси установлены две жестко соединенные между собой ленты, при этом полуобечайки 4 и 5 закреплены на упомянутых лентах, основания 6 и 7 полуобечаек одной части вставки смещены относительно соответствующих оснований 6 и 7 полуобечайки другой части вставки, а торцевые участки 10 и 11 обеих лент, примыкающие к внутренней поверхности трубы, имеют прямоугольные вырезы 12, расположенные в зоне диффузорного участка между одной частью и трубой, причем длина выреза равна длине этого участка. 3 ил.

ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА С РАЗМЕЩЕННОЙ ВНУТРИ ВСТАВКОЙ, состоящей из двух идентичных частей, каждая из которых включает полуобечайки в форме усеченного конуса, скрепленные между собой большими и меньшими основаниями с образованием между вставкой и трубой конфузорно-диффузорных участков разной длины, отличающаяся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, в полости трубы по ее оси дополнительно установлены жестко соединенные между собой ленты, при этом полуобечайки закреплены на упомянутых лентах, основания полуобечаек одной части вставки смещены относительно соответствующих оснований полуобечайки другой части вставки на расстояние, равное длине диффузорного участка, а торцевые участки лент, примыкающие к внутренней поверхности трубы, имеют прямоугольные вырезы, расположенные в зоне диффузорного участка между одной частью вставки и трубой, причем длина выреза равна длине этого участка, а выходное сечение последнего совпадает с выходным сечением конфузорного участка другой части вставки.