НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК F28D7/12 F28F1/16 F28F13/12 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, греющей средой в которых служит конденсирующийся пар.

Известны теплообменные аппараты штыкового типа с нагревательными элементами в виде трубок Фильда, состоящих из соосно установленных труб, разделенных кольцевым зазором, наружная из которых заглушена с торца (Справочник по теплообменникам. ч.2 / Под ред. Мартыненко О.Г. и др. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.279, рис.11).

При работе наружная труба нагревательного элемента охлаждается каким-либо теплоносителем, а греющий пар поступает во внутреннюю трубу, где разворачивается и направляется в кольцевой межтрубный канал, в котором происходит конденсация пара. Образовавшийся конденсат удаляется из кольцевого канала.

В такой конструкции обе трубы и кожух аппарата могут свободно перемещаться независимо друг от друга, поэтому не требуется дополнительных устройств для обеспечения компенсации линейных расширений деталей теплообменника. Обогрев паром участка наружной трубы способствует снижению возможного переохлаждения конденсата.

Однако в таком нагревательном элементе сравнительно низкая теплоотдача, особенно при ламинарном течении пленки конденсата вблизи выхода из теплообменного элемента, где толщина пленки максимальна (Исаченко В.П. Теплопередача. М.: Энергоатомиздат, 1981, с.235, рис.12.5, с.241).

Известен нагревательный элемент (авт. св. СССР N 611097, кл. F 28 F 12/13, бюл. N 22, 1978, приоритет от 16.06.75), содержащий две соосно установленные трубы, наружная из которых заглушена на конце, а внутренняя перфорирована по всей длине отверстиями, направленными тангенциально к поверхности стенки, и имеет на конце дроссельную шайбу.

При работе один теплоноситель омывает внешнюю поверхность наружной трубы, а другой поступает во внутренний канал внутренней трубы и движется с путевым расходом через отверстия в ее боковой стенке к заглушенному торцу наружной трубы, где разворачивается и по кольцевому межтрубному пространству направляется к выходу из нагревательного элемента, омывая внутреннюю поверхность наружной трубы, взаимодействуя и размывая пристенные тангенциальные струи, развивающиеся на наружной поверхности внутренней трубы.

В этом нагревательном элементе тангенциальные струи, ослабленные воздействием сносящего потока, направлены по касательной к стенке внутренней трубы, а значит под углом меньше, чем 90^о к поверхности наружной, поэтому оказывают сравнительно слабое влияние на теплоотдачу от теплоносителя к внутренней стенке наружной трубы (Реччу Р.Р. Ileat Trasfer by Convection Fron a Hot Gas Iet to a plane surface Proc. Inst. Mechan. Eng. v. 168. N 30, 1954, с. 778, табл.1). Кроме того, кинетическая энергия вытекающих из отверстий в боковой стенке внутренней трубы струй сравнительно невелика, так как душирование осуществляется по всей ее поверхности. Поэтому интенсивность теплообмена в известном устройстве невысока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является нагревательный элемент [1], содержащий две соосно установленные трубы, разделенные кольцевым каналом, наружная из которых заглушена с одного торца, а внутренняя перфорирована по всей длине, в том числе и со стороны свободного торца наружной трубы.

При работе внешняя поверхность наружной трубы омывается греющей средой - продуктами сгорания органического топлива, а нагреваемая среда - воздух поступает во внутреннюю полость внутренней трубы и через отверстия перфорации в ее стенке в виде импактных струй направляется к внутренней стенке наружной трубы. Интенсификация теплообмена в этом случае достигается за счет турбулизации пристенного слоя нагреваемой среды ее импактными струями, направленными к поверхности стенки.

В таком нагревательном элементе перфорация выполнена на всей поверхности внутренней трубы, поэтому кинетическая энергия струй нагреваемой среды сравнительно невелика. Кроме того, их турбулизирующее воздействие существенно ослабляется за счет сноса струй потоком отработавшего воздуха и отклонением их от нормали к поверхности теплообмена (Реччу Р.Р., с.778). Особенно сильно негативное воздействие сносящего потока будет проявляться вблизи свободного торца наружной трубы, снижая интенсивность теплообмена.

Целью изобретения является интенсификация теплообмена.

