ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК F28D7/12 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам.

Известно, что сферические элементы, размещенные в потоке теплоносителя, активно воздействуют на поток, изменяя его структуру. Они оттесняют теплоноситель из ядра потока к стенке канала, способствуют вихреобразованию, разрушению пристенного слоя жидкости или газа, и, тем самым, росту коэффициента теплоотдачи. Кроме того, наличие шаровых элементов в потоке рабочей среды повышает ее эффективную теплопроводность, выравнивает температурное поле омываемого объекта (см. Наринский Д.А. Теплообмен в зернистом слое Тр. ЦКТИ, вып. 62, 1968, с. 158, 160). Это свойство насадки из шаровых элементов использовано в ряде технических решений (см. а.с. СССР N 1698614, кл. F 28 F 13/12 от 15.12.91, Бюл. 46; патент США N 3921711, кл. F 28 F 13/12, 1975; патент США N 4593754, кл. F 28 F 13/12, опублик. 1986, заявка ФРГ N 3530723, кл. F 01 P 3/02, опублик. 1987). В этих устройствах неподвижная шаровая насадка расположена по всей длине труб. При работе теплоноситель движется между шарами вдоль трубы. Шары оттесняют поток теплоносителя к стенке и турбулизируют его в пристенной зоне, что увеличивает теплосъем со стенки трубы. Однако размещение в известных теплообменных трубах шаров по всей длине трубы приводит к большим гидравлическим потерям, что снижает ее теплогидравлическую эффективность и обуславливает значительную массу трубы.

Известна также теплообменная труба (см. а.с. СССР N 1719875, кл. F 28 F 13/12 от 15.03.92, Бюл. 10), содержащая размещенную внутри секцию с насадкой в виде расположенных между проницаемыми пластинами шаров диаметром по крайней мере в четыре раза меньшим диаметра трубы, и дополнительные секции, расположенные на равном расстоянии по длине трубы с идентичной насадкой; причем расстояние между секциями и длина каждой секции равны между собой и составляют 1,7-3 диаметра шара. Такое выполнение трубы позволяет снизить ее массу и повысить ее теплогидравлическую эффективность при сохранении высокой интенсивности теплоотвода.

Вместе с тем технологически реализовать известное техническое решение сложно, особенно для длинных труб, так как требуется значительное число дополнительных элементов, ограничивающих и дистанционирующих секции с насадкой. Они не только увеличивают массу теплообменной трубы, ее гидравлическое сопротивление, но и усложняют конструкцию и технологический процесс изготовления и сборки турбулизатора. Кроме того, в такой теплообменной трубе при изготовлении и сборке секций турбулизатора необходимо строго обеспечить заданный тип укладки шаров в секциях, так как от этого зависят размеры как секций, так и участков между ними. Все это требует специальной технологической оснастки.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение, реализованное в теплообменной трубе кольцевого сечения, содержащей две соосно установленные трубы, в кольцевом канале между которыми размещены рядами шаровые турбулизаторы диаметром, меньшим ширины канала, установленные по винтовой линии с углом подъема, определяемым зависимостью
ϕ arctg где ϕ угол подъема винтовой линии;
d диаметр шарового турбулизатора;
D₁ наружный диаметр внутренней трубы;
D₂ внутренний диаметр наружной трубы.

В этой теплообменной трубе размещается наиболее плотная упорядоченная укладка шаров, позволяющая интенсифицировать теплообмен.

Однако, такая теплообменная труба имеет высокое гидравлическое сопротивление, уменьшение которого за счет секционирования, как это выполнено в техническом решении по а. с. 1719875, неизбежно будет сопровождаться усложнением конструкции (в связи с необходимостью в дистанционирующих элементах сложного профиля), сборки и монтажа турбулизатора.

В такой теплообменной трубе шаровые элементы неподжвижны, что ограничивает их турбулизирующее воздействие на пограничный слой теплоносителя и не позволяет полностью использовать их возможности как активаторов теплообмена.

Цель изобретения интенсификация теплообмена.

