ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА С ОРЕБРЕНИЕМ Российский патент 1995 года по МПК F28F1/24 

Изобретение относится к теплотехнике (теплоэнергетике) и предназначено для использования в теплообменных и массообменных аппаратах различного назначения.

Известна теплообменная труба, снабженная ребрами поперечными ее оси (продольными по отношению к обтекающему ребра потоку теплоносителя). На одной боковой стороне поверхности которых выполнены расположенные центрами на концентрических окружностях сферические лунки. На другой боковой поверхности выполнены идентичные сферические лунки. Лунки, лежащие на противоположных боковых поверхностях, смещены друг относительно друга по дуге окружности [1]
Недостатком известного устройства является то, что у него не определены размеры лунок, обеспечивающие положительный эффект интенсификации теплообмена. Выполнение известного устройства затруднительно в том случае, когда по экономическим соображениям для изготовления ребер целесообразно использовать тонкий лист металла. В этом случае толщина листа оказывается недостаточной, чтобы в изготавливаемых из него ребрах выполнить лунки с двух сторон с такими размерами, чтобы происходило ощутимое влияние на теплообмен. Выполнение лунок в соответствии с известным изобретением уменьшает при прочих равных условиях суммарный тепловой поток, проходящий по ребру, поскольку выполненные по этому изобретению лунки уменьшают эффективную толщину ребра.

Известна теплообменная труба, снабженная поперечными к ее оси ребрами с выполненными на них трехмерными элементами в виде сферических вогнутостей с одной стороны ребра и соответствующих выпуклостей с противоположной стороны ребра [2]
Недостатком известной конструкции является то, что протекающий между ребрами поток теплоносителя отклоняется выполненными на ребрах элементами от прямого движения по всему промежутку между ребрами, что приводит к излишним гидравлическим потерям и уменьшает эффективность теплообмена.

Цель изобретения обеспечить интенсификацию теплообмена с повышенной эффективностью, т. е. достигнуть как можно большей величины отношения мощности переданного тепла при данном перепаде температуры к мощности, затрачиваемой на перекачку теплоносителя.

Поставленная цель достигается тем, что теплообменная труба оснащена ребрами, на которых выполнены трехмерные элементы в виде вогнутостей с одной боковой стороны ребра и соответствующих выпуклостей с другой боковой стороны ребра, размещенные на концентрических окружностях. Элементы, находящиеся на соседних окружностях, расположены друг относительно друга со смещением по дуге окружности. Глубина вогнутостей и высота выпуклостей составляют 0,05-0,15 от промежутка между соседними ребрами. Максимальный размер вогнутостей и выпуклостей лежит в диапазоне 2-15 глубин вогнутостей. Размеры вогнутостей и выпуклостей, размещенных на одной окружности, имеют одинаковую величину, а размеры вогнутостей и выпуклостей, размещенных на соседних окружностях, могут увеличиваться в направлении от центра устройства к его периферии.

На фиг. 1 представлена труба, поперечный разрез; на фиг. 2 ребро, сечение плоскостью, проходящей через вершины вогнутостей и выпуклостей; на фиг. 3 контур, отделяющий вогнутость или выпуклость от остальной части поверхности ребра; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 6 обтекаемая потоком теплоносителя оребренная труба и образующиеся вблизи вогнутостей и выпуклостей динамические вихревые структуры.

Устройство содержит трубу 1 и ребра 2 с выполненными на них вогнутостями 3 с одной боковой стороны ребра и соответствующими выпуклостями 4 с другой боковой стороны ребра. Вогнутости 3 и выпуклости 4 размещены на концентрических окружностях 5. Элементы, находящиеся на соседних окружностях, расположены друг относительно друга со смещением по дуге окружности. Глубина вогнутости h_вг и высота выпуклости h_вп (фиг. 2) составляет 0,05-0,15 от промежутка между соседними ребрами t (фиг. 6), а максимальный размер вогнутости d_вг и выпуклости d_вп (фиг. 2), определяемый как расстояние между наиболее удаленными друг от друга точками 6 и 7 контура 8, отделяющего вогнутость или выпуклость от остальной части поверхности ребра (фиг. 3), лежит в диапазоне 6-9 глубин вогнутостей h_вг. Размеры выпуклостей и вогнутостей, размещенных на одной окружности, имеют одинаковую величину, а размеры вогнутостей и выпуклостей, размещенных на соседних окружностях, могут увеличиваться в направлении от центра устройства к его периферии: d_вг1 < d_вг2 < d_вг3; d_вп1 < d_вп2 < d_вп3 (фиг. 1, 4, 5).