Цель достигается тем, что в нагревательном элементе, содержащем две соосно установленные трубы, разделенные кольцевым каналом, наружная из которых заглушена с одного торца, а внутренняя имеет участок с перфорациями, расположенный в зоне свободного торца наружной трубы и имеющий длину, составляющую 0,15-0,2 длины внутренней трубы; перфорации расположены в шахматном порядке и снабжены примыкающими к ним отогнутыми лепестками; на внешней поверхности наружной трубы выполнены полусферические лунки, а на противоположной поверхности - соответствующие полусферические выступы, причем лунки и перфорации расположены с одинаковым продольным шагом S, и центральный угол между смежными лунками ϕ равен центральному углу ϕ между смежными перфорациями, а сумма высоты полусферического выступа h_в и высоты h отогнутого лепестка не превышает ширины δ_к кольцевого канала, при этом центры лунок в поперечном сечении элемента смещены относительно центров перфораций на угол ϕ/2, равный половине центрального угла ϕ между смежными лунками, а в продольном сечении элемента центры лунок смещены относительно центра перфораций на половину шага S/2 между лунками.

При таком выполнении нагревательного элемента длина участка перфорации составляет 15-20% общей длины внутренней трубы, что позволяет обеспечить полную конденсацию пара, вытекающего из отверстий перфорации, и эффективно воздействовать на пленку; толщина которой достигла практически своего максимального значения (Исаченко В.П. с.235), а сносящий паровой поток в кольцевом канале невелик, так как большая часть пара сконденсировалась на основном участке элемента и движется в виде пленки конденсата. Уменьшение длины перфорированного участка может привести к неполной конденсации пара, т.е. к неиспользованию его нагревательной способности, а его увеличение - к ослаблению турбулизирующего воздействия паровых струй на пленку конденсата и снижению интенсивности теплообмена.

В предлагаемом техническом решении изменяются условия теплообмена: поверхностная конденсация сопровождается смесительной, осуществляемой на струях собственного конденсата.

Отогнутые в направлении заглушенного торца участки трубы предохраняют струи от сноса потоком пара, движущегося в кольцевом канале, что приводит к росту теплоотдачи. Размещение перфорационных отверстий в шахматном порядке исключает сращивание стекающих ручьев пленки конденсата, что позволяет обеспечить мелкодисперсное дробление пленки конденсата струями пара, увеличение поверхности контакта, рост объемного коэффициента теплоотдачи.

Наличие на внутренней стенке наружной трубы полусферических выступов позволяет использовать для интенсификации теплообмена при пленочной конденсации силы поверхностного натяжения, в результате действия которых давление в пленке на выступе повышается, а между выступами - понижается. Вследствие перетекания пленки от выступа к впадине ее толщина на выступе уменьшается, коэффициент теплоотдачи в этой зоне растет (Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, ЛО, 1987, с.247).

В промежутках между выступами толщина пленки больше, и именно в эти зоны направлены импактные струи пара из отверстий внутренней трубы, турбулизируя пленку, что способствует росту теплоотдачи.

Кроме того, под воздействием возмущений, вносимых импактными струями пара, в паровом потоке и кольцевой пленке конденсата возникают продольные турбулентные пульсации, которые приводят к пульсационной деформации поверхности пленки на начальном участке ее течения. Как следствие, происходят интенсивное волнообразование на поверхности пленки и срыв жидкости в паровой поток (Филиппов Г.А., Поваров О.А., Васильченко Е.Г. Экспериментальное исследование волновых режимов течения жидких пленок в спутном газовом потоке. - Теплоэнергетика, N 5, 1978, с.31-34), что способствует росту теплоотдачи вследствие утонения невозмущенного слоя конденсатной пленки.

Внутренняя труба служит вытеснителем парового потока, позволяет увеличить массовую скорость его течения в кольцевом канале, усиливает влияние спутного потока пара на толщину пленки конденсата, что утоняет ее и приводит к росту теплоотдачи (Андреев М.М. и др. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М.: Машгиз, 1968, с.161, рис.84, с.162).

Наличие лунок на внешней поверхности наружной трубы способствует росту коэффициента теплоотдачи к охлаждающей среде (Беленький М.Я. и др. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формованных сферическими лунками. - Теплофизика высоких температур. т.29, N 6, 1991, с.1141-1147), а уменьшение переохлаждения конденсата - к снижению его коррозионной активности.

Интенсификация теплообмена во внутренней полости нагревательного элемента, связанная с его конструктивным устройством, обеспечивается за счет взаимодействия струйных течений: пара (в виде импактных струй, защищенных экраном из отогнутого участка внутренней трубы) и собственного конденсата в виде пристенной струи, трансформируемой элементами рельефа внутренней стенки наружной трубы и свободных струй, стекающих с отогнутых элементов, а также вследствие ускорения парового потока, поступающего в кольцевой канал. Это новое свойство, присущее предлагаемому техническому решению. Поэтому оно соответствует признаку "Существенные отличия".

