ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА Российский патент 1997 года по МПК F28F13/12 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в транспортных энергетических установках, преимущественно с высокотемпературным газовым теплоносителем.

Известна теплообменная труба с интесификаторами теплообмена, выполненными в виде неподвижной засыпки сплошных шаров одинакового диаметра, расположенных между ограничивающими их проницаемыми пластинами или сетками; диаметр шаров составляет 0,15 0,25 внутреннего диаметра трубы [1]
При работе теплоноситель омывает шары, турбулизируется, вытесняется шарами к стенке и движется возле нее с большей скоростью, чем в центре трубы, вследствие увеличения локальной порозности шаровой засыпки [2] Увеличению интенсивности теплообмена между стенкой трубы и теплоносителем способствует рост его пристенной скорости и повышение эффективности теплопроводности газового потока при наличии засыпки [3]
При указанном соотношении диаметров шара d и внутреннего диаметра трубы D для неподвижной засыпки, выполненной из сплошных металлических или керамических шаров, достигается наибольший теплосъем при минимальном градиенте температур по радиусу трубы. Это способствует повышению компактности и снижению возникающих в сплошных шарах засыпки термических напряжений.

В рассматриваемой конструкции шары засыпки неподвижны, что существенно ограничивает возможности интенсификации теплообмена, и выполнены сплошными, что и приводит к высоким термическим напряжениям, требует снижать относительный диаметр шара в засыпке.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплобменная труба, содержащая засыпку из шаров одинакового диаметра, абсолютная величина которого больше внутреннего радиуса трубы, уложенных по спирали и ограниченных проницаемыми пластинами или сетками [4]
При работе трубы теплоноситель течет между шарами. Шары турбулизируют поток теплоносителя, закручивают его и оттесняют его к стенке. Увеличение относительного диаметра d/D шара более 0,5 позволяет повысить энергетическую эффективность теплообменной трубы за счет снижения ее гидравлического сопротивления (а.с. СССР N 1698614, таблица).

Однако при движении в трубе высокотемпературного теплоносителя сплошные шары относительно большого диаметра (d/D > 0,5) находятся в области высоких градиентов температур, обуславливающих такие термические напряжения, которые способны вызвать их разрушение и потерю работоспособности трубы в целом.

Кроме того, при d/D > 0,15 увеличивается пристенная зона с высокой порозностью, поэтому несколько снижается коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к теплоносителю, что приводит к необходимости при неизменных диаметре трубы и передаваемом тепловом потоке увеличить длину трубы.

Указанные особенности снижают надежность и компактность трубы.

Целью изобретения является повышение надежности и энергетической эффективности теплообмена трубы.

Поставленная цель достигается тем, что высокотемпературная теплообменная труба содержит засыпку из шаров, имеющих на внешней поверхности рельеф в виде полусферических лунок, выполненных полыми из алюмоборонитридной керамики, размещенных на проволочной спирали из жаростойкого материала, закрепленной на неподвижных проницаемых шайбах, на одной из которых узел крепления спирали включает пружину растяжения, расположенную в зоне более низкой температуры теплоносителя.

В такой теплообменной трубе теплоноситель омывает расположенные на проволочной спирали шары, турбулизируется, закручивается и отбрасывается шарами к стенке трубы, движется вдоль нее с большей скоростью, чем в центре трубы, из-за закрутки и увеличения локальной порозности шаровой засыпки вблизи стенки. Рельеф в виде лунок на внешней поверхности шаров способствует снижению их гидравлического сопротивления [5]
Применение не сплошных, а полых шаров в засыпке вследствие утонения стенок сферических оболочек снижает возникающие в них термические напряжения (Самсонов Ю. А. Прочность судовых ядерных реакторов. Л. Судостроение, 1970, стр. 147,148), повышает надежность работы высокотемпературной теплообменной трубы при тепловых ударах, связанных с изменением режима работы энергетической установки.

Размещение шаров на проволочной спирали, наличие пружинного крепления и вибрация шаров, вызываемая неизбежными пульсациями давления в закрученном потоке теплоносителя, приводят к механическому утонению и разрушению шарами его пристенного слоя, что способствует росту теплоотдачи [6]
Рост теплоотдачи и снижение гидравлического сопротивления приводят к увеличению энергетической эффективности теплообменной трубы. Этому же способствует применение для изготовления шаров высокотеплопроводной алюмоборонитридной керамики.

