ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК F28D7/10 

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

Известен теплообменный элемент, содержащий трубу, заключенную в оболочку, образующую с трубой плавниковые ребра и имеющую с ней зоны контакта в центральной части, причем в зонах контакта трубы с оболочкой вдоль них выполнены непрерывные деформированные участки, ширина которых меньше ширины зон контакта (авт.св. СССР 1291816, кл. F 28 F 1/14).

Такой элемент в условиях, когда греющая среда (например, продукты сгорания котла) движется внутри трубы, а нагреваемая (например, вода) омывает оболочку элемента, не эффективен, так как увеличение поверхности имеет место со стороны теплоносителя, имеющего больший коэффициент теплоотдачи, и температура стенки трубы такого элемента будет ниже по сравнению даже с обычной гладкой трубой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является теплообменный элемент, состоящий из трубы, заключенной в оболочку, с наличием зон контакта между оболочкой и трубой и воздушными прослойками между этими зонами, причем количество зон контакта, приходящихся на единицу длины элемента, может быть переменным (теплообменный элемент, разработанный фирмой WISSMAN, двуслойная труба типа Duplex, см. проспект фирмы WISSMAN- Paromat-Duplex-TR).

Однако применение такой конструкции лишь частично увеличивает температуру стенки трубы, снижая теплотехническую эффективность всего элемента. Поток продуктов сгорания, идущий внутри трубы, передает тепло нагреваемому теплоносителю, омывающему оболочку, через зоны контакта, на остальной же поверхности теплопередача осуществляется через воздушные прослойки с очень малым значением коэффициента теплопроводности. В то же время коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке гладкой трубы существенно меньше коэффициента теплоотдачи со стороны оболочки, обычно омываемой водой, в связи с чем общий коэффициент теплопередачи такого элемента существенно снижается по сравнению с обычной трубой. Причем, чем больше необходимо повысить температуру стенки трубы, тем меньше должно быть зон контакта между трубой и оболочкой, т.е. тем больше должно быть зон с теплопередачей через воздушные прослойки и, следовательно, тем ниже окажется теплопередающая эффективность теплообменного элемента.

В основу изобретения поставлена задача эффективности и надежности теплообменного элемента за счет интенсификации теплообмена внутри трубы и увеличения температуры ее стенки для предотвращения конденсации вызывающих коррозию трубы паров различных веществ, содержащихся, например, в движущихся по трубе продуктах сгорания.

В теплообменом элементе, содержащем трубу, заключенную в оболочку, имеющую с трубой зоны (поверхностного) контакта и воздушные прослойки между этими зонами, поставленная задача решается тем, что труба выполняется профильной с выступающими внутрь кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами.

Турбулизаторы, интенсифицируя теплообмен внутри трубы, повышают коэффициент теплоотдачи от теплоносителя внутри трубы к стенке трубы и тем самым приближают температуру стенки трубы к температуре теплоносителя, который в нашем случае является греющим, и, следовательно, температура стенки повышается. Кроме того, повышается коэффициент теплопередачи всего теплообменного элемента и, следовательно, эффективность его возрастает, а благодаря повышению температуры стенки, повышается и надежность.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть выполнен таким образом, что хотя бы часть зон контакта оболочки и трубы и хотя бы часть турбулизаторов расположены в одном и том же поперечном сечении теплообменного элемента.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен таким образом, что труба с выступающими внутрь турбулизаторами выполняется с соответствующими выступающим турбулизаторам впадинами канавками на наружной стороне, и эти впадины-канавки являются зонами поверхностного контакта трубы и оболочки, при этом общее количество зон контакта трубы и оболочки может отличаться от числа впадин-канавок.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен таким образом, что лишь часть трубы теплообменного элемента покрыта оболочкой.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен из различных материалов для трубы и оболочки.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен с дополнительными турбулизаторами внутри трубы, например, в виде спирали.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен с заполнением воздушных прослоек материалами различной теплопроводности.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен таким образом, что оболочка, как и труба, выполняется в виде профильной трубы с кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, а оболочка, как и труба, может быть выполнена таким образом, что шаг и глубина турбулизаторов трубы выполняются переменными, причем местоположение турбулизаторов может как соответствовать, так и не соответствовать местоположению зон контакта.

Не выявлено известных технических решений, которым отличительные признаки заявляемого объекта придавали бы свойства, идентичные свойствам, придаваемым заявляемому объекту.

На фиг.1а) и б) показаны продольные разрезы теплообменного элемента. На фиг. 2 показан продольный разрез теплообменного элемента, у которого часть зон контакта оболочки и трубы и часть турбулизаторов трубы расположены в одном и том же сечении. На фиг.3 продольный разрез теплообменного элемента, труба с турбулизаторами которого имеет наружные впадины-канавки, которые могут являться зонами контакта трубы и оболочки. На фиг.4 продольный разрез теплообменного элемента, у которого только часть трубы покрыта оболочкой. На фиг. 5 продольный разрез теплообменного элемента, у которого труба оснащена дополнительной турбулизирующей вставкой. На фиг.6 продольный разрез теплообменного элемента, в котором как труба, так и оболочка выполнены из профильных труб с турбулизаторами.

