СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ВИХРЕВОГО ТЕПЛООБМЕННОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 1998 года по МПК F28D7/10 F28F13/12 

Изобретение относится к способу работы вихревого теплообменного элемента, снабженного завихрителями потока, реализация которого позволяет интенсифицировать теплообмен за счет использования четвертого способа переноса теплоты, а именно вихревого способа переноса теплоты, и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности, в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок, реакторостроении, позволяя уменьшить массу и габариты теплообменного оборудования и т.д.

Известен способ работы теплообменного элемента [1] включающий подачу теплоносителей в теплообменный элемент, закрутку потоков среды, протекающей в межтрубном пространстве и вывод вышеуказанных теплоносителей, а теплообменный элемент для его реализации выполнен по типу "труба в трубе", внутренняя из труб которого снабжена наружными продольными расчлененными и сплошными ребрами, в котором с целью интенсификации теплообмена путем закручивания потока среды, протекающей в межтрубном пространстве, между смежными ребрами размещены пары расчлененных ребер с элементами, расположенными в каждом ребре под одинаковыми углами к продольной оси, а в смежных симметрично относительно нее, и кромки каждого элемента отогнуты по винтовой линии.

Недостатками такого способа работы теплообменного элемента являются низкий коэффициент теплопередачи вследствие малого коэффициента теплоотдачи с его внутренней стороны и не использование закрученных потоков среды, протекающих в межтрубном пространстве, для вихревого переноса теплоты.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ работы вихревого теплообменного элемента [2] включающий подачу теплоносителей в теплообменный элемент, закрутку потока среды, проходящего через завихритель потока, и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревое теплообменное устройство (элемент) для его реализации содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы, при этом трубы установлены одна в другой неподвижно (без возможности вращения), а завихритель, обеспечивающий закрутку потока, выполненный в виде дискретного наружного оребрения, установлен на входном участке.

Недостатком такого способа работы теплообменного устройства является его неэффективность, так как наряду со случайным достижением высокого коэффициента теплопередачи на отдельном участке элемента, на другом участке в то же время коэффициент теплопередачи оказывается малым вследствие неправильно подобранных характеристиках теплообменного устройства, а также в определенных случаях, зависящих от температур теплоносителей, движущихся во внутренней трубе и трубе большего диаметра устройства, работа последнего оказывается неэффективной на всей длине устройства, где теплоноситель движется во вращающемся потоке.

Цель изобретения интенсификация теплообмена.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента, включающем подачу теплоносителей с заданной температурой на входе в теплообменный элемент, закрутку проходящего через завихритель потока, разделение потока среды на концентрические относительно оси элемента слои в сечениях по длине последнего в порядке изменения плотности среды и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревой теплообменный элемент для его реализации содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы по меньшей мере в одной из которых, например в трубе большого диаметра, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами установлено по меньшей мере два завихрителя потока, причем второй по ходу теплоносителя завихритель потока размещен на расстоянии от завихрителя потока, расположенного в вышеуказанном случае на входном участке трубы большего диаметра, а по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных теплообменных труб установлено регулирующее запорное устройство для заданных теплоносителей и известных их температур на входе каждого из них в теплообменный элемент, максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств, установленных по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб вихревого теплообменного элемента, и расстояния между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока путем смещения в осевом направлении теплообменного элемента последующих завихрителей потока.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с аналогом и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков предлагаемого решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен вихревой теплообменный элемент; на фиг. 2, 3 - вихревой теплообменный элемент; на фиг. 4 характерные кривые распределения окружных скоростей ω′ и ω″ по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя потока; на фиг. 5 изменение температуры горячего и холодного теплоносителей при прямотоке; на фиг. 6, 8 фрагмент процесса замещения частиц среды в сечении А-А вихревого теплообменного элемента на фиг. 3; на фиг. 7 изменение температуры горячего и холодного теплоносителей при противотоке; на фиг. 9 характерные кривые распределения окружных скоростей ω′ и ω″ по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя потока; на фиг. 10 сечение Б-Б на фиг. 2 с закрученным потоком среды в трубе при симметричном входе в завихритель потока; на фиг. 11 сечение Б-Б на фиг. 2 с закрученным потоком среды в трубе при несимметричном входе в завихритель потока; на фиг. 12, 13 вихревой теплообменный элемент; на фиг. 14 завихритель потока с поворотными лопатками; на фиг. 15 завихритель потока с поворотными лопатками.

В способе оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 1), включающем подачу теплоносителей с заданной температурой на входе в теплообменный элемент, закрутку проходящего через завихритель 2 потока, разделение потока среды на концентрические относительно оси 3 элемента 1 слои в сечениях по длине последнего 1 в порядке изменения плотности среды и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревой теплообменный элемент 1 для его реализации содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы 4, 5 по меньшей мере в одной из которых, например в трубе большего диаметра 5, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами 4, 5 установлено по меньшей мере два завихрителя потока 2, 6, причем второй по ходу теплоносителя завихритель потока 6 размещен на расстоянии l от завихрителя потока 2, расположенного в вышеуказанном случае на входном участке 7 трубы большего диаметра 5, а по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных теплообменных труб 4, 5 установлено регулирующее запорное устройство 8, 9, 10, 11 для заданных теплоносителей и известных их температур на входе каждого из них в теплообменный элемент 1, максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств 8, 9, 10, 11, установленных по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1, и расстояния l (±x) между выходным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя потока 6 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 6 (фиг.1).

При этом максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования расстояния b (±x) между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 13, при этом вышеуказанные завихрители потока 12, 13 устанавливаются по меньшей мере в одной внутренней трубе 4 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 2); максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования расстояния l и b (±x) между выходным сечением 1-1 и 3-3 расстояния по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2, 12 и входным сечением 2-2 и 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 6, 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 6, 13, при этом вышеуказанные завихрители потока 2, 6, 12, 13 устанавливаются в обеих соосно расположенных одна в другой теплообменных трубах 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 3); максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока ϕ(±β) соответствующего теплоносителя по отношению к оси теплообменного элемента по крайней мере из всех завихрителей потока 2, 6, установленных по меньшей мере в одной из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5, например в трубе большего диаметра 5, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами 4, 5, путем поворота (±β) лопаток вышеуказанных завихрителей потока 2, 6 (фиг. 1).

