ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА Российский патент 1998 года по МПК F28F1/10 

Изобретение относится к трубчатым элементам со средствами увеличения теплопередачи.

Известна теплообменная трубка, профилированная сферическими лунками, расположенными рядами в шахматном порядке [1].

Недостатком теплообменной трубки является неудовлетворительное состояние габаритных характеристик лунок для обеспечения формирования смерчеобразных вихрей различных типов теплоносителей, двигающихся по внешней и внутренней поверхности трубы со скоростью, удовлетворяющей значениям Рейнольда Re>5000.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению следует считать теплообменную трубу, профилированную лунками, образующими выступы сферической формы на внутренней поверхности трубы и расположенными рядами в шахматном порядке с определенными геометрическими соотношениями между высотой выступов (глубиной лунок), диаметром основания выступов (диаметром лунок) и шагами расположения (лунок) выступов [2].

Недостатками теплообменной трубы являются значительное увеличение сопротивлений как внутренней поверхности, так и внешней поверхности трубы, наличие значительных гидродинамических и тепловых теней при скоростях движения теплоносителей, соответствующих Re> 5000, а также неудовлетворительные характеристики лунок и их расположение для различных типов теплоносителей с плотностью от 0,8•10³ до 0,99•10³ кг/м³ и теплообменников с винтообразным движением теплоносителя, омывающего внешнюю поверхность трубы.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении теплопередачи теплообменной трубы за счет расширения диапазона габаритных характеристик лунок и их расположения на внешней поверхности трубы, позволяющих осуществить образование на внешней поверхности вдоль оси тепловой трубы винтового движения теплоносителей с плотностью от 0,8•10³ до 0,99•10³ кг/м³, двигающихся со скоростью, характеризуемой Re > 5000, а также за счет образования устойчивых вторичных течений у сферических выступов на внутренней поверхности тепловой трубы при скорости с Re < 2•10⁴ и турбулизации потока при скоростях с Re > 2•10⁴.

Для достижения этого технического результата лунки на внешней поверхности и соответственно выступы сферической формы на внутренней поверхности и трубы располагаются в порядке, объединяющем шахматное и параллельное расположение лунок (сферических выступов) на поверхностях трубы, соединив преимущества этих расположений.

Расстояние между лунками и их габариты определяются по значению энергетического коэффициента , где α и α_o соответственно коэффициенты теплоотдачи в трубе с лунками и в гладкой трубе при равных сопротивлениях как в профилированной трубе, так и в гладкой трубе, для различных типов жидкостей, а также по значениям шага расположения опорных перегородок, создающих винтовое движение теплоносителя во внешнем контуре теплообменника.

Проведенные эксперименты с различными типами кожухотрубных теплообменников показали, что габаритные характеристики лунок, обусловленные геометрическими соотношениями:
12,0> S/d_л > 1,33, 0,20 > h_л/d > 0,09; 20,5 > d_л/h_л > 1,80,
где h_л - глубина лунок;
d_л - диаметр лунок;
d - внутренний диаметр трубы;
S - шаг между центрами лунок вдоль оси трубы,
определяют оптимальную конструкцию тепловой трубы для различных теплоносителей с плотностью от 0,8•10³...0,99•10³ кг/м³ и различного размещения опорных перегородок в теплообменниках с винтовым движением теплоносителя.

На размещение лунок, кроме вышеуказанных факторов, влияет расстояние между тепловыми трубами в кожухообразном теплообменнике, в зависимости от которого устанавливается шаг между центрами лунок.

Тепловая труба, выполненная по условиям предлагаемого изобретения, практически не увеличивает сопротивление внутренней поверхности, а внешних поверхностей даже несколько (до 1%...2%) снижает эти значения при скоростях во внешней полости соответствующих Re > 5000, за счет образования во внутренней полости вторичных течений, а во внешней полости за счет образования винтообразного расположения смерчеобразных вихрей, создающих дополнительную винтообразную закрутку теплоносителя вокруг теплообменной трубы.

Таким образом, внешняя поверхность трубы в кожухообразных теплообменниках с винтовым движением теплоносителя за счет конструктивного исполнения и расположения опорных перегородок участвует в теплопередаче за счет гидродинамического эффекта "винт в винте".

На чертеже изображена теплообменная труба. Разрез 1-1 иллюстрирует расположение четырех лунок первого, четвертого, седьмого, десятого и т.д. рядов. Разрез 2-2 иллюстрирует расположение трех лунок второго, пятого, восьмого и т. д. рядов. Разрез 3-3 иллюстрирует расположение трех лунок третьего, шестого, девятого и т.д. рядов.

В первом, четвертом, седьмом и т.д. рядах лунки располагаются под углом β= 90^o относительно друг друга. Во втором, пятом, восьмом и др. рядах лунки располагаются под углом β=120^o относительно друг друга. В третьем, шестом, девятом и т.д. рядах лунки располагаются под углом β=120^o относительно друг друга, но со сдвигом ориентации лунок данных рядов на 60^o относительно лунок второго, пятого, девятого и т.д. рядов.

Экономический эффект от применения предлагаемого изобретения достигается за счет экономии металла, а также повышения эксплуатационной надежности кожухообразных теплообменников.

Устройство предназначено для увеличения теплопередачи в теплообменных устройствах. Лунки на внешней поверхности трубы и соответственно выступы сферической формы на внутренней поверхности располагаются в порядке, объединяющем шахматное и параллельное расположение, соединив преимущества этих расположений. 1 ил.

Теплообменная труба, профилированная сферическими лунками, расположенными рядами, отличающаяся тем, что в теплообменниках с опорными перегородками и винтообразным движением теплоносителя сферические лунки располагаются на внешней поверхности трубы рядами вдоль оси трубы по всей ее длине с ориентацией в первом, четвертом, седьмом и последующих рядах четырех лунок под углом β = 90^° относительно друг друга, во втором, пятом, восьмом и последующих рядах трех лунок под углом β = 120^° относительно друг друга, в третьем, шестом, девятом и последующих рядах трех лунок под углом β = 120^° относительно друг друга, но со сдвигом ориентации лунок данных рядов на 60^o относительно лунок второго, пятого, восьмого и последующих рядов, выполнена с геометрическими соотношениями
0,20 > h_л/d > 0,09,
20,5 > d_л/h_л > 1,80,
12,0 > S/d_л > 1,33,
где h_л глубина лунки;
d_л диаметр лунки;
d внутренний диаметр трубы;
S шаг между центрами лунок вдоль оси трубы.