ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА Российский патент 1995 года по МПК F28F1/42 

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в теплообменной аппаратуре, применяемой в энергетике, строительстве, химии, криогенной технике и других отраслях народного хозяйства.

Известна теплообменная труба с кольцевыми турбулизаторами канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности, у которой выступы имеют высоту, в 1,25-2,5 раза меньшую глубины канавок [1] У таких труб в большинстве диапазонов чисел Рейнольдса, относительных значений шагов и высот выступа рост гидравлического сопротивления опережает рост теплоотдачи на существенную величину за счет относительно заостренной формы поперечного профиля турбулизатора, что снижает ее эффективность.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является теплообменная труба с канавками и соответствующими им выступами на наружной и внутренней поверхностях, размещенных с заданным шагом вдоль трубы и разделенных гладкими участками, причем каждая канавка (выступ) соединена с соответствующим гладким участком отрезком прямой, расположенным к продольной оси трубы с уклоном, составляющим у наружной канавки не менее чем 2:1, а у внутренней не более 1:2 [2] Однако попытка улучшить его форму лишь с помощью регламентации величины уклона линии соединения вершины выступа с гладким участком трубы без учета влияния шага турбулизатора и их глубины является недостаточной.

При обтекании потоком прямоугольного выступа турбулизатора перед ним и за ним образуются две в общем случае несимметричные вихревые зоны, содержащие в зависимости от формы выступа и его размеров три области: трехмерную, характеризующуюся наличием одного или нескольких вихрей с осями, перпендикулярными к боковым стенкам, двухмерную с наличием двухмерного вихря и трехмерную нестационарную область. На верхней границе трехмерной зоны имеет место максимальная выработка турбулентности; здесь же больших значений достигает турбулентное касательное напряжение. Затраты энергии потока на преодоление гидравлического сопротивления уступа расходуются на поддержание вихревых зон и в итоге на увеличение турбулентности потока.

При плавной форме выступа интенсивность выработки турбулентности выше, а размеры вихревых зон значительно меньше, что уменьшает гидравлические потери при том же уровне турбулентности в пристенной области. Более того при определенной плавности профиля выступов перед ними и после них могут не образовываться двухмерные вихри, а выработка турбулентности определяется в основном системой трехмерных вихрей, которые образуются при повороте набегающего на выступ потока. При такой структуре потока требуется значительно меньше затрат энергии.

В известной конструкции определенная плавность достигается лишь при набегании потока на турбулизатор, после чего имеет место глубокая впадина с вихревой зоной, более значительной чем даже в описанной уже конструкции теплообменной трубы по [1] В такой зоне кроме нежелательных двухмерных вихрей возможно образование также и одинокого вихря на две впадины, что, как уже указывалось, приводит к нецелесообразному (неадекватному) росту гидравлического сопротивления.

Цель изобретения повышение эффективности теплообменной трубы за счет уменьшения ее гидравлического (аэродинамического) сопротивления.

В теплообменной трубе с кольцевыми турбулизаторами-канавками снаружи и соответствующими им кольцевыми турбулизаторами-выступами внутри эта цель достигается тем, что образующийся при продольном разрезе трубы поперечный профиль турбулизатора-выступа выполнен состоящим из двух дуг окружностей, сопряженных в верхней точке (вершине) выступа-турбулизатора, причем передняя по отношению к движущемуся потоку дуга выполнена радиусом R₁, а дальняя радиусом R₂, а интервал оптимальных величин значений радиусов определяется из зависимостей
R₁/D 0,25(1-d/D)(1+A₁²) c интервалом значений для A₁= 1 +
R₂/D 0,25 (1 d/D)(1+A₂²) с интервалом значений
_для2,0+ где D внутренний диаметр трубы в месте между турбулизаторами-выступами;
d внутренний диаметр трубы в месте расположения турбулизатора;
t шаг турбулизаторов.

Выполненный по приведенному выше закону профиль турбулизатора является значительно более плавным, чем в прототипе и аналоге. Образующиеся при такой форме профиля отрывные зоны до и после турбулизатора состоят преимущественно только из трехмерных вихрей, определяющих повышенную выработку турбулентности на верхней границе вихревых зон. При этом двухмерные вихри, повышающие гидравлическое сопротивление, но мало влияющие на теплообмен, практически отсутствуют.

Длину l полухорды любой из двух дуг окружности, формирующих профиль выступа, можно выразить через радиус окружности R и высоту выступа-турбулизатора h (по теореме Пифагора):
l
Учитывая, что высота выступа равна полуразности значений диаметров трубы в месте выступа d и на гладком участке D, можно записать
h 0,5D1-
Тогда предыдущее выражение преобразовывается к виду
A
(а)
Возводя в квадрат обе части полученного уравнения и решив его относительно R, получают
R 0,25 · D1- A² + 1
(b) или в относительных величинах
0,25 1- A² + 1
(c)
В пределе в трубе с кольцевыми турбулизаторами
l_макс 0,5t, где t шаг турбулизаторов, т.е.

A_макс=
Тогда R_макс можно определить из выражения
0,25 1- + 1
Минимальное значение R определяется конструктивно-технологическими возможностями:
R_minr_н+δ где δ- толщина стенки трубы.