Указанная цель достигается тем, что теплообменный элемент, содержащий две соосно установленные трубы, кольцевой канал между которыми разделен на чередующиеся секции с размещенными в них рядами шаровых турбулизаторов диаметром, меньшим ширины канала, установленными по винтовой линии с углом подъема, определяемым зависимостью
ϕ arctg где ϕ угол подъема винтовой линии;
d диаметр парового турбулизатора;
D₁ наружный диаметр внутренней трубы;
D₂ внутренний диаметр наружной трубы, и секции без турбулизаторов; турбулизаторы имеют диаметр не менее половины ширины кольцевого канала, выполнены со сквозными диаметральными отверстиями; в кольцевом канале размещена проволочная спираль, проходящая сквозь упомянутые отверстия турбулизаторов, при этом высота участка, заполненного шаровыми турбулизаторами равна 1,7 диаметра этого турбулизатора, а участка без турбулизаторов равна трем диаметрам турбулизатора; спираль выполнена с ограничивающими секции плоскими участками, ширина которых превышает диаметр отверстий в турбулизаторах; в стенках внутренней трубы со стороны заглушенного торца наружной трубы выполнены отверстия, в которых закреплены концы спирали.

Высота Н секции с турбулизаторами, равная 1,7d (два слоя шаров) при наиболее плотной укладке, обеспечиваемой заданным углом подъема винтовой линии спирали, позволяет получить максимальное значение скорости потока в пристенном слое как в зоне с турбулизаторами, так и вне ее.

Увеличение Н более 1,7d приводит к перераспределению среды и снижению максимальной скорости у стенки и, следовательно, интенсивности теплообмена. При Н d не успевает произойти перераспределение скоростей по сечению теплообменной трубы и поэтому в умеренной зоне скорость потока и интенсивность теплообмена ниже.

Коэффициент теплообмена при омывании поверхности умеренной струи жидкости быстро падает вследствие ее расширения и размывания, поэтому расстояние между секциями с турбулизаторами ограничено величиной 3d, при которой средний коэффициент теплоотдачи на этом участке сохраняет высокое значение.

Увеличение высоты l секции без турбулизаторов более 3d вызывает резкое снижение коэффициента теплоотдачи, а уменьшение l способствует росту гидравлического сопротивления теплообменного элемента, снижению его энергетической эффективности.

Пульсации давления в потоке движущихся сред, вибрация теплообменного элемента, входящего в состав теплообменника или теплового двигателя, воспринимаются пружинной спиралью, приводят к периодическому перемещению шаров вдоль стенки трубы, к механическому соскабливанию и разрушению пограничного слоя, что дополнительно интенсифицирует теплообмен (см. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках Л. Судостроение, 1969, с. 82, рис. 4.17).

Применение шаровых турбулизаторов, насаженных на пружинную спираль, существенно упрощает конструкцию теплообменного элемента, так как в ней отсутствуют профилированные дистанционирующие элементы, отделяющие секции друг от друга, позволяет реализовать сборку турбулизатора в целом с последующим монтажом его в кольцевом канале теплообменного элемента, причем для осуществления упорядоченной укладки шаров в секциях не требуется специальной оснастки. Все это упрощает технологический процесс изготовления и сборки теплообменного элемента.

На фиг. 1 приведен теплообменный элемент, продольный разрез; на фиг. 2 развертка витка спирали; на фиг. 3 конструкция ограничителя крайних турбулизаторов каждой секции; на фиг. 4 узел крепления спирали; на фиг. 5 разрез турбулизатора.

Теплообменный элемент, содержит две соосно установленные трубы 1, 2, кольцевой канал 3 между которыми разделен на чередующиеся секции 4 с размещенными в них рядами шаровых турбулизаторов 5 диаметром, меньшим ширины канала 3, установленными по винтовой линии с углом подъема, определяемым зависимостью
ϕ arctg где ϕ угол подъема винтовой линии;
d диаметр шарового турбулизатора,
D₁ наружный диаметр внутренней трубы,
D₂ внутренний диаметр наружной трубы, и секции 6 без турбулизаторов 5.

