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

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменных аппаратах различных областей промышленности.

Известны теплообменные аппараты "штыкового" типа (Справочник по теплообменникам т. 2, перевод с англ. под. ред. О.Г. Мартыненко и др. Энергоатомиздат, 1987, с. 279, рис. 11; патент США N 4106556, кл. F 28 F 9/10, 28.11.76; авт. св. СССР N 569170, кл. F 28 F 7/12, 25.06.79), в которых в качестве теплообменных элементов используются трубки Фильда (Митенков Ф.И. и др. Проектирование теплообменных аппаратов АЭС. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 70, рис. 3.1. 3.2. ). Трубка Фильда это рекуперативный теплообменный элемент, содержащий две соосно установленные трубки, разделенные кольцевым каналом. Наружная трубка заглушена с одного торца, а канал внутренней трубки соединен с кольцевым каналом. При работе один теплоноситель омывает внешнюю поверхность наружной трубки, а другой движется в канале внутренней трубки и в кольцевом межтрубном пространстве.

Для интенсификации теплообмена в таких элементах используют различные методы: оребрение поверхности внутренней трубки, закрутку потока в кольцевом канале, струйное смывание поверхности теплообмена (авт. св. СССР N 1118843, кл. F 28 D 7/12, 15.10.84; авт. св. СССР N 1657922, кл. F 28 D 7/12, 23.06.91). Интенсификация теплообмена вызывает существенный рост гидравлического сопротивления внутренней полости трубки Фильда, что снижает энергетическую эффективность теплообменного элемента.

Одним из перспективных направлений повышения эффективности теплообменных поверхностей является нанесение на поверхность регулярной системы сферических лунок (Беленький М.Я. и др. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формованных сферическими лунками. Теплофизика высоких температур, том 29, N 6, 1991, с. 1142-1147), усовершенствование которого осуществлено в способах теплообмена (авт. св. СССР N 1481586, кл. F 28 F 13/06, 23.05.89; авт. св. СССР N 1657930, кл. F 28 F 13/06, 23.06.91), предназначенных для интенсивного отвода теплоты при высоких тепловых нагрузках и для обеспечения равномерности температурного поля поверхности теплообмена.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство (авт. св. СССР N 1043426, кл. F 28 D 7/12, 06.05.82), содержащее две соосно расположенные трубки, разделенные кольцевым каналом, наружная из которых заглушена с торца, а внутренняя выполнена перфорированной. В таком теплообменном элементе одна среда омывает внешнюю поверхность наружной трубы, а другая поступает во внутреннюю часть внутренней трубы и через отверстия перфорации в виде пучка струй направляется в сторону заглушенного торца наружной трубы и в кольцевой межтрубный зазор. В этом теплообменном элементе высокие коэффициенты теплоотдачи достигаются за счет турбулизации пристенного потока при ударе поперечных струй о поверхность теплообмена.

Однако в таком устройстве значительная турбулизация пристенной зоны потока имеет место лишь вблизи заглушенного торца наружной трубы, где струи теплоносителя, перпендикулярные поверхности теплообмена, практически не подвержены негативному воздействию отработавшего потока, на остальной большей части поверхности интенсивного теплообмена существенно ниже вследствие сноса струй отработавшим потоком теплоносителя, движущимся вдоль кольцевого канала, особенно в зоне выхода, где кинетическая энергия сносящего потока велика (Perri P.P. Heat Trasfer by Convection From a Hot Gas Iet to a plane surface. Proc. Inst. Mechan. Eng. т. 168, N 30, 1954, с. 778, табл. 1).

Целью изобретения является интенсификация теплообмена.

Цель достигается тем, что в теплообменном элементе, содержащем две соосно расположенные трубы, разделенные кольцевым каналом, наружная из которых заглушена с торца, а внутренняя выполнена перфорированной, на внешних боковых поверхностях обеих труб выполнены расположенные в шахматном порядке полусферические лунки с образованием на их внутренних поверхностях соответствующих полусферических выступов при этом отверстия перфорации внутренней трубы расположены в центре лунок. Продольные шаги лунок на наружной трубе равны соответствующим шагам лунок на внутренней трубе, осевые линии продольных рядов лунок наружной и внутренней труб расположены в одной радиальной плоскости элемента, при этом лунки одного поперечного ряда, выполненные на наружной трубе, смещены в направлении заглушенного торца относительно соответствующего поперечного ряда лунок внутренней трубы на половину диаметра лунки, высота полусферического выступа меньше ширины кольцевого канала, а поперечный шаг лунок на наружной трубе определяется из соотношения
S₁₂ S где S₁₁ поперечный шаг лунок на внутренней трубе;
S₁₂ то же на наружной трубе;
D_1н внешний диаметр внутренней трубы;
D_2н внешний диаметр наружной трубы.

