ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА Российский патент 1998 года по МПК F28F1/08 F28F1/40 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменных аппаратах различного назначения.

Известна теплообменная труба, содержащая чередующиеся по ее длине конфузорные и диффузорные участки, при этом конфузорный участок имеет длину, в 1,5-2,5 раза превышающую длину диффузорного участка, угол раскрытия диффузора составляет 12-30^o, конфузорный участок может быть удлинен цилиндрической вставкой [1].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства относится то, что в известном устройстве достигаются невысокие степени турбулизации потоков, что связано небольшими углами раскрытия диффузора.

Известна теплообменная труба с кольцевыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности, имеющими высоту в 1,25-2,5 меньшую глубины канавок [2].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве достигаются невысокие степени турбулизации потоков.

Известна теплообменная труба с кольцевыми канавками на наружной и внутренней поверхностях, причем каждая канавка соединена с соответствующим гладким участком трубы отрезком прямой, расположенным к продольной оси трубы с уклоном, составляющим у наружной канавки не менее 2:1, а у внутренней не более 1:2 [3].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве достигаются невысокие степени турбулизации потоков.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков, принятым за прототип, является теплообменная труба с поперечными впадинами несимметричного профиля на наружной поверхности и соответствующими им поперечными выступами на внутренней поверхности, причем впадины имеют профиль в виде участка эллипса, большая ось которого наклонена к оси трубы под углом 5-30^o, соотношение осей эллипса составляет от 1:1,5 до 1:4, а глубина впадины составляет 0,020-0,035 наружного диаметра трубы [4].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве достигаются невысокие степени турбулизации потоков, причем турбулизуется в основном лишь пограничный слой и практически не затрагивается ядро потока, что связано прежде всего с небольшими значениями соотношения площадей полного и минимального проходных сечений.

Сущность изобретения заключается в следующем. Возможным и технически реализуемым способом повышения интенсивности процесса теплопередачи между двумя текучими средами, разделенными твердой перегородкой, и обусловленного этим улучшения весогабаритных характеристик теплообменного оборудования является турбулизация рабочих потоков.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в интенсификации теплообмена путем турбулизации рабочих потоков на системе локальных гидродинамических сопротивлений.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в увеличении коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, в уменьшении требуемой поверхности теплообмена.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной теплообменной трубе с кольцевыми поперечными впадинами несимметричного профиля на наружной поверхности и соответствующими им поперечными выступами на внутренней поверхности:
- участки с кольцевыми поперечными впадинами несимметричного профиля на наружной поверхности и соответствующими им поперечными выступами на внутренней поверхности заменены на конфузор-диффузорные участки, при этом угол раскрытия диффузору ϕ_диф составляет 50-160^o, угол сужения конфузора ϕ_конф составляет 50-180^o, а соотношение площадей полного проходного сечения цилиндрического участка и минимального проходного сечения и местах сочленения конфузора и диффузора n составляет не менее 1,5 (или площадь минимального проходного сечения составляет не более 2/3 от площади полного проходного сечения);
- конфузор-диффузорные участки могут переходить в диафрагмы, расположенные под углом ϕ_диф/2 к оси трубы, при этом угол сужения конфузора ϕ_конф=360^o- ϕ_диф,
- для интенсивной турбулизации наружного потока, путем сужения проходного сечения внешнего каната с образованием в нем конфузоров и диффузоров конфузор-диффузорные участки могут переходить в конфузор-диффузор-конфузорные участки, при этом площадь максимального проходного сечения в местах сочленения диффузора и конфузора больше площади проходного сечения цилиндрического участка.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков, перечисленных выше, и вышеизложенным техническим результатом состоит в следующем. Снабжение устройства конфузор-диффузорными участками с углами раскрытия диффузора 50-160^o и сужения конфузора 50-180^o при соотношении площадей n не менее 1,5 приводит к возникновению рециркуляционного характера течения, к образованию, отрыву и переносу по потоку турбулентных вихрей, к интенсивной турбулизации рабочей среды, при этом генерация, диффузия и диссипация турбулентности определяется также и свойствами среды (вязкостью, плотностью).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнения известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в орошении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 представлена схематично теплообменная труба, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вариант исполнения, конфузор-диффузорные участки образованы вставкой; на фиг.3 - то же, вариант исполнения, конфузор-диффузорные участки переходят диафрагмы, образованные вставкой; на фиг.4 - то же, вариант исполнения, теплообменная труба содержит конфузор-диффузор-конфузорные участки.