Способ оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента (фиг. 1) осуществляется в соответствии с законом Ерченко, который гласит: "В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой сред) с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока".

При максимальном значении окружной скорости, большем критического значения, процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанному направлении, т.е. в направлении к периферии потока".

Таким образом, предложенный способ оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента основан на использовании открытого автором четвертого, ранее неизвестного в теплопередаче, вихревого способа переноса теплоты внутри свободно вращающегося потока среды, теплообменивающейся со стенкой трубы теплообменного элемента.

Способ оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента включает подачу теплоносителей с заданной температурой на входе в теплообменный элемент, закрутку проходящего через завихритель 2 потока, разделение потока среды на концентрические относительно оси 3 элемента 1 слои в сечениях по длине последнего 1 в порядке изменения плотности среды и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревой теплообменный элемент 1 (фиг. 1) для реализации способа содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы 4, 5 по меньшей мере в одной из которых, например в трубе большего диаметра 5, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами 4, 5 могут устанавливаться по меньшей мере два завихрителя потока 2, 6. При этом второй по ходу теплоносителя завихритель потока 6 размещается на расстоянии l от завихрителя потока 2, расположенного в вышеуказанном случае на входном участке 7 трубы большего диаметра 5.

С помощью регулирующих запорных устройств 8, 9, 10, 11, установленных на входе и выходе из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5, осуществляется регулирование рабочего давления теплоносителей внутри теплообменного элемента 1 и расхода теплоносителей через последний. От расхода теплоносителей через вышеуказанный элемент 1 зависит средняя скорость теплоносителя в соответствующей трубе 4 или 5 теплообменного элемента 1 в его осевом направлении, а также при прочих равных условиях при наличии закрутки потока зависит и угловая скорость ω′ в выходном сечении соответствующего завихрителя потока 2, 6 и соответственно максимальное значение окружной скорости в вышеуказанном сечении завихрителя потока 2, 6.

В завихрителе 2 трубы большего диаметра 5 происходит закрутка проходящего через него потока теплоносителя, благодаря чему поток, выходящий из завихрителя 2, перемещаясь в осевом направлении элемента 1, одновременно осуществляет и вращательное движение. При этом, в зависимости от температур теплоносителей, поступающих в ту или иную трубу 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1, возможны следующие случаи работы последнего.

Так, при подаче в трубу большего диаметра 5 холодного теплоносителя, а соответственно во внутреннюю трубу 4 горячего теплоносителя, совокупность конструктивных, физических и режимных параметров теплообменного элемента 1 для обеспечения максимального коэффициента теплопередачи должно выполняться условие, при котором максимальное значение окружной скорости (фиг. 4) закрученного потока в завихрителе потока 2 холодного теплоносителя в выходном сечении 1-1 последнего не превышает критического значения при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 14 потока (фиг.4), имеющих температуру холодного теплоносителя в вышеуказанном случае на входе в участок 7 трубы 5. В связи с теплообменом между потоком холодного теплоносителя и наружной поверхностью внутренней трубы 4 до входа в завихритель потока 2, а также при закрутке потока в последнем происходит нагрев холодного теплоносителя в зоне контакта его (пограничном слое) с наружной поверхностью внутренней трубы 4, благодаря чему из завихрителя 2 выходит поток с неоднородным полем плотностей.

При этом плотность периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды оказывается большей в сравнении с плотностью внутренней части потока, имеющей температуру, близкую к температуре горячего теплоносителя t_1(1-1) во внутренней трубе 4 в сечении 1-1 теплообменного элемента 1 (фиг. 1, 5). Поэтому при вышеуказанных условиях, когда в выходном сечении 1-1 завихрителя потока 2 процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока возникает сразу по выходу среды из вышеуказанного завихрителя потока 2 и продолжается вплоть до полного затухания вращательного движения потока, так как процесс нагрева внутреннего кольцевого слоя вихревого потока среды, контактирующего с наружной поверхностью внутренней трубы 4 теплообменного элемента 1, в трубе 5 происходит по всей длине внутренней трубы 4 теплообменного элемента 1, благодаря чему достигается высокая эффективность теплообмена. При этом процесс вихревого переноса теплоты сопровождается и переносом теплоты теплопроводностью, роль которой определяется прежде всего величиной коэффициента теплопроводности холодного теплоносителя, движущегося внутри трубы 5 большего диаметра.

При малом значении коэффициента теплопроводности холодного теплоносителя роль теплопроводности в процессе переноса теплоты становится незначительной, особенно при большой осевой скорости потока. С уменьшением осевой скорости потока ее роль несколько возрастает. Перенос теплоты вихревым способом наиболее целесообразен при использовании в качестве холодного теплоносителя газа, так как газы имеют низкое значение коэффициента теплопроводности в сравнении с коэффициентом теплопроводности капельных жидкостей, поэтому большая разница температур между центральной (внутренней) нагретой зоной потока и ее периферийной зоной, имеющей низкую температуру, будет сохраняться в течение большего промежутка времени при прочих равных условиях, что обеспечивает и большую относительную разницу в плотностях указанных зон потока, а соответственно и интенсивный процесс замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока.

Перемещение тяжелых частиц среды 15 ближе к оси вращения потока происходит по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса их вращения. При этом при переходе на меньший радиус вращения тяжелые частицы, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц среды 16 на указанном радиусе, отдавая часть кинетической энергии другим частицам, менее тяжелым, в результате чего процесс перемещения их (тяжелых частиц) к оси вращения ускоряется, что подтверждается экспериментальными исследованиями (фиг. 6). Процесс взаимного замещения частиц среды в вихревом потоке, имеющих разную плотность, сопровождается затратой работы замещения. Перемещение менее тяжелых частиц 16 в направлении к периферии закрученного потока также происходит по спиралеобразной траектории с увеличением радиуса их вращения.