Применение для изготовления полых шаров алюмо-боронитридной керамики, обладающей высокой теплопроводностью, повышает энергетическую эффективность за счет роста эквивалентной теплопроводности теплоносителя [3, с. 168] а также приводит к росту надежности работы теплообменной трубы за счет снижения градиента температуры в теле шаров и тем самым снижения термических напряжений в них при тепловых ударах. К повышению надежности приводит демпфирующее воздействие шаров на теплообменную трубу в целом.

Использование полых шаров в засыпке существенно уменьшает массу теплообменной трубы и как сверхэффект снижение термических напряжений в теле шаров и повышение надежности трубы.

Применение проволочной спирали с одной пружинной опорой упрощает технологический процесс сборки (разборки) теплообменной трубы и как "сверхэффект" интенсификация теплообмена и демпфирование собственных колебаний теплообменной трубы.

Это новые свойства теплообменной трубы, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует признаку "существенные отличия".

На фиг. 1, 2 показаны продольный разрез теплообменной трубы и вид по стрелке A на фиг. 1; на фиг 3 конструктивное исполнение полого шара засыпки с рельефной поверхностью наружной стенки.

Высокотемпературная теплообменная труба содержит засыпку из шаров 1, имеющих на внешней поверхности 2 рельеф в виде полусферических лунок 3, выполненных полыми из алюмоборонитридной керамики, размещенных на проволочной спирали 4 из жаростойкого материала, закрепленной на неподвижных проницаемых шайбах 5, 6, на одной из которых узел крепления спирали 4 включает пружину растяжения 7, расположенную в зоне более низкой температуры теплоносителя.

При работе теплоноситель поступает в трубу через неподвижную проницаемую шайбу 5, обтекает полые керамические шары 1, имеющие на внешней поверхности 2 рельеф в виде полусферических лунок 3, размещенные на проволочной спирали 4 из жаростойкого материала, закрепленной на неподвижных проницаемых шайбах 5, 6, на одной из которых узел крепления спирали включает пружину растяжения 7, турбулизируется, обеспечивает требуемый теплосъем и через шайбу 6 удаляется (стрелка 8) из теплообменной трубы.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет:
увеличить энергетическую эффективность теплообменной трубы за счет дополнительной интенсификации теплообмена при механическом разрушении пристенного слоя теплоносителя подвижными шарами засыпки и снижения гидравлического сопротивления при омывании рельефной наружной поверхности полых шаров;
повысить надежность работы теплообменной трубы за счет выполнения шаров полыми, уменьшения толщины стенок шаровых оболочек, снижения перепада температур в них и тем самым уменьшения термических напряжений в теле шаров, а также демпфирования ее собственных колебаний;
уменьшить массу теплообменной трубы;
упростить технологический процесс сборки (разборки) теплообменной трубы; повысить качество этого процесса.

Использование: в транспортной энергетике. Сущность изобретения: теплообменная труба содержит засыпку из шаров, уложенных по спирали и ограниченных неподвижными проницаемыми шайбами. На внешней поверхности полых шаров-турбулизаторов, изготовленных из алюмоборонитридной керамики, выполнен рельеф в виде полусферических лунок. Шары размещены на проволочной спирали из жаростойкого материала, укрепленной на ограничивающих засыпку проницаемых шайбах, причем на одной из них - с помощью пружины растяжения. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Высокотемпературная теплообменная труба, содержащая засыпку из шаров, уложенных по спирали и ограниченных неподвижными проницаемыми шайбами, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и энергетической эффективности, шары имеют на внешней поверхности рельеф в виде полусферических лунок. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что шары выполнены полыми. 3. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что шары размещены на проволочной спирали из жаростойкого материала, закрепленной на указанных шайбах. 4. Труба по п.1, отличающаяся тем, что узел крепления спирали на одной из шайб включает пружину растяжения. 5. Труба по п.1, отличающаяся тем, что шары изготавливают из алюмоборонитридной керамики.