На фиг.1 показан нагревательный элемент, продольное сечение; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - развертка участка теплообменного элемента с условным изображением наружной трубы.

Нагревательный элемент содержит две соосно установленные трубы 1, 2, разделенные кольцевым каналом 3, наружная труба 2 заглушена с одного торца 4, а внутренняя труба 1 имеет участок с перфорациями 5, расположенный в зоне свободного торца 6 наружной трубы и имеющий длину, составляющую 0,15-0,2 длины внутренней трубы. Перфорации 5 расположены в шахматном порядке и снабжены примыкающими к ним отогнутыми лепестками 7. На внешней поверхности наружной трубы выполнены полусферические лунки 8, а на противоположной поверхности - соответствующие полусферические выступы 9, причем лунки 8 и перфорации 5 расположены с одинаковым продольным шагом S, и центральный угол ϕ между смежными лунками равен центральному углу между смежными перфорациями, а сумма высоты h_в полусферического выступа 9 и высоты h отогнутого лепестка 7 не превышает ширины δ_к кольцевого канала 3, при этом центры лунок 8 в поперечном сечении элемента смещены относительно центров перфораций на угол ϕ /2, равный половине центрального угла ϕ между смежными лунками, а в продольном сечении элемента центры лунок смещены относительно центра перфораций на половину шага S/2 между лунками.

При работе нагреваемая среда (стрелка 10) омывает внешнюю поверхность наружной трубы 2, на которой выполнены полусферические лунки 8, что обеспечивает рост теплоотдачи к ней, а греющий пар (стрелка 11) направляется во внутреннюю полость внутренней трубы 1, в которой на начальном перфорированном участке, составляющем 0,15-0,2 ее длины, движется с путевым расходом через перфорацию 5, вблизи заглушенного торца 4 наружной трубы 2 пар разворачивается и поступает в кольцевой канал 3, где частично конденсируется и в виде пленки движется по стенкам в сторону свободного торца 6 трубы 2, омывая выступы 9 на ее внутренней стенке, стекая с отогнутых лепестков 7 внутренней трубы 1, взаимодействуя с паровыми импактными струями (стрелка 12), защищенными отогнутыми лепестками 7 от сноса паровым потоком (стрелка 13), дробящими отдельные ручьи конденсата, турбулизирующими и разрушающими его пленку.

Сложное взаимодействие струйных течений пара и конденсата, совмещение поверхностной конденсации с объемной (смесительной), осуществляемой на собственном конденсате, утонение пленки за счет ускорения парового потока, использования сил поверхностного натяжения, стимулируемых трехмерным регулярным рельефом, воздействия импактных струй и сброса пленки отогнутыми участками внутренней трубы, способствует интенсификации теплообмена, снижает переохлаждение конденсата, насыщение его газами и его коррозионную активность.

Использование: в теплотехнике, в частности в теплообменниках, греющей средой в которых служит конденсирующийся пар. Сущность изобретения: нагревательный элемент содержит соосно установленные трубы. Наружная труба заглушена с одного торца, а внутренняя труба со стороны противоположного торца выполнена с перфорацией на участке, составляющем 0,15 - 0,2 его длины. На внешней поверхности трубы выполнены полусферические выдавки, ориентированные относительно перфораций внутренней трубы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две соосно установленные трубы, разделенные кольцевым каналом, наружная из которых заглушена с одного торца, а внутренняя имеет участок с перфорациями, расположенный в зоне свободного торца наружной трубы, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, участок с перфорациями имеет длину, составляющую 0,15 - 0,2 длины внутренней трубы. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что перфорации расположены в шахматном порядке и снабжены примыкающими к ним отогнутыми лепестками. 3. Элемент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на внешней поверхности наружной трубы выполнены полусферические лунки, на противоположной поверхности соответствующие полусферические выступы, причем перфорации и лунки расположены с одинаковым продольным шагом и центральный угол между смежными лунками равен центральному углу между смежными перфорациями, а сумма высоты полусферического выступа и высоты отогнутого лепестка не превышает ширины кольцевого канала, при этом центры лунок в поперечном сечении элемента смещены относительно центров перфораций на угол, равный половине центрального угла между смежными лунками, а в продольном сечении элемента центры лунок смещены относительно центра перфораций на половину шага между лунками.