Для достижения максимального коэффициента теплоотдачи, а соответственно и теплопередачи на последующем участке теплообменного элемента 1 между наружной поверхностью внутренней трубы и холодным теплоносителем, где происходит полное затухание вращательного движения потока, устанавливается по меньшей мере второй завихритель потока 6 (фиг.1), обеспечивающий по крайней мере закрутку потока. При этом, как и в вышеописанном случае, максимальное значение окружной скорости закрученного потока в выходном сечении 5-5 завихрителя потока 6 не должно превышать критического значения В завихрителе потока 6 может осуществляться и дозакрутка потока, когда на входе в завихритель 6 поток продолжает свое вращательное движение. Оптимизация расстояния l (±x) между выходным сечением 1-1 завихрителя потока 2 и входным сечением 2-2 завихрителя потока 6 осуществляется регулированием первого l (±x) путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 завихрителя потока 6 (фиг. 1). Вышеуказанное расстояние l зависит от рода теплоносителя, температур теплообменивающихся сред и многих других факторов. При этом следует отметить, что в связи с изменением температур теплоносителей по длине теплообменного элемента 1 критические значения окружных скоростей потока в выходном сечении 1-1 завихрителя потока 2 трубы большего диаметра 5 и выходном сечении 5-5 завихрителя потока 6 (фиг. (1) являются различными, поэтому и характеристики завихрителей потока 2 и 6 отличаются друг от друга.

В случае расположения завихрителя потока 6 за сечением элемента 1, в котором происходит полное затухание вращательного движения потока, происходит резкое снижение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности внутренней трубы 4 к холодному теплоносителю в трубе 5, так как за вышеуказанным сечением по потоку последний приобретает характер стабилизированного осевого течения в трубе 5 и вихревого переноса теплоты не происходит, значимость которого весьма велика.

Эффективная работа теплообменного элемента 1 возможна также и при подаче в трубу большего диаметра 5 горячего теплоносителя, а соответственно во внутреннюю трубу 4 холодного теплоносителя, но при этом максимальное значение окружной скорости закрученного потока теплоносителя в трубе 5 элемента 1 в выходном сечении 1-1 завихрителя потока 2 должно быть большим критического значения окружной скорости потока в вышеуказанном сечении трубы 5, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности и наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 14 потока (фиг. 7). В этом случае сразу по выходу закрученного потока теплоносителя из завихрителя потока 2 начинается процесс замещения менее тяжелых частиц среды 16 тяжелыми 15 (большей плотности и молекулярной массы) при затухании вращательного движения потока в направлении от оси вращения потока, т.е. к периферии последнего (фиг. 8). Указанный процесс продолжается до тех пор, пока максимальное значение окружной скорости в каком-то сечении потока не достигнет его критического значения. Поэтому второй завихритель потока 6 по ходу теплоносителя (фиг. 1) в последнем случае располагается на расстоянии l от выходного сечения 1-1 предыдущего завихрителя потока 2, не превышающем расстояния, на котором максимальное значение окружной скорости потока во входном сечении 2-2 завихрителя потока 6 достигает его критического значения В завихрителе потока 6 происходит дозакрутка потока и максимальное значение окружной скорости в его выходном сечении 5-5 возрастает до большего значения, чем потока в этом же сечении. Поэтому после выхода потока теплоносителя из вышеуказанного завихрителя потока 6 процесс замещения менее тяжелых частиц теплоносителя тяжелыми частицами в свободно вращающемся потоке в трубе большего диаметра 5 происходит в том же направлении, как и при выходе потока теплоносителя из первого завихрителя потока 2, т.е. в направлении к периферии потока.

Количество завихрителей потока, устанавливаемых в трубе большего диаметра 5 на расстоянии друг от друга, зависит от многих факторов и, в первую очередь, от достигаемого температурного напора на выхода теплоносителей из теплообменного элемента 1, а также от других факторов. Оптимизация расстояния l (±x) между выходным сечением предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с первым последующего завихрителя потока при прочих равных условиях осуществляется в очередности от первой пары смежных завихрителей потока по движению потока среды к последующей паре смежных завихрителей потока.

Движение средней тяжести частиц 17 (фиг. 1, 6) теплоносителя в трубе 5 большего диаметра, т. е. частиц, значение плотности (молекулярной массы) которых находится в промежутке между значениями плотностей вышеуказанных частиц 15 и 16, происходит по более сложной траектории. Эти частицы 17, совершая вращательное движение в потоке теплоносителя и перемещаясь в осевом направлении теплообменного элемента 1, одновременно совершают и свои собственные спиралеобразные круговые вращения с уменьшающимся радиусом собственного вращения в направлении движения потока или к его периферии, что определяется значениями их плотностей (молекулярных масс), процентным содержанием в потоке на соответствующем участке теплообменного элемента 1 по движению потока и местом их расположения в радиальном направлении в последнем, при этом они в потоке находятся во взвешенном состоянии, т.е. вращаются внутри потока. Объясняется вышеизложенное следующим. За счет полученной дополнительной кинетической энергии от тяжелых частиц 15, являющихся наиболее холодными, средней тяжести частицы 17 переходят на увеличенный радиус их вращения в потоке, но движение их в указанном направлении ограничивается приобретенной энергией, которой оказывается недостаточно для дальнейшего перемещения их по спиралеобразной траектории к внутренней поверхности трубы большего диаметра 5, и вследствие быстрого затухания вращательного движения потока указанные частицы 17 начинают собственное круговое вращение в вихревом потоке в направлении к оси вращения потока, так как процесс приобретения дополнительной кинетической энергии и т.д. что описано выше, продолжается до тех пор, пока в процессе их собственного спиралеобразного вращения радиус спирали окажется близким к нулю или незначительным. В рассмотренном случае (фиг. 6) частицы теплоносителя располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности в каждом последующем слое в направлении к оси вращения потока теплоносителя. На фиг. 1, 6 траектория средней тяжести частицы 17 теплоносителя показана условно, так как частица 17, перемещаясь в потоке по своей траектории, одновременно совершает движение вместе с вращающимся потоком теплоносителя. Траекторию указанной частицы 17 можно представить как бы в выделенном и только вращающемся вместе с потоком теплоносителя элементе объема последнего, в котором сама частица 17 совершает свои собственные вращательные движения и при этом перемещается в осевом направлении вихревого теплообменного элемента 1. Для лучшего понимания процесса замещения частиц теплоносителя опущено взаимодействие средней частицы 17 с менее тяжелыми частицами 16 (фиг. 6).