В предлагаемой конструкции не только возрастают коэффициенты теплоотдачи при внешнем омывании наружной поверхности трубки, сформированной полусферическими лунками (см. Беленький И.Я. и др. с. 1145, рис. 3), а также при движении потока в кольцевом канале и трубе с полусферическими выступами (см. Мигай В. К. Моделирование теплообменного оборудования. Л. Энергоатомиздат, 1987, с. 1979, рис. 5.15; Кузнецов Е.Ф. Интенсификация теплообмена в каналах воздухоподогревателей ГТУ. Тяжелое машиностроение, 1991, N 6, с. 9, рис. 2), но и полусферические выступы, расположение которых согласовано с размещением лунок на наружной поверхности внутренней трубы, защищают вытекающие из отверстий в лунках струи от сносящего потока отработавшей среды как путем экранирования их вблизи стенки наружной трубы, так и вследствие ускорения потока, направленного к лунке и участвующего в формировании смерчевых структур, способствующих устойчивости вытекающих струй. Уменьшение негативного влияния сносящего потока и усиление повторной подачи охладителя к стенке наружной трубы в виде торообразных вихрей (см. Киконадзе И.К. и др. ДАН СССР, 1986, т. 291, N 6, с. 1315) способствуют интенсификации теплообмена, что является новым свойством, присущим предлагаемому техническому решению. Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведен теплообменный элемент, продольное сечение; на фиг. 2 и 3 показаны сечения А-А и Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показана развертка участка теплообменного элемента с условным изображением наружной трубы; на фиг. 5 лунка внутренней трубы; на фиг. 6 элемент кольцевого канала.

Теплообменный элемент содержит две соосно установленные трубы 1 и 2, разделенные кольцевым каналом 3, наружная 2 из которых заглушена с торца 4, а внутренняя 1 выполнена перфорированной. На внешних боковых поверхностях обеих труб выполнены расположенные в шахматном порядке полусферические лунки 5 и 6 с образованием на их внутренних поверхностях соответствующих полусферических выступов 7 и 8, при этом отверстия 9 перфорации внутренней трубы 1 расположены в центре лунок 5. Продольные шаги S₂₂ лунок 6 на наружной трубе 2 равны соответствующим шагам S₂₁ лунок 5 на внутренней трубе, осевые линии 10 и 11 продольных рядов лунок наружной и внутренней труб расположены в одной радиальной плоскости 12 элемента, при этом лунки 6 одного поперечного ряда, выполненные на наружной 2 трубе, смещены в направлении заглушенного торца 4 относительно соответствующего поперечного ряда лунок 5 внутренней трубы на половину диаметра лунки, высота h_в полусферического выступа 8 меньше ширины δ_к кольцевого канала 3, а поперечный шаг лунок 6 на наружной трубе определяется из соотношения
S₁₂ S
В предлагаемом техническом решении один теплоноситель (стрелка 13, фиг. 6) омывает внешнюю поверхность наружной трубы 2, а другой (стрелка 14) движется по каналу внутренней трубы 1 в сторону заглушенного торца 4 с путевым расходом через отверстия 9, расположенные в лунках 5, и в виде множества струй (стрелка 15) направляются радиально на внутреннюю стенку наружной трубы. Другая часть потока второго теплоносителя (стрелка 16) поступает в кольцевой канал 3 со стороны торца 4 и движется в нем, омывая полусферические выступы 8, экранирующие струи 15 вблизи стенки трубы 2, лунки 5, боковые поверхности труб 1, 2, взаимодействуя со струями, вытекающими из отверстия 9 в лунках 5, частично закручивается вокруг струй, ослабляя влияние на них сносящего потока, после чего снова вместе со струями подается на внутреннюю стенку наружной трубы.

Использование изобретения позволяет интенсифицировать теплообмен на внешней поверхности наружной трубы, на внутренней поверхности внутренней трубы, а также в кольцевом канале между трубами теплообменного элемента как за счет турбулизации потока полусферическими выступами на наружной трубе, так и вследствие ослабления негативного влияния сносящего потока на теплоотдачу импактных струй с помощью экранирования их выступами и усиления формирования вокруг них (струй) закрученных вихревых структур. Кроме того, предлагаемое технического решение обеспечивает повторное направление части среды к теплообменной поверхности, тем самым полнее используется ее аккумулирующая способность.

Использование: в теплообменных аппаратах. Сущность изобретения: в теплообменном элементе типа "труба в трубе" с наружной трубой 2, заглушенной с торца, на боковых поверхностях труб 1 и 2 выполнены полусферические лунки, причем лунки, выполненные на наружной трубе 2, смещены заданным образом относительно лунок, выполненных на внутренней трубе 1, а в центре лунок последней выполнены сквозные отверстия. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две соосно расположенные трубы, разделенные кольцевым каналом, наружная из которых заглушена с торца, а внутренняя выполнена перфорированной, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, на внешних боковых поверхностях обеих труб выполнены расположенные в шахматном порядке полусферические лунки с образованием на их внутренних поверхностях соответствующих полусферических выступов, при этом отверстия перфораций внутренней трубы расположены в центре упомянутых лунок. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что шаги продольных рядов лунок на наружной поверхности равны соответствующим шагам лунок на внутренней поверхности, осевые линии продольных рядов лунок наружной и внутренней труб расположены в одной радиальной плоскости элемента, при этом лунки одного поперечного ряда, выполненные на наружной трубе, смещены в направлении заглушенного торца относительно соответствующего поперечного ряда лунок внутренней трубы на половину диаметра лунки, высота полусферического выступа меньше ширины кольцевого канала, а поперечный шаг лунок на наружной поверхности трубы определяется из соотношения,

где S₁₁ и S₁₂-поперечный шаг лунок на внутренней и наружной трубе соответственно;
D_1н и D_2н внешний диаметр внутренней и наружной трубы соответственно.