ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК F28D7/12 F28F1/36 F28F13/12 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в высокотемпературных теплообменниках.

Теплообменные элементы "труба в трубе" (широко используются в теплообменных аппаратах различного назначения) (см. Митенков Ф.М. и др. Проектирование теплообменных аппаратов АЭС, М., Энергоатомиздат, 1988, с.70, рис. 3.1. , 3.2; а.с. СССР N 676845, кл. F 28 F 7/12, 1979), в том числе и для теплообменников "штыкового типа", применяемых для утилизации теплоты высокотемпературных газовых потоков теплообменного оборудования металлургических, стекольных и других производств (см. Kainer H. Keramische Rekuperatoren fur nene Proze β- technologien Erzmetall. 38 (1985), Heff 6, s. 310-316; Ileft 7/8, s.365-368; Forster B D Ceramics in Ileat Exchanges. An Overvcen Up date Ceram. Eng. Sci. Proc. 8, N 1, 2., pp.75-80, рис.1, 1987).

В этом случае наружная или обе трубы теплообменного элемента выполняются из неметаллических (керамических) материалов, чувствительных к неравномерности распределения температуры, "тепловым ударам", концентраторам напряжений (см. Кириллов И. И. и др. Керамика в высокотемпературных ГТУ. Промышленная теплотехника, 1988, т. 10, N 6, с.78, 79, 80). Поэтому в таких теплообменных элементах применяют, как правило, гладкостенные трубы.

Известно, что в высокотемпературных средах, прозрачных для теплового излучения, значительная доля теплоты может быть передана лучеиспусканием (см. Мигай В. К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования/Л., Энергоатомиздат, 1987, с.243, 246, рис.8.15), что предполагает развитие внешней поверхности теплообмена внутренней трубы теплообменного элемента.

Равномерность температурного поля по длине труб теплообменного элемента существенно зависит от теплопроводимости движущейся внутри него среды. Эффективная теплопроводность газовой среды может быть заметно увеличена за счет использования шаровой насадки (см. Наринский Д.А. Теплообмен в зернистом слое, Тр.ЦКТИ, вып. 62, 1968, с.158-160). Насадка увеличивает и теплоемкость теплообменного элемента, что приводит к сглаживанию температурных всплесков на переходных режимах работы теплообменника.

Интенсифицировать теплообмен, уменьшить неравномерность распределения температуры в деталях теплообменного элемента можно путем нанесения на наружной боковой поверхности внутренней трубы регулярной системы полусферических лунок (см. 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. 1142-1147) и применения шаровых турбулизаторов в кольцевом канале теплообменного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменник типа "труба в трубе" (а.с. СССР N 1087760, кл. F 28 D 7/10, 1984), содержащий две соосно установленные трубы, кольцевой канал между которыми разделен на чередующиеся секции с размещенными в них шаровыми элементами, находящимися в выполненных на внешней поверхности внутренней трубы полусферических лунках, центры которых расположены по винтовой линии, а сами лунки соединены винтовыми канавками, и секции без шаровых элементов.

При работе теплообменника один теплоноситель движется внутри внутренней трубы, а другой - в кольцевом канале, омывая ограничивающие его поверхности труб и шаровые элементы, турбулизирующие поток и тем самым интенфицирующие теплообмен.

В таком теплообменнике все лунки на поверхности внутренней трубы заполнены шарами, что не позволяет использовать "смерчевой" эффект (см. Кикназде И.К. и др. Самоорганизация вихревых структур при обтекании водой полусферической лунки ДАН СССР, 1986, т.291, N 6, с.1315) для интенсификации теплообмена. Кроме того, внешняя поверхность внутренней трубы имеет сравнительно слабое развитие. Это не дает возможности интенсифицировать теплообмен за счет излучения (см. Мигай В.К., с.243, 246, рис.8.15).

Цель изобретения - интенсификация теплообмена и повышение надежности теплообменного элемента.