При подаче в трубу большего диаметра 5 горячего теплоносителя, а во внутреннюю трубу 4 холодного теплоносителя в случае, когда максимальное значение окружной скорости в каком-то сечении теплообменного элемента 1 достигает значения, равного а затем продолжает уменьшаться и дальше по длине теплообменного элемента 1 в направлении движения потока теплоносителя, за вышеуказанным сечением теплообменного элемента 1 процесс замещения менее тяжелых частиц теплоносителя в трубе большего диаметра 5 тяжелыми частицами изменяется на противоположное направление, т.е. вышеуказанное замещение происходит в направлении к оси вращения потока, а следовательно, происходит "запирание" вихревого способа переноса теплоты. Иначе говоря, охлажденный пограничный кольцевой слой вращающегося потока у наружной поверхности внутренней трубы 4 прижимается к вышеуказанной поверхности, препятствуя переносу теплоты иным способом, за исключением теплопроводности.

Аналогичная картина возможна и при подаче в трубу большего диаметра 5 холодного теплоносителя, а во внутреннюю трубу 4 горячего теплоносителя, когда максимальное значение окружной скорости потока холодного теплоносителя в выходном сечении (по, например, меньшей мере) завихрителя потока 2 трубы большего диаметра 5 оказывается большим критического значения окружной скорости потока в вышеуказанном сечении, когда наиболее тяжелые частицы (более холодные) теплоносителя еще удерживаются во вращающемся потоке на периферии последнего. В этом случае на участке между выходным сечением 1-1 завихрителя потока 2 и сечением теплообменного элемента 1, в котором максимальное значение окружной скорости потока снижается до его критического значения происходит "запирание" вихревого способа переноса теплоты и коэффициент теплоотдачи между наружной поверхностью внутренней трубы 4 и холодным теплоносителем в трубе большего диаметра 5 резко снижается. В связи с изложенным требуется оптимизация характеристик вихревого теплообменного элемента 1 для обеспечения его эффективной работы при соответствующих условиях его эксплуатации, определяемых различными факторами.

Вихревой способ переноса теплоты от горячей наружной поверхности внутренней трубы 4 вглубь холодного теплоносителя, движущегося во вращающемся потоке внутри трубы большего диаметра 5, позволяет получить высокий коэффициент теплопередачи между средами, когда при этом обеспечивается высокий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны трубы 4, в которой движется горячий теплоноситель. В связи с последним в качестве горячего теплоносителя при гладкой внутренней поверхности трубы 4 и отсутствии в ней различных вставок, интенсифицирующих процесс теплоотдачи, целесообразно использовать жидкость, а также применять различные способы интенсификации теплоотдачи с внутренней стороны трубы 4 и другое.

Вышеуказанное касается и случая, когда в трубу большего диаметра 5 подается горячий теплоноситель, а во внутреннюю трубу 4 холодный теплоноситель, так как для достижения высокого коэффициента теплопередачи между средами коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны трубы 4, в которой движется холодный теплоноситель, должен быть высоким.

В зависимости от назначения вихревого теплообменного элемента 1, рода теплоносителей, подаваемых в трубу большего диаметра 5 и во внутреннюю трубу 4 элемента 1, а также от других факторов максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования расстояния b (±x) между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 13, а все вышеуказанные завихрителя потока 12, 13 при этом устанавливаются по меньшей мере в одной внутренней трубе 4 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 2).

Процесс переноса теплоты из глубины закрученного горячего потока теплоносителя к внутренней боковой поверхности внутренней трубы 4 осуществляется аналогично вышеописанному процессу вихревого переноса теплоты в трубе большего диаметра 5 теплообменного элемента 1 при подаче в последнюю 5 холодного теплоносителя. А именно, совокупностью конструктивных, физических и режимных параметров теплообменного элемента 1 для обеспечения максимального коэффициента теплопередачи должно выполняться условие, при котором максимальное значение окружной скорости (фиг. 2, 4) закрученного потока горячего теплоносителя в выходном сечении 3-3 и 6-6 каждого завихрителя потока 12, 13 не превышает критического значения при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 18 потока (фиг. 4), имеющих температуру, например, в выходном сечении 3-3 завихрителя потока 12, близкую к температуре t_2(3-3) (фиг. 2, 5) холодного теплоносителя в этом же сечении 3-3 теплообменного элемента 1.

В связи с интенсивным охлаждением периферийного кольцевого слоя горячего теплоносителя еще в процессе закрутки потока из завихрителя 12 выходит поток с неоднородным полем плотностей. При этом плотность периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды вследствие охлаждения его оказывается большей в сравнении с плотностью центральной части потока, имеющей температуру горячего теплоносителя на входе в завихритель потока 12. Поэтому при вышеуказанных условиях, когда в выходном сечении 3-3 завихрителя потока 12 процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды 19 тяжелыми частицами 20 в направлении к оси вращения потока (фиг. 6) возникает сразу по выходе среды из вышеуказанного завихрителя потока 12 и может продолжаться вплоть до полного затухания вращательного движения потока (определяется месторасположением смежного завихрителя потока 13 в направлении движения потока), так как процесс охлаждения периферийного кольцевого слоя вихревого потока происходит по всей длине теплообменного элемента 1, а соответственно внутренней теплообменной трубы 4, благодаря чему достигается высокая эффективность теплообмена. При этом процесс вихревого переноса теплоты, как уже отмечалось выше, сопровождается теплопроводностью, роль которой определяется величиной коэффициента теплопроводности и другими физическими характеристиками горячего теплоносителя, движущегося внутри трубы 4.

При малом значении коэффициента теплопроводности горячего теплоносителя роль теплопроводности в процессе переноса теплоты становится незначительной, особенно при большой осевой скорости потока. С уменьшением осевой скорости потока ее роль несколько возрастает. Перенос теплоты вихревым способом во внутренней трубе 4 наиболее целесообразен при использовании в качестве горячего теплоносителя газа из-за его малого коэффициента теплопроводности в сравнении с коэффициентами теплопроводности капельных жидкостей, в связи с чем относительная разница плотностей охлажденных и горячих частиц газового теплоносителя во внутренней трубе 4 оказывается значительной.

Перемещение тяжелых частиц 20 среды и менее тяжелых частиц 19 соответственно ближе к оси вращения и в направлении к периферии потока (фиг. 6) происходит по спиралеобразной траектории, как описывалось выше. Движение частиц среды средней тяжести аналогично движению частиц средней тяжести 17 в трубе большего диаметра 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 6). При этом процесс взаимного замещения одних частиц другими частицами сопровождается затратой работы замещения.

Оптимальное расстояние b (±x) между выходным сечением 3-3 каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13, как отмечалось выше, устанавливается путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 13.

