ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА Российский патент 1997 года по МПК F28F1/42 F28D7/10 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники.

Известен теплообменник типа "труба в трубе", внутренняя труба которого выполнена в виде сильфона [1]
Недостатком данного устройства является невозможность изменения высоты выступов и глубины впадин для изменения интенсивности теплоотдачи.

Известна теплообменная труба с кольцевыми канавками на наружной поверхности и соответствующими выступами на внутренней поверхности [2]
Недостатком данного устройства является невозможность изменения высоты выступов в соответствии с изменениями параметров потока в трубе в процессе работы теплообменного устройства.

Известна теплообменная труба, содержащая турбулизирующую вставку в виде спиральных секций, причем для регулирования интенсивности теплообмена путем изменения степени турбулизации потока по оси трубы размещен с возможностью продольного перемещения шток, а секции имеют форму конических спиралей, вершины которых закреплены на штоке, а основание у стенок трубы [3]
Недостатком данного устройства является высокое гидравлическое сопротивление вследствие турбулизации всего потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройстве (прототипом) является теплообменная труба с размещенной внутри нее спиральной лентой, один конец которой жестко закреплен на стенке трубы, причем для интенсификации и регулирования процесса теплообмена она снабжена устройством для изменения шага закрутки ленты [4]
Недостатком данного устройства является высокое гидравлическое сопротивление вследствие воздействия спиральной ленты, интенсифицирующей процесс теплообмена, на весь поток теплоносителя.

Заявляемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства посредством регулирования интенсивности теплообмена.

Для решения указанной задачи в теплообменной трубе, оснащенной расположенным соосно упругим элементом, один конец которого жестко закреплен на стенке трубы, а другой выполнен с возможностью продольного перемещения, упругий элемент выполнен трубчатым с выдавленным обращенным в поток деформируемыми кольцевыми выступами и размещен внутри и/или снаружи теплообменной трубы с контактом по всей ее длине.

Использование в теплообменных трубах различного вида элементов, интенсифицирующих процесс теплообмена, установленных с перекрытыми поперечного сечения трубы или просто выходящих за размеры пограничного слоя, приводит к значительным гидравлическим потерям и, следовательно, к высоким значениям мощности на прокачку теплоносителя. Поэтому целесообразно использовать интенсифицирующие процесс теплообмена элементы с размерами не более толщины пограничного слоя. Это резко уменьшит гидравлическое сопротивление.

Основная часть термического сопротивления в потоке газов и жидкостей приходится на пристенную область. Для чисел Прандтля Pr от 0,72 до 20 основная часть термического сопротивления потока приходится на вязкостный подслой и промежуточную область пограничного слоя (от 84% до 99%) (N.H. Afgan, Fundamental Heat And Mass Transfer Research In The Development Of New Heat Exchangers Concepts // 1993 ICHMT International Symposium On New Development In Heat Exchangers. Lisbon. Portugal. Paper L.1.). Поэтому интенсификация конвективной теплоотдачи должна осуществляться в вязкостном подслое и переходной области развитой турбулентности, что полностью подтверждает допущение о том, что высота элементов, интенсифицирующих процесс теплообмена, должна быть сравнима по размеру с суммарной толщиной вязкостного подслоя и промежуточной области пограничного слоя.

Оптимальная высота h_орт выступов, шероховатостей и т.п. в трубах при течении газов и жидкостей определяется формулой:
,
где ε коэффициент гидравлического сопротивления в трубе, который зависит от числа Рейнольдса Re (для турбулентного режима течения в трубе e рассчитывается по формуле Блазиуса: e 0,3164/Re^0,25);
R радиус трубы по гладкой части;
n коэффициент, для газов n 30, для жидкостей n 5. (Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. М. Энергия, 1980).