Цель достигается тем, что высокотемпературный элемент содержит две соосно установленные трубы, кольцевой канал между которыми разделен на чередующиеся секции с размещенными в них шаровыми элементами, находящимися в выполненных на внешней поверхности внутренней трубы полусферических лунках, центры которых расположены по винтовой линии, и секции с лунками без шаровых элементов с углом подъема упомянутой винтовой линии, определяемым зависимостью
ϕ = arctg где ϕ- угол подъема винтовой линии;
D₁ - внешний диаметр внутренней трубы;
D_л - диаметр лунки, при длина l секции с шаровыми элементами, равной диаметру d шара, а секции без них - (4-6) d.

Один ряд шаров, размещенных в полусферических лунках, по своему воздействию на поток теплоносителя в кольцевом канале близок к решетке цилиндрических турбулизаторов, размещенных на входе в щелевой канал. Влияние такой решетки сказывается на интенсивности теплообмена за ней на расстоянии l/d≈7,5 (l, d - расстояние за турбулизатором и его диаметр), где теплоотдача на 18-20% выше, чем в гладком канале. При l/d≈ 4-6 коэффициент теплоотдачи выше на 25-30% . Если l/d < 4, то теплоотдача выше на 30-40%, чем в гладком канале (см. Арсеньев Л.В. и др. Исследование теплообмена в плоском канале с цилиндрическими турбулизаторами. - Промышленная теплотехника, т.3, N 2, 1981, с.55, рис.2, 3). Однако в этом случае увеличивается число секций с турбулизаторами, их гидравлическое сопротивление, снижается энергетическая эффективность теплообменного элемента, так как рост гидравлического сопротивления превалирует над увеличением теплоотдачи. Установка двухрядной секции с турбулизаторами практически не изменяет зону влияния в кольцевом канале, теплоотдача непосредственно в месте установки шаров увеличивается, но это увеличение, существенное по сравнению с теплоотдачей в гладком канале, соизмеримо с таковым при движении потока в канале с луночными турбулизаторами. Вместе с тем гидравлическое сопротивление дополнительного ряда шаровых турбулизаторов выше, чем луночных. Поэтому были приняты значения: d, l = (4-6) d.

Если центры полусферических лунок расположить на боковой поверхности внутренней трубы по винтовой линии с углом ϕ подъема, равным
ϕ = arctg где D_л - диаметр лунки;
D₁ - наружный диаметр внутренней трубы, то реализуется наиболее плотное заполнение внешней поверхности внутренней трубы лунками, площадь поверхности увеличивается и тем самым возрастает теплоотдача излучения. Кроме того, шаровые элементы обеспечивают закрутку потока, что приводит к дополнительной интенсификации теплообмена как из-за ускорения потока у внутренней стенки наружной трубы, так и вследствие стимуляции формирования вихревых структур в лунках (см. Кикнадзе И.К. и др. Самоорганизация вихревых структур при обтекании водой полусферической лунки, ДАН СССР, 1986, т,291, N 6, с.1315).

Наличие шаровых элементов увеличивает скорость натекания теплоносителя на луночные турбулизаторы, что стимулирует формирование смерчевых структур, приводит к росту теплоотдачи на участке, свободном от шаровых элементов. С другой стороны, течение теплоносителя в канале с поверхностью, формованной полусферическими лунками, вызывает неизбежные пульсации давления в потоке, что приводит к вибрации шаров, которые механически "соскабливают" тонкий пристенный слой, а при запыленном потоке - слой отложений. Все это способствует интенсификации теплообмена и повышению надежности работы теплообменного элемента.

Шары в кольцевом канале повышают эффективную теплопроводность и теплоемкость среды в нем, что сглаживает всплески температуры стенок труб при работе теплообменного элемента в переходных режимах, например во время пуска и/или останова. Это также приводит к росту надежности.