При этом вышеуказанное расстояние b (±x), как правило, не превышает расстояние, на котором между смежными завихрителями потока происходит полное затухание вращательного движения потока теплоносителя, закрученного в предыдущем завихрителе потока.

Следует отметить, что при входе среды в последующий завихритель потока по движению потока в закрученном состоянии уменьшаются гидравлические потери в самом завихрителе потока.

В необходимых случаях эффективная работа теплообменного элемента 1 за счет использования вихревого способа переноса теплоты может достигаться и при подаче во внутреннюю трубу 4 холодного теплоносителя, а соответственно в трубу большего диаметра 5 горячего теплоносителя, но при этом максимальное значение окружной скорости закрученного потока теплоносителя в выходных сечениях 3-3, 6-6 завихрителей потока 12, 13 внутренней трубы 4 элемента 1 (фиг. 2) должно быть большим критического значения окружной скорости потока в вышеуказанных сечениях внутренней трубы 4, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности и наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 18 потока (фиг. 7).

Процесс переноса теплоты в глубину закрученного холодного потока теплоносителя от внутренней боковой поверхности внутренней трубы 4 осуществляется аналогично вышеописанному процессу вихревого способа переноса теплоты в трубе большего диаметра 5 теплообменного элемента 1 при подаче в последнюю горячего теплоносителя (фиг. 7, 8). Процесс замещения менее тяжелых частиц 21 среды тяжелыми частицами 22 в этом случае во внутренней трубе 4 происходит согласно фиг. 8.

При этом во входном сечении 4-4 каждого последующего завихрителя потока 13 (фиг. 2) максимальное значение окружной скорости потока не должно быть меньше ее критического значения так как в противном случае еще до входа в последующий завихритель 13, начиная от сечения потока, в котором процесс замещения менее тяжелых частиц среды 21 на тяжелые частицы 22 начнет происходить в обратном направлении, а на вышеуказанном участке вихревого теплообменного элемента произойдет "запирание" вихревого (способа) переноса теплоты.

Использование вихревого способа переноса теплоты одновременно в обеих расположенных одна в другой теплообменных трубах 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 3) позволяет достичь максимально возможного коэффициента теплопередачи при прочих равных условиях и соответственно значительно уменьшить габариты теплообменного элемента. При этом максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования расстояния l (±x) и b (±x) между выходным сечением 1-1 и 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2, 12 и входным сечением 2-2 и 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 6, 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 6,13, для чего вышеуказанные завихрители потока 2, 6, 12, 13 устанавливаются в обеих вышеуказанных теплообменных трубах 4, 5 элемента 1 (фиг. 3).

Процессы вихревого переноса теплоты, происходящие при этом в каждой из теплообменных труб 4, 5 теплообменного элемента 1, аналогичны вышеописанным процессам, происходящим при установке завихрителей потока в одну из двух теплообменных труб 4, 5 теплообменного элемента 1.

В зависимости от назначения вихревого теплообменного элемента 1, а таковым может быть не только отдельно взятый элемент 1, а часть конструкции, например реактор, требований к его характеристикам и другим причинам в трубу большего диаметра 5 может подаваться как холодный, так и горячий теплоноситель, а соответственно во внутреннюю трубу 4 при этом подаваться горячий или холодный теплоноситель.

В зависимости от применяемого направления движения теплоносителей, а именно, прямоток или противоток (фиг. 1, 2, 3, 5, 9), при прочих равных условиях расстояния l (±x) и b (±x) между каждой сходственной парой смежных завихрителей потока 2, 6 и 12, 13 в каждой из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 будут изменяться (фиг. 1, 2, 3, 5, 9), так как величины температурных напоров в соответствующих сечениях теплообменного элемента 1 при прямотоке и противотоке оказываются различными (фиг. 5, 9).

Так как в сечениях по длине вихревого теплообменного элемента 1 происходит изменение не только температурного напора Δt между теплообменивающимися средами, но и изменяются абсолютные значения температур (фиг. 5, 9), а следовательно, изменяется и плотность сред. Поэтому критические значения окружных скоростей теплоносителей в соответствующих сечениях теплообменного элемента 1 также изменяются по длине последнего 1, что приводит к тому, что для обеспечения эффективной работы вихревого теплообменного элемента 1 характеристики завихрителей потока, устанавливаемых соответственно в трубе большего диаметра 5 и во внутренней трубе 4, в каждой из последних должны изменяться для обеспечения оптимального угла выхода потока теплоносителя из соответствующего завихрителя потока (фиг. 1, 2, 3).

В связи с последним максимальная теплопередача вихревого теплообменного элемента 1 достигается путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока соответствующего теплоносителя по крайней мере из всех завихрителей потока 2, 6, установленных по меньшей мере в одной из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5, например в трубе большего диаметра 5, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами 4, 5, путем поворота (±β) лопаток вышеуказанных завихрителей потока (фиг. 1).

При установке завихрителей потока 12, 13 во внутренней трубе 4, а также установке завихрителей потока 2, 6, 12, 13 (фиг. 2, 3) в обеих трубах 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 максимальная теплопередача последнего достигается также путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока ϕ(±β) из вышеуказанных завихрителей потока по отношению к оси теплообменного элемента 1 путем поворота (±β) лопаток завихрителей потока.

В зависимости от рода теплоносителей, их физических характеристик, подаваемых в вихревой теплообменный элемент 1, также требуется оптимизация характеристик последнего для обеспечения эффективной его работы.

В зависимости от применяемого направления движения теплоносителей в вихревой теплообменном элементе 1, т.е. прямотока или противотока (фиг. 1, 2, 3, 5, 9) угол ϕ(±β) выхода потока горячего теплоносителя по отношению к оси теплообменного элемента 1 по крайней мере из каждого последующего завихрителя потока 13, например, внутренней трубы 4, может по отношению к оси теплообменного элемента 1 при осуществлении регулирования его уменьшаться или увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 2). Это связано с тем, что при прямотоке температура холодного теплоносителя снаружи трубы 4 в направлении движения потока увеличивается (фиг. 5), в связи с чем температура охлаждаемого периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды внутри трубы 4 в вышеуказанном направлении также увеличивается, а следовательно, снижается в том же направлении за счет уменьшения плотности среды в периферийной зоне 18 потока (фиг. 5).