Повышение теплоотдачи в трубе посредством кольцевых поперечных выступов a_и/α_гл(α_и коэффициент теплоотдачи в теплообменной трубе с кольцевыми поперечными выступами, α_гл коэффициент теплоотдачи в гладкой пустой трубе) позволяет получать более выгодное соотношение между количеством тепла Q, снятого со стенки трубы, и мощностью прокачивания теплоносителя через трубу N (Калинин Э.К. и др. Интенсификация теплообмена в канала. М. Машиностроение, 1972). Оптимальная высота выступов h_орт в теплообменной трубе, позволяющая обеспечивать максимум соотношения α_и/α_гл при возможно наибольшей величине Q/N, зависит от параметров потока в трубе: чисел Прандтля Pr и Рейнольдса Re, которые связаны с типом и расходом теплоносителя, его температурой. Оптимальная высота выступов h_орт уменьшается при увеличении чисел Pr и Re турбулентного режима.

В существующем энергооборудовании высота выступов h в теплообменных трубах остается неизменной при работе оборудования в условиях изменения теплогидравлических параметров потока. Следовательно, при отклонении параметров потока от номинальных значений неизменная высота выступов h приводит к неоптимальной работе теплообменной трубы к перерасходу мощности на прокачку, немаксимальной интенсификации теплообмена α_и/α_гл.

Для оптимальной работы теплообменной трубы и энергооборудования в целом, когда в процессе эксплуатации изменяется расход теплоносителя, его температура или вид теплоносителя, влияющие на числа Pr и Re и тем самым на толщину пограничного слоя, необходима возможность регулирования высоты выступов h, т. е. возможность установки оптимальной величины h_орт, наиболее близкой к толщине пограничного слоя.

Для регулирования интенсивности теплоотдачи необходимо обеспечить изменение высоты выступов на поверхности трубы во время работы устройства. Коэффициент теплоотдачи в теплообменной трубе с кольцевыми выступами α_и сильно зависит даже от малых изменений высоты выступов h при фиксированных величинах чисел Pr и Re потока. Поэтому предлагаемую теплообменную трубу целесообразно использовать также и в том случае, когда необходимо регулировать уровень теплоотдачи в трубах. Это регулирование позволяет изменять уровень теплоотдачи при постоянном расходе теплоносителя. Это значительно выгоднее и проще по сравнению с изменением расхода теплоносителя (Пономарев-Степной Н. Н. Глушков Е.С. Профилирование ядерного реактора. М. Энергоатомиздат, 1988). Опыты показывают, что при течении воздуха Pr 0,72) в теплообменной трубе с кольцевыми выступами при постоянном числе Re, равном Re 20000, интенсификация теплообмена достигает значений α_и/α_гл 1,28 при отношении t/D 0,5 и h/R 0,01 и α_и/α_гл 2,69 при t/D 0,5 и h/R 0,1 (t шаг между выступами; D и R внутренний диаметр и радиус по гладкой части трубы; для турбулентного режима выбирают t (10 30)h и h/R 0,02 0,1) (Олимпиев В.В. Интенсификация конвективного теплообмена путем применения дискретной шероховатости // Интенсификация процессов тепломассообмена в энергетических и технологических установках. М. МЭИ, 1989).

В предлагаемой теплообменной трубе для ее нормального функционирования необходим гарантированный радиальный зазор между концентрично расположенными теплообменной трубой и трубчатым упругим элементом с выступами. Наличие радиального зазора позволяет перемещать трубчатый элемент относительно теплообменной трубы. От величины зазора зависит его термическое сопротивление. Поэтому величина зазора должна выбираться таким образом, чтобы его термическое сопротивление было незначительным по сравнению с суммой термических сопротивлений теплоотдачи на теплообменных поверхностях конструкции. Перенос тепла через среду в малом зазоре осуществляется теплопроводностью и тепловым излучением, вклад последнего при умеренных температурах ничтожен.

Оценка термического сопротивления R зазора между теплообменной трубой и трубчатым элементом с выступами размером δ 0,05 мм, когда по трубе протекает газ и зазор заполнен газом, показывает, что R 1,5•10^-3 (м²•К)/Вт. Если снаружи труба также омывается газом, то коэффициент теплоотдачи к газу в трубе будет примерно равен a 50 Вт/(м²•К), а термическое сопротивление теплоотдачи соответственно R_m 1/a 2•10^-2 (м²•К)/Вт. Следовательно, термическое сопротивление зазора R мало по сравнению с термическим сопротивлением теплоотдачи R_m от стенок к газу, которое определяет коэффициент теплопередачи, однако различие между указанными величинами также незначительно. Для снижения термического сопротивления зазора его необходимо заполнять высокотеплопроводной средой, например, графитовой смазкой, жидкостью и т.п. Оценка термического сопротивления R зазора, когда по трубе протекает газ и зазор заполнен водой, показывает, что R 4,2•10^-5 (м²•К)/Вт при d 0,05 мм.