В предлагаемом теплообменном элементе совместное использование шаровых и луночных турбулизаторов интенсифицирует теплообмен и повышает надежность вследствие выравнивания температурного поля, уменьшения термических напряжений, увеличения теплоемкости теплообменного элемента и связанного с этим уменьшения темпов изменения температуры при переходных режимах работы, механической самоочистки при работе с запыленными потоками, отсутствия у высокотемпературных деталей концентратов напряжений, демпфирующего влияния шаров засыпки на вибрацию деталей теплообменного элемента.

Это - новые свойства, присущие предлагаемому техническому решению, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует признаку "существенные отличия".

На фиг. 1 приведен теплообменный элемент, продольный разрез; на фиг. 2 - развертка участка боковой поверхности внутренней трубы; на фиг. 3, 4 - поперечные сечения в зонах размещения шаров и без них; на фиг. 5 - расположение шарового элемента в кольцевом зазоре.

Высокотемпературный теплообменный элемент содержит две соосно установленные трубы 1, 2, кольцевой канал 3 между которыми разделен на чередующиеся секции 4 с размещенными в них шаровыми элементами 5, находящимися в выполненных на внешней поверхности внутренней трубы 1 полусферических лунках 6, центры которых расположены по винтовой линии с углом подъема, определяемым зависимостью
ϕ = arctg где ϕ- угол подъема винтовой линии;
D₁ - внешний диаметр внутренней трубы;
D_л - диаметр лунки, и секции 7 с лунками 8 без шаровых элементов 5, при длине секции с шаровыми элементами, равной диаметру d шара, а секции без них - l = (4-6) d.

В предлагаемом техническом решении один теплоноситель (стрелка 9) омывает внешнюю поверхность наружной трубы 2 теплообменного элемента, а второй (стрелка 10) движется по каналу внутренней трубы 1, разворачивается вблизи заглушенного торца наружной трубы 2 и поступает в кольцевой канал 3, где, двигаясь через секции 4 с шаровыми элементами 5, оттесняется к стенкам канала 3, турбулизируется как при омывании шаров 5, так и вследствие формирования в лунках 8 вихревых структур, отбрасываемых к стенке наружной трубы 2, интенсифицирует теплообмен, приводит к более полному использованию теплоаккумулирующей способности теплоносителя при умеренном росте гидравлического сопротивления, а значит, к повышению энергетической эффективности теплообменного элемента. Пульсации давления в потоке теплоносителя, связанные, в частности, с омыванием шаровых и луночных турбулизаторов, вызывают вибрацию шаров 5 в лунках 6 и дополнительную интенсификацию теплообмена за счет механического утонения и разрушения пристенного слоя теплоносителя. Кроме того, вибрация шаров в кольцевом канале демпфирует колебания теплообменного элемента, а при выполнении шаров разной массы, например, за счет разной толщины стенки оболочки полого шара или глубины сверления в сплошном, практически исключает появление резонанса колебаний при использовании подобных элементов в теплообменнике.

Применение предлагаемого изобретения позволяет интенсифицировать теплообмен и повысить надежность теплообменного элемента при эксплуатации в высокотемпературных потоках теплоносителей.

Использование: в теплообменных аппаратах. Сущность изобретения: элемент содержит две соосно установленные трубы, наружная из которых заглушена с одного торца, а внутренняя имеет внешнюю боковую поверхность, формованную полусферическими лунками, в которых размещена секционированная шаровая насадка с заданной длиной секций и промежутков между секциями. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две соосно установленные трубы, в кольцевом зазоре между которыми размещены с равными промежутками секции с шаровыми элементами, при этом внутренняя труба выполнена с полусферическими лунками под шаровые элементы, расположенными по винтовой линии, и с выемками, размещенными в промежутках между секциями, отличающийся тем, что выемки в промежутках между секциями также имеют форму полусферических лунок, расположенных по винтовой линии с углом подъема, равным углу подъема лунок под элементы и составляющим

где ϕ - угол подъема винтовой линии;
D₁ - наружный диаметр внутренней трубы;
D_л - диаметр лунки. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что промежуток между секциями равен 4 - 6 диаметрам шарового элемента.