Поэтому для обеспечения эффективных условий теплообмена угол ϕ(±β) закрутки потока целесообразно при осуществлении регулирования уменьшать, в противном случае эффективность переноса теплоты вихревым способом будет снижаться.

При противотоке (фиг. 9) наблюдается обратная картина, температура холодного теплоносителя в трубе большего диаметра 5 в направлении движения потока горячего теплоносителя во внутренней трубе 4 элемента 1 уменьшается, поэтому для удерживания более холодных частиц среды в периферийной зоне 18 вращающегося потока во внутренней трубе 4, имеющих соответственно большую плотность в сравнении с плотностью их на входе в трубу 4, требуются более высокие значения (фиг. 5), для чего угол ϕ для достижения максимальной эффективности теплообмена целесообразно увеличивать в направлении движения потока теплоносителя во внутренней трубе 4.

В связи с тем, что в определенных случаях угол v выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя потока 13 по отношению к оси теплообменного элемента 1 может уменьшаться или увеличиваться (±β) при регулировании его для оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента 1, что приводит к менее или более значительной закрутке вихревого потока, а в соответствии с этим изменяется и длина участка, на котором происходит за выходным сечением завихрителя потока полное затухание вращательного движения потока. Поэтому в первом случае одновременно с уменьшением угла ϕ для интенсификации переноса теплоты вихревым способом расстояние b (±x) между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 (фиг. 2) по ходу потока может уменьшаться в направлении движения потока. Во втором случае при увеличении угла v(±β) с целью уменьшения гидравлических потерь расстояния b между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 по ходу потока может увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 2).

При этом вышеуказанное уменьшение или увеличение расстояния b (±x) в направлении движения потока в ряде случаев, исходя из заданных характеристик теплообменного элемента по теплопередаче, может выполняться независимо от уменьшения или увеличения угла ϕ(±β) выхода потока горячего теплоносителя по отношению к оси вихревого теплообменного элемента 1 по крайней мере из каждого последующего завихрителя потока.

В зависимости от необходимой степени закрутки, обеспечивающей соответствующую максимальную окружную скорость в выходном сечении завихрителя потока, по крайней мере все завихрители потока могут быть выполнены одного типа, например, лопаточного или шнекового типа, а также завихрители потока по меньшей мере на одном из участков, например внутренней трубы 4, могут быть выполнены одного типа, а на по меньшей мере на втором участке они могут быть выполнены другого типа, отличающегося от первого.

Применение того или иного направления движения горячего и холодного теплоносителей в теплообменном элементе 1, а именно, прямотока или противотока (фиг. 1, 2, 3, 5, 9), определяется требованиями тепловой эффективности вихревого теплообменного элемента, конструктивными и другими соображениями.

Вышеназванными причинами может также определяться направление вращения закрученных потоков горячего и холодного теплоносителей в вихревом теплообменном элементе 1, которое может осуществляться в одном направлении в обеих теплообменных трубах 4 и 5 (фиг. 6), а также может осуществляться в вышеуказанных трубах 4 и 5 во взаимно противоположных направлениях (фиг. 8).

Закрутка потоков на начальных участках (входных) в теплообменные трубы 4 и 5 может осуществляться различными способами. Наиболее распространенными из них являются способы закрутки потока с использованием лопаточных, шнековых, тангенциальных и тангенциально-лопаточных завихрителей потока, устанавливаемых на входе в соответствующий канал теплообменных труб 4 и 5.

Наибольшая эффективность в работе вихревого теплообменного элемента 1 при использовании различного типа завихрителей потока достигается в случае, когда в выходном сечении соответствующего завихрителя потока центр ("нулевая точка" 0), вокруг которого вращается среда, расположенная, например, в приосевой зоне внутренней трубы 4, и в котором давление минимальное, совпадает с осью вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 10). Последнее достигается использованием многозаходных шнековых завихрителей потока с симметричным выходом из них закрученного потока, а при тангенциальной закрутке - симметричным входом среды в трубы 4 и 5 относительно оси теплообменного элемента 1.

В случае несимметричного входа закрученного потока, например, в трубу 4, что касается и трубы 5, "нулевая точка" 0 смещается эксцентрично от оси трубы 4 и вместе с вихревым потоком совершает круговые движения вокруг оси последней 4 (фиг. 11). Причем перемещающиеся к оси вращения потока тяжелые частицы за счет большей их угловой скорости совершают одновременно вращение и вокруг "нулевой точки" 0, как показано на фиг. 11. "Нулевая точка" 0 каждого последующего сечения потока в направлении его движения оказывается повернутой на угол друг относительно друга, т.е. по отношению к предыдущему сечению.

Изменения структуры вихревого потока при несимметричном входе среды в теплообменные трубы 4 и 5 вихревого теплообменного элемента 1 приводят к неравномерности теплоотдачи по окружности внутренней трубы 4 с обеих ее сторон, а эффективность вихревого переноса теплоты несколько снижается. Особенно это сказывается на теплообмене между наружной поверхностью внутренней трубы 4 и холодным теплоносителем в трубе большего диаметра 5, а также в иных случаях. Лопаточные завихрители потока обеспечивают симметричный ввод среды в теплообменые трубы 4 и 5.

Длина участка теплообменной трубы, на котором теплообмен осуществляется вихревым переносом теплоты в значительной степени зависит от состояния поверхности трубы, с которой соприкасается вращающийся поток. При гладкой внутренней поверхности трубы 5 и обеих поверхностей трубы 4 процесс затухания вращательного движения потока происходит продолжительнее, чем при шероховатых поверхностях. Следовательно, в общем случае эффективнее использовать вихревые теплообменные трубы теплообменного элемента с гладкими поверхностями, так как коэффициент теплоотдачи в указанном случае имеет повышенное значение на большем по длине участке за выходным сечением завихрителя потока.

При этом необходимо отметить, что в ряде случаев, когда максимальное значение окружной скорости потока ω_макс в выходном сечении каждого из последовательно установленных завихрителей потока не превышает ее критического значения ω_кр в вышеуказанном сечении, т.е. процесс замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми частицами направлен к оси теплообменного элемента 1, шероховатая внутренняя поверхность теплообменной трубы элемента ускоряет вышеуказанный процесс замещения частиц теплоносителя при отдаче теплоты от последнего к шероховатой поверхности теплообменной трубы. Последнее приводит к росту коэффициента теплопередачи вихревого теплообменного элемента и уменьшению за счет этого его длины, что обеспечивает незначительное изменение гидравлического сопротивления теплообменного элемента в ту или иную сторону.