На фиг. 1 изображена схема теплообменной трубы; на фиг. 2 схема изменения высоты выступов трубы.

Теплообменную трубу 1 оснащают расположенным соосно трубчатым упругим элементом 2 с выдавленными обращенными в поток деформируемыми кольцевыми выступами 3. Упругий элемент 2 обычно размещают внутри теплообменной трубы 1, однако если снаружи труба омывается продольным потоком теплоносителя, то упругий трубчатый элемент 2 устанавливают и снаружи теплообменной трубы. Упругие трубчатые элементы 2 с теплообменной трубой 1 имеют контакт по всей ее длине. Один конец упругого элемента 2 жестко скрепляют со стенкой теплообменной трубы 1, а противоположный скрепляют с теплообменной трубой 1 через приспособление 4, позволяющее производить сжатие или растяжение упругого трубчатого элемента с кольцевыми выступами. В качестве приспособления 4 для сжатия или растяжения может служить, например, пневмо- или гидроцилиндр 5, подвижная пара винт-гайка 6 с нониусом.

Устройство работает следующим образом.

Подают теплоноситель в трубу 1, которая омывается снаружи другим теплоносителем. Настраивают высоту выступов 3 упругого элемента 2 на оптимальную высоту, соответствующую параметрам потока (Pr, Re) с помощью приспособления 4. Конкретную величину высоты выступов 3 устанавливают расчетным либо опытным путем в зависимости от режима течения и вида теплоносителя. В случае изменения параметров потока или в случае необходимости изменения уровня теплоотдачи с помощью приспособления 4 изменяют высоту выступов 3 упругого элемента 2 путем его растяжения и сжатия в осевом направлении. Изменение высоты выступов 3 на упругом трубчатом элементе 2 при изменении параметров потока (Pr, Re) внутри и/или снаружи теплообменной трубы, с целью установления оптимального соотношения между интенсивностью теплоотдачи и мощностью на прокачку теплоносителя, осуществляется растяжением или сжатием упругого трубчатого элемента 2 вдоль оси, при этом цилиндрические участки трубчатого элемента не деформируются, а поперечный профиль выступов 3 испытывает существенную деформацию. Если трубчатый упругий элемент 2 сжимают, то выступы 3 на нем также сжимаются, а их высота увеличивается, и наоборот.

Использование: в теплотехнических устройствах на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники. Сущность изобретения: теплообменную трубу 1 оснащают расположенными соосно трубчатым упругим элементом 2 с выдавленными обращенными в поток деформируемыми кольцевыми выступами 3. Упругий элемент 2 обычно размещают внутри теплообменной трубы 1, однако если снаружи труба омывается продольным потоком теплоносителя, то упругий трубчатый элемент 2 устанавливают и снаружи теплообменной трубы. Упругие трубчатые элементы 2 с теплообменной трубой 1 имеют контакт по всей ее длине. Один конец упругого элемента 2 жестко скрепляют со стенкой теплообменной трубы 1, а противоположный скрепляют с теплообменной трубой 1 через приспособление 4, позволяющее производить сжатие или растяжение упругого трубчатого элемента с кольцевыми выступами. В качестве приспособления 4 для сжатия или растяжения может служить, например, пневмо- или гидроцилиндр 5, подвижная пара винт-гайка 6 с нониусом. 2 ил.

Теплообменная труба, оснащенная расположенным соосно упругим элементом, один конец которого жестко закреплен на стенке трубы, а другой выполнен с возможностью продольного перемещения, отличающаяся тем, что упругий элемент выполнен трубчатым с обращенными в поток деформируемыми кольцевыми выступами и размещен внутри и/или снаружи теплообменной трубы с контактом по всей ее длине.