Число концентрических окружностей, на которых размещены вогнутости и выпуклости, зависит от размера ребра и размеров вогнутостей и выпуклостей; на фиг. 1 изображены три окружности в качестве примера.

Устройство работает следующим образом. Обтекающий теплообменную трубу 1 с оребрением 2 поток теплоносителя 9 подвергается воздействию выполненных на боковых поверхностях ребер 2 вогнутостей 3 и выпуклостей 4. Благодаря тому, что глубина h_вг вогнутостей 3 и высота h_вп выпуклостей 4 составляет малую часть, т. е. 0,05-0,15 от промежутка t между соседними ребрами, теплоперенос интенсифицируется лишь в той пристеночной части потока теплоносителя, где сосредоточено его основное теплосопротивление. Помимо этого, вследствие принятого соотношения между максимальным размером d_вг вогнутости d_вп выпуклости и глубиной h_вг вогнутости, высотой вогнутости не возникает застойных зон вблизи вогнутостей и выпуклостей. Эти два обстоятельства благотворно влияют на теплообмен и не приводят к опережающему росту гидросопротивления над ростом интенсивности теплообмена. Трехмерность выполненных элементов, т. е. вогнутостей 3 и выпуклостей 4 является важным фактором, приводящим к генерации трехмерных крупномасштабных динамических вихревых структур 10 в частности вихрей Гертлера и смерчеобразных вихрей. Крупномасштабные структуры интенсифицируют теплообмен в пристеночной зоне ребер, переноса порции теплоносителя от боковой стенки ребра в зону между ребрами. Размещение трехмерных элементов, т. е. вогнутостей 3, выпуклостей 4, по концентрическим окружностям 5 со сдвигом по дуге окружности позволяет вихревым структурам, генерируемым на одной вогнутости или выпуклости, взаимодействовать с другой вогнутостью или выпуклостью, находящейся ниже по потоку от элемента, где возникла вихревая структура. Увеличение размера вогнутостей и выпуклостей, лежащих на окружностях ближе к периферии ребер, приводит к увеличению размеров генерируемых на этих элементах крупномасштабных вихревых структур, которые вследствие этого обладают свойствам интенсифицировать теплообмен на большем расстоянии от краев ребер.

Образование динамических вихревых структур в пристеночной области интенсифицирует массообмен. Вследствие этого снижается отложение примесей на поверхностях ребер, т. е. частиц из дымовых газов или примесей из жидких потоков. В случае потоков жидкостей снижается опасность кризиса теплообмена благодаря интенсивному уносу пузырьков пара от поверхностей ребер.

Использование: в теплообменнике. Сущность изобретения: теплообменная труба оснащена ребрами на которых выполнены трехмерные вогнутости и соответствующие им выпуклости с противоположной боковой стороны ребра. Вогнутости и выпуклости размещены на концентрических окружностях с угловым смещением на смежных окружностях. Глубина вогнутостей и высота выпуклостей составляет 0,05 0,15 межреберного расстояния, а максимальная ширина каждой вогнутости составляет 2 15 ее глубины. Размеры вогнутостей и выпуклостей могут возрастать от окружности к окружности в направлении от оси трубы к периферии ребра. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА С ОРЕБРЕНИЕМ в виде поперечных пластин, на поверхности которых выполнены трехмерные вогнутости с одной боковой стороны ребра и соответствующие им выпуклости с противоположной боковой стороны, отличающаяся тем, что вогнутости и выпуклости расположены на концентрических окружностях с угловым смещением на смежных окружностях, причем глубина вогнутости и высота выпуклостей составляют 0,05 0,15 межребренного расстояния, а максимальная ширина каждой вогнутости составляет 2 15 ее глубины. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что вогнутости и выпуклости, расположенные одной концентрической окружности, имеют одинаковые размеры, а соответствующие размеры вогнутостей, расположенных на смежных окружностях, увеличиваются в направлении от оси трубы к периферии ребра.