При оптимальных условиях работы внутренней трубы 4 гидравлическое сопротивление обеих теплообменных труб 4 и 5 вихревого теплообменного элемента 1, как показывают эксперименты, может быть даже меньше, чем при только осевом движении теплоносителей внутри теплообменных труб 4 и 5 при прочих равных условиях, что достигается значительным сокращением длины вихревого теплообменного элемента 1 за счет резкого увеличения коэффициента теплопередачи.

Критические значения окружных скоростей при которых еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 14 и 18 соответственно теплообменных труб 5 и 4 (фиг. 5, 9), зависят от природы теплоносителей, внутренних диаметров труб 4 и 5, направления движения теплоносителей (прямоток или противоток), режимных параметров: температур холодного и горячего теплоносителей и ряда других факторов. Значения критических окружных скоростей при вышеуказанных условиях определяются экспериментальным путем в процессе оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента 1 путем достижения максимального значения местного коэффициента теплоотдачи в соответствующих сечениях потоков за выходными сечениями завихрителей сечениями завихрителей потока в теплообменных трубах 4 и 5.

Моменты достижения критических значений окружных скоростей закрученных потоков среды в трубе большего диаметра 5 и во внутренней трубе 4 в соответствующих сечениях теплообменного элемента 1 могут фиксироваться по резкому снижению местного коэффициента теплоотдачи, вызванному наступлением "запирания" вихревого переноса теплоты.

Необходимые максимальные значения окружных скоростей потоков на выходе из завихрителей потока теплообменных труб 4 и 5, при которых обеспечиваются максимальные значения коэффициентов теплоотдачи, а соответственно и коэффициента теплоперадачи теплообменного элемента 1, достигаются при комплексном выборе необходимых типа и геометрических характеристик завихрителей потока путем изменения (регулирования) режимных параметров работы вихревого теплообменного элемента, регулирования расстояния между смежными завихрителями потока и угла выхода потока по отношению к оси теплообменного элемента по крайней мере из каждого завихрителя потока, установленного внутри каждой из теплообменных труб теплообменного элемента.

Перемещение завихрителей потока внутри теплообменных труб 4 и 5 может осуществляться различными способами. Рассмотрим в качестве примера некоторые из них. Одним из способов перемещения завихрителей потока 13, 23 в осевом направлении теплообменного элемента 1, установленных за входным во внутреннюю трубу 4 завихрителя потока 12, может быть такой, как представлен на фиг. 12. Завихритель потока 13 размещен на стержне 24 круглого поперечного сечения, причем торец стержня, обращенный навстречу потоку, выполнен обтекаемым или заостренным. Последующий завихритель потока 23 размещен на полом стержне 25, внутри которого свободно проходит вышеуказанный стержень 24 круглого поперечного сечения завихрителя потока 13.

Выход наружу вышеуказанных стержней 24, 25 осуществляется по меньшей мере через сальниковое уплотнение 26 в стенке колена 27, образованного изгибом участка внутренней трубы 4, расположенного снаружи трубы большего диаметра 5 теплообменного элемента 1. Для исключения проворачивания завихрителей потока 13, 23 внутри теплообменной трубы 4 под воздействием на их лопатки набегающего потока теплоносителя в стенке с внутренней стороны трубы 4 может выполняться по меньшей мере одна продольная канавка (паз), в который входит выступ соответствующего завихрителя потока 13, 23.

Перемещение последующих завихрителей потока, например 6, размещенных в трубе большего диаметра 5 для осуществления регулирования расстояния между выходным сечением предыдущего завихрителя потока 2 и выходным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока 6, может осуществляться следующим способом. Для этого теплообменная труба 5 большего диаметра 5 выполняется составной, количество участков которой зависит от количества завихрителей потока, размещенных за первым по ходу потока завихрителем потока 2. При этом составные части 28 и 29 трубы 5 выполняются по типу "труба в трубе" с обеспечением осевого перемещения одного из участков относительно ее другого участка, а внутри подвижного участка 29 размещается последующий завихритель потока 6, соединенный с внутренней поверхностью трубы 5. Таким образом, при перемещении одного из участков трубы большего диаметра 5 происходит перемещение и завихрителя потока 6, который свободно охватывает внутреннюю трубу 4 теплообменного элемента 1 (фиг. 13). При этом выход внутренней трубы 4 наружу из подвижного участка 29 осуществляется по меньшей мере через сальниковое уплотнение 30, выполненное в торце 31 трубы большего диаметра 5 вихревого теплообменного элемента 1.

Для обеспечения поворота лопаток завихрителей потока как теплообменной трубы большего диаметра 5, так и внутренней теплообменной трубы 4 могут использоваться различные способы. Так, завихрители потока трубы большего диаметра 5 могут размещаться в проставках 32, стыкуемых с участками теплообменной трубы 5, так как в этом случае последняя выполняется составной (фиг. 1, 14). Проставки представляют из себя короткие участки теплообменной трубы 5, образующие в комплекте с лопатками 33 завихрители потока 2, 6 (фиг. 1, 14). Свободный конец оси 34 каждой лопатки 33 через отверстие в стенке проставки 32 выходит наружу и через рычажную систему 35 соединен с синхронизирующим устройством, выполненным в форме кольца 36, снабженного фиксатором от поворота и расположенного снаружи соосно простанке 32. При повороте кольца 36 на угол ± γ вокруг оси проставки 32 происходит одновременный поворот осей 34 всех лопаток 33 завихрителя потока на соответствующий угол ± b
Завихрители потока 12, 13 с поворотными лопатками внутренней теплообменной трубы 4 вихревого теплообменного элемента 1 могут выполняться составными, включающими лопатки 37, установленные в обойму между двумя соосно расположенными полыми цилиндрами 38, 39 и размещенными один в другом. Лопатки 37 соединены с последними с помощью соосных выступов 40, 41, расположенных с торцев каждой лопатки, один 40 из которых выполнен цилиндрическим и установлен в отверстии наружного цилиндра 38, а другой 41 выполнен с двумя лысками, соприкасающимися с боковой стенкой винтовой фигурой канавки 42 внутреннего цилиндра 39, в которую входит выступ 41, Наружный цилиндр 38 фиксируется от проворачивания во внутренней трубе 4, а внутренний цилиндр 39 насажен на стержень 24, свободный конец которого выходит наружу теплообменной трубы 4 (фиг. 12, 15). При перемещении (±x) стержня 24 в осевом направлении теплообменного элемента 1 и его одновременном повороте на угол ± g вокруг своей оси такое же движение совершает и насаженный на него внутренний цилиндр 39 обоймы, канавки 42 которого, перемещаясь относительно выступов 41 лопаток 37, своими боковыми стенками воздействуют на лыски выступов 41, поворачивая последние на угол ± g вокруг их оси, в результате чего изменяется угол выхода потока v(±β) из соответствующего завихрителя потока 12, 13 по отношению к оси вихревого теплообменного элемента 1. Для того, чтобы лопатки 37 выпадали из обоймы, цилиндрический выступ 40 с внешней стороны наружного цилиндра 38 по крайней мере расклепывается заподлицо с поверхностью последнего, с обеспечением свободы поворота лопатки.