Учитывая, что r_н≈0,5δ,
R_мин 0,5δ + δ= 1,5δ
Более плавный выступ возможен лишь при R>R_мин.

Область оптимальных значений R₁ и R₂ находится в пределах между R_мин и R_макс и определена на основании изучения результатов исследования структуры потока за выступами с профилями различной плавности.

Как показали проведенные исследования и анализ, оптимальные области значений R₁ и R₂ лежат в пределах заявляемых выражений.

На фиг. 1 показан отрезок теплообменной трубы, продольный разрез; на фиг. 2 а, б результаты сравнительных исследований аэродинамического и гидравлического сопротивлений труб с кольцевыми турбулизаторами, выполненных по изобретению и применяемых на практике в настоящее время.

Теплообменная труба имеет кольцевые турбулизаторы-канавки 1 и соответствующие им кольцевые турбулизаторы выступы 2 плавного профиля, состоящие из двух дуг окружности: первой по ходу потока 3 и второй по ходу потока 4, сопряженных в верхней точке (вершине) 5 выступа 2, а также гладкие участки 6 между турбулизаторами.

На фиг. 1 R₁ и R₂ радиусы дуг окружностей соответственно первой по ходу потока 3 и второй по ходу потока 4, l полухорда дуги окружности (для дуги первой по ходу потока l l₁, для второй по ходу потока ll₂), h высота турбулизатора-выступа в точке сопряжения дуг; d диаметр трубы в месте турбулизатора; D диаметр трубы в месте гладкого участка; δ- толщина стенки трубы; r- радиус дуги окружности, образующей турбулизатор-канавку (соответственно дугам турбулизаторов-выступов r₁ и r₂).

Труба работает следующим образом.

При движении теплоносителя внутри теплообменной трубы, т.е. поперек турбулизаторов-выступов 2, поток жидкости (газа) омывает вначале переднюю по потоку часть профиля турбулизатора 3, выполненного в виде дуги окружности радиусом R₁, а затем переходит через верхнюю точку (вершину) 5 выступа 2 и омывает заднюю по потоку часть профиля турбулизатора 4, выполненного в виде дуги окружности радиусом R₂. При этом благодаря определенной (плавной) конфигурации профиля выступа, соответствующей заявляемой оптимальной области значений R₁ и R₂, образуются отрывные зоны перед турбулизатором и после него, в которых отсутствуют видимые двухмерные вихри. При повороте набегающего потока на плавно очерченный выступ возникает система трехмерных вихрей (возможно образование системы из трехмерных вихрей в сочетании с небольшим вихрем за выступом), которая и определяет повышенную выработку турбулентности на верхней границе вихревой зоны. Отсутствие двухмерных вихрей снижает гидравлическое (аэродинамическое) сопротивление внутри теплообменной трубы, так как дополнительная энергия осредненного потока расходуется лишь на поддержание указанной системы вихрей. При этом интенсификация теплообмена (рост коэффициента теплоотдачи) может опережать рост гидравлического (аэродинамического) сопротивления.

Как следует из фиг. 2, гидравлическое и аэродинамическое сопротивление в трубах, профиль турбулизаторов, в которых выполнен по заявляемым рекомендациям (А 2,1--7,41) как на воздухе, так и на воде на 25-35% ниже, чем в трубах с профилем турбулизаторов, характеристики которых находятся вне заявляемых пределов (А1,79-2,0). При этом коэффициент теплоотдачи практически остается без изменений.

Таким образом, применение трубы с профилем турбулизатора, выполненным по предлагаемому закону, позволяет существенно увеличить ее эффективность за счет снижения гидравлического сопротивления.

Использование: в теплообменных устройствах, применяемых в энергетике, строительстве, химии, криогенной технике и других отраслях народного хозяйства. Сущность изобретения: теплообменная труба имеет кольцевые турбулизаторы канавки 1 и соответствующие им кольцевые турбулизаторы выступы 2 плавного профиля, выполненные состоящими из двух дуг окружности: первой по ходу потока 3 и второй по ходу потока 4, сопряженных в верхней точке (вершине) 5 выступа 2, а также гладкие участки 6 между турбулизаторами. Радиус окружности дуги, первой по ходу потока 3, отличается от второй по ходу потока 4. Приведен интервал оптимальных величин радиусов. 2 ил.

ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА с кольцевыми турбулизаторами-канавками несимметричного поперечного профиля и соответствующими им кольцевыми турбулизатора-выступами на внутренней поверхности, причем упомянутый профиль образован двумя сопряженными между собой в экстремальной точке участками, один из которых выполнен в виде дуги кривой линии и расположен первым по ходу теплоносителя, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности теплообменной трубы путем уменьшения гидравлического сопротивления, участки профиля турбулизатора-выступа выполнены в виде дуг окружностей разного радиуса, причем интервал оптимальных величин значений радиусов определяется из следующих зависимостей:




где D внутренний диаметр трубы на участке между выступами;
d минимальный внутренний диаметр трубы в зоне экстремальной точки профиля выступа;
t шаг турбулизаторов.