Шаровые турбулизаторы имеют диаметр не менее половины ширины кольцевого канала 3, выполнены со сквозными диаметральными отверстиями 7, в кольцевом канале размещена проволочная спираль 8, проходящая сквозь упомянутые отверстия 7 турбулизаторов, при этом высота Н участка, заполненного шаровыми турбулизаторами, равна 1,7 диаметра этого турбулизатора, а участка l без турбулизаторов равна трем диаметрам турбулизатора, спираль 8 выполнена с ограничивающими секции плоскими участками 9, ширина которых превышает диаметр отверстий 7 в турбулизаторах; в стенках внутренней трубы 1 со стороны заглушенного торца 10 наружной трубы 2 выполнены отверстия 11, в которых закреплены концы 12 спирали 8.

При работе теплоноситель (стрелка 13) поступает во внутреннюю трубу 1, поворачивает вблизи заглушенного торца 10 наружной трубы 2 в кольцевой канал 3, где на проволочной спирали 8 закреплены чередующиеся секции 4 с шаровыми турбулизаторами 5.

Теплоноситель оттесняется шарами к стенкам кольцевого канала 3, где образуются зоны повышенных скоростей, обеспечивающих высокую интенсивность теплообмена, как в секциях 4 с турбулизаторами, так и на участках 6 без них. Дополнительная интенсификация теплообмена в предлагаемом техническом решении происходит за счет вибрации пружинной спирали и механического перемещения шаровых элементов вблизи стенок канала, сопровождающегося утонением и разрушением пограничного слоя теплоносителя.

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения заключается в том, что:
интенсифицируется теплообмен как за счет вихреобразования при омывании шаровых турбулизаторов, так и вследствие их перемещения при вибрации спирали и механического "соскабливания" (утонения) пристенного слоя;
упрощается конструкция секционного турбулизатора;
упрощается технологический процесс изготовления и сборки секционного турбулизатора в теплообменных элементах;
снижается масса турбулизатора и теплообменного элемента в целом.

Использование: в теплообменных устройствах. Сущность изобретения: элемент содержит две соосно установленные трубы 1 и 2, кольцевой канал 3 между которыми разделен на чередующиеся секции 4 с размещенными в них рядами шаровых турбулизаторов 5 диаметром не менее половины ширины канала 3. Турбулизаторы 5 размещены по винтовой линии с заданным углом подъема и имеют сквозные отверстия, через которые пропущена проволочная пружинная спираль 8. Высота участка, заполненного турбулизаторами 5, составляет 1,7 диаметра этого турбулизатора, а участка без турбулизаторов равна трем диаметрам турбулизатора. Спираль может быть выполнена с ограничивающими секции плоскими участками 9, ширина которых превышает диаметр сквозных отверстий в турбулизаторах 5. В стенках наружной трубы 2 могут быть выполнены отверстия, в которых закреплены концы спирали. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две соосно установленные трубы, кольцевой канал между которыми разделен на чередующиеся секции с размещенными в них рядами шаровых турбулизаторов диаметром, меньшим ширины канала, установленными по винтовой линии с углом подъема ϕ, определяемым зависимостью

где d диаметр шарового турбулизатора;
D₁ наружный диаметр внутренней трубы;
D₂ внутренний диаметр наружной трубы,
и секции без шаровых турбулизаторов, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, шаровые турбулизаторы имеют диаметр не менее половины ширины кольцевого канала и выполнены со сквозными диаметральными отверстиями, а в кольцевом канале размещена проволочная пружинная спираль, проходящая сквозь упомянутые отверстия турбулизаторов, при этом высота участка, заполненного шаровыми турбулизаторами, равна 1,7 диаметра этого турбулизатора, и высота участка без шаровых турбулизаторов- 3 диаметрам турбулизатора. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что спираль выполнена с ограничивающими секции плоскими участками, ширина которых превышает диаметр отверстий в турбулизаторах. 3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в стенках внутренней трубы со стороны заглушенного торца наружной трубы выполнены отверстия, в которых закреплены концы спирали.