Вихревой теплообменный элемент в теплообменном аппарате или ином теплообменном устройстве может иметь различное расположение, как то горизонтальное, вертикальное или наклонное, что определяется природой теплоносителей, их температурой, условиями монтажа и работы, а также другими причинами.

Особенность оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента, как уже отмечалось выше, состоит в поэтапной регулировке теплообменного элемента для достижения максимального коэффициента теплопередачи от участка к участку теплообменного элемента в направлении движения теплоносителей при прямотоке, определяемого ориентировочно наибольшим расстоянием между смежными завихрителями потока, из размещенных по крайней мере в каждой из труб 4 и 5 теплообменного элемента 1 (фиг. 3) на его оптимизируемом участке.

Вышеуказанная последовательность в проведении оптимизации характеристик теплообменного элемента позволяет после выполнения вышеуказанной операции на предыдущем участке теплообменного элемента производить замену завихрителей потока на последнем участке с поворотными лопатками за завихрители потока с фиксированными лопатками, но с такими же оптимальными характеристиками, которые были получены при использовании завихрителей потока с поворотными лопатками. При этом завихрители потока с поворотными лопатками предыдущего участка используются на последующем участке теплообменного элемента.

В связи с вышеуказанным возможна повторная контрольная проверка оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента в вышеуказанном порядке и при необходимости производится его подрегулировка.

На основании полученных результатов для различных сред, используемых в качестве теплоносителей, а также различных режимных параметрах работы теплообменного элемента и других учитываемых факторах, например, диаметров теплообменных труб элемента, материала труб, их толщин и т.п. составляются номограммы, которые затем используются в качестве справочно-нормативного материала при конструировании и разработке вихревых теплообменных элементов и на их базе различного вихревого теплообменного оборудования.

При противотоке регулировка вихревого теплообменного элемента для достижения максимального коэффициента теплопередачи более сложная в сравнении с прямотоком, так как участки входа теплоносителей расположены с разных сторон теплообменного элемента и поэтому приходится решать многовариантную задачу при оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента.

Вихревой способ переноса теплоты от горячего теплоносителя, движущегося в закрученном потоке во внутренней теплообменной трубе 4, к стенке последней, а затем от наружной поверхности внутренней трубы 4 к закрученному холодному теплоносителю, движущемуся в теплообменной трубе большего диаметра 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 3) позволяет получить максимально высокий коэффициент теплопередачи между теплообменивающимися средами. Последнее может достигаться и при движении закрученного холодного теплоносителя во внутренней теплообменной трубе 4, а горячего закрученного теплоносителя в теплообменной трубе большего диаметра 5.

Таким образом, изобретение раскрывает физическую сущность открытого автором четвертого способа переноса теплоты, использование которого позволяет получать оптимальные характеристики вихревых теплообменных элементов для различных теплоносителей, используемых в них, а также для различных характеристик теплообменных труб и других учитываемых факторов, достигая при этом высоких значений коэффициентов теплопередачи в сравнении с другими способами переноса теплоты в этих же элементах при прочих равных условиях. Предложенный способ оптимизации характеристик необходим при разработке справочно-нормативных материалов для использования при проектировании вихревых теплообменных элементов и на их базе вихревого теплообменного оборудования, используемого в различных отраслях промышленности.

Изобретение может быть использовано, в частности, для оптимизации характеристик вихревых теплообменных элементов регенеративных теплообменников газотурбинных установок и в реакторостроении. Теплоноситель подают в теплообменный элемент 1. Закручивают его поток через завихритель 2. Разделяют поток среды в порядке изменения ее плотности. Максимальную теплопередачу достигают путем совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств 8, 9, 10, 11 и расстояния между выходным сечением завихрителя 2 и входным сечением завихрителя 6 путем смещения в осевом направлении завихрителя 6. 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента, включающий подачу теплоносителей с заданной температурой на входе в теплообменный элемент, закрутку проходящего через завихритель потока, разделение потока среды на концентрические относительно оси элемента слои в сечениях по длине последнего в порядке изменения плотности среды и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревой теплообменный элемент для его реализации содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы, по меньшей мере в одной из которых, например, в трубе большего диаметра, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами установлено по меньшей мере два завихрителя потока, причем второй по ходу теплоносителя завихритель потока размещен на расстоянии от завихрителя потока, расположенного в вышеуказанном случае на входном участке трубы большего диаметра, а по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных теплообменных труб установлено регулирующее запорное устройство, отличающийся тем, что для заданных теплоносителей и известных их температурах на входе каждого из них в теплообменный элемент максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере, степени открытия регулируемых запорных устройств, установленных по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб вихревого теплообменного элемента, и расстояния между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока путем смещения в осевом направлении теплообменного элемента последующих завихрителей потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования расстояния между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока путем смещения в осевом направлении теплообменного элемента последующих завихрителей потока, при этом вышеуказанные завихрители потока установлены по меньшей мере в одной внутренней трубе вихревого теплообменного элемента. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования расстояния между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока путем смещения в осевом направлении теплообменного элемента последующих завихрителей потока, при этом вышеуказанные завихрители потока установлены в обеих соосно расположенных одна в другой теплообменных трубах вихревого теплообменного элемента. 4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока соответствующего теплоносителя по отношению к оси теплообменного элемента по крайней мере из всех завихрителей потока, установленных по меньшей мере в одной из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб, например, в трубе большего диаметра, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами путем поворота лопаток вышеуказанных завихрителей потока.