Теплообменный элемент состоит из трубы 1 и оболочки 2. Между трубой 1 и оболочкой 2 имеются зоны контакта 3 и воздушные прослойки 4. Труба содержит выступающие внутрь турбулизаторы 5 и наружные впадины-канавки 6. Оболочка 2 может иметь выступающие внутрь турбулизаторы 7 и впадины-канавки 8. Труба может быть оснащена дополнительными турбулизаторами 9.

Теплообменный элемент работает следующим образом. Теплоноситель, например содержащие водяные пары продукты сгорания топлива, проходят внутри трубы 1 теплообменного элемента, отдавая ее стенкам часть тепла, охлаждаясь при этом. Отдаваемое продуктами сгорания тепло, благодаря теплопроводности, через зоны контакта 3, а также воздушные прослойки 4 передается оболочке 2, а через нее нагреваемому теплоносителю, например, воде.

Наличие турбулизаторов 5 внутри трубы существенно (до 3 раз) увеличивает коэффициент теплоотдачи от теплоносителя внутри трубы (в нашем примере - продуктов сгорания), вследствие чего повышается общий коэффициент теплопередачи, и, следовательно, общее количество переданного тепла. Кроме того, возрастает температура внутренней поверхности стенки трубы и, следовательно, предотвращается конденсация водяных, сернистых, и др. паров, содержащихся в теплоносителе, движущемся внутри трубы 1 (в нашем примере - продуктов сгорания). Отсутствие конденсации паров коррозионно действующих на материал трубы 1 веществ повышает ее надежность, а увеличение коэффициента теплопередачи эффективность.

Так как двухслойный элемент всегда уступает по теплотехническим показателям аналогичному однослойному элементу (например трубе), целесообразно его применять лишь в той зоне, где температура стенки канала (трубы), по которому движется содержащий пары различных веществ теплоноситель, приближается к значению температуры точки росы, т.е. конденсации этих веществ. Поэтому часто более эффективной (менее материалоемкой) окажется труба, у которой двухслойная конструкция будет иметь место лишь на каком-то (конечном) участке.

Дополнительная турбулизация внутри трубы с кольцевыми турбулизаторами с помощью завихрителей различных конструкций (например спиралей) 9 еще более увеличит коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы, а, следовательно, еще более повысит ее теплопередающую способность и температуру внутренней поверхности.

Использование в качестве оболочки 2 трубы с кольцевыми турбулизаторами 7, а также различные комбинации конструкций и расположений зон контакта 3 трубы 1 и оболочки 2 теплообменного элемента, отраженные в дополнительных признаках изобретения, позволяют варьировать теплотехнические и эксплуатационные показатели теплообменного элемента применительно к различным условиям его использования.

Изменение показателей теплообменного элемента может быть достигнуто также варьированием шага и высоты турбулизаторов 5 трубы 1, применением различных материалов для трубы и оболочки и заполнением прослойки 4 материалами различной теплопроводности.

Использование: теплообменная аппаратура в энергетике, химии, строительстве, криогенной технике и т.д. Сущность изобретения: теплообменный элемент содержит трубу, заключенную в оболочку, которая имеет с трубой зоны поверхностного контакта, причем число зон контакта, приходящихся на единицу длины трубы может быть переменным по ее длине, отличающийся тем, что труба теплообменного элемента выполнена с выступающими внутрь кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменный элемент, содержащий трубу, заключенную в оболочку, имеющую с трубой зоны поверхностного контакта, в том числе с переменным их числом на единицу длины теплообменного элемента, а также воздушные прослойки между этими зонами, которые не сообщаются как между собой, так и с внешней средой, отличающийся тем, что труба выполнена профильной с выступающими внутрь кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что хотя бы часть контакта оболочки и трубы и хотя бы часть турбулизаторов трубы расположены в одном и том же поперечном сечении теплообменного элемента. 3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что труба теплообменного элемента имеет в большинстве своем совпадающие в поперечном сечении с местоположением турбулизаторов наружные впадины-канавки, которые являются зонами поверхностного контакта трубы и оболочки, при этом общее количество зон контакта трубы и оболочки может отличаться от числа наружных впадин-канавок. 4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что лишь часть трубы теплообменного элемента покрыта оболочкой. 5. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что труба и оболочка выполнены из различных материалов. 6. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что труба оснащена дополнительными турбулизирующими вставками. 7. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что воздушные прослойки между зонами контакта трубы и оболочки заполнены материалами с различной теплопроводностью. 8. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что оболочка как и труба может быть выполнена из профильной трубы с кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами. 9. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что шаг и глубина турбулизаторов трубы могут быть переменными, а местоположение турбулизаторов как соответствовать, так и не соответствовать местоположению зон контакта.