Теплообменная труба 1 содержит конфузорные 2 и диффузорные 3 участки, сопряженные с гладкими цилиндрическими участками 4; конфузор- диффузорные участки могут вырождаться в диафрагму 5.

Теплообменная труба работает следующим образом. При протекании рабочей среды по теплообменной трубе 1 происходит сужение и расширение потока при прохождении им конфузор-диффузорных участков 2 и 3, ниже которых по потоку возникают зоны завихрений и течение приобретает рециркуляционный характер. Поток рабочей среды интенсивно турбулизуется, возрастают скорости турбулентных процессов переноса, увеличиваются тепловые потоки на теплопередающую стенку, что приводит к росту коэффициентов теплоотдачи, уменьшению термического сопротивления теплопередаче, теплообмен интенсифицируется.

На фиг.5 приведены расчетные данные для потока воды, показывающие зависимость от угла раскрытия диффузора ϕ_диф отношения среднего коэффициента теплоотдачи α*диф

на цилиндрическом участке после прохождения потоком конфузор-диффузорного участка, к среднему коэффициенту теплоотдачи α*глад на соответствующем по длине начальном участке гладкой трубы. Здесь: Re=10⁵, ϕ_конф = 120^o, длина участка равна 3-м внутренним диаметрам трубы; кривая 1 соответствует значению (1/n^0,5=0,8; кривая 2 - (1/n^0,5=0,5; кривая 3 - (1/n^0,5= 0,3.

На фиг.6 приведены расчетные данные для потока воды, показывающие зависимость от соотношения площадей n отношения среднего коэффициента теплоотдачи α*диф

на цилиндрическом участке после прохождения потоком конфузор-диффузорного участка к среднему коэффициенту теплоотдачи α_глад для стабилизированного течения в гладкой трубе. Здесь: Re=10⁵; ϕ_диф =90^o; ϕ_конф = 120^o; кривая 1 соответствует длине участка трубы, равной одному, кривая 2 - трем, кривая 3 - шести внутренним диаметрам трубы; кривая 4 соответствует экспериментальным данным для теплообменной трубы с кольцевыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности при длине участка трубы, равной одному внутреннему диаметру трубы (см. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 316, табл. 16.4).

Данные, приведенные на фиг. 5 и 6, свидетельствуют, что существенное увеличение коэффициента теплоотдачи (в 2-3 и более раз) можно получить при соотношении площадей n≥1,5; при этом угол раскрытия диффузора, соответствующий максимальным значениям коэффициента теплоотдачи (определяется также турбулизуемостью среды и зависит от таких ее свойств, как вязкость и плотность), составляет 50-160^o а угол сужения конфузора 50-180^o.

Однако при указанных выше значениях возрастают коэффициенты гидродинамического сопротивления. Тем не менее, регулируя шаг между конфузор-диффузорными участками, расход рабочей среды, а также соотношение площадей n и угол раскрытия диффузора в пределах указанных выше диапазонов их значений, учитывая также то обстоятельство, что коэффициент теплоотдачи пропорционален скорости в степени не выше первой, а перепад давления - второй, можно значительно интенсифицировать теплообмен при непревышении допустимого значения перепада давления.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и в других отраслях, использующих теплообменное оборудование;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение используется как конструктивный элемент в теплообменном оборудовании для энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности. Теплообменная труба содержит гладкие цилиндрические участки, сопряженные с конфузор-диффузорными участками, при этом угол раскрытия диффузора составляет 50 - 160^o, угол сужения конфузора составляет 50 - 180^o, а соотношение площадей полного проходного сечения цилиндрического участка и минимального проходного сечения в местах сочленения конфузора и диффузора составляет не менее 1,5. Конфузор-диффузорные участки могут переходить в диаграммы, расположенные под углом к оси, равным половине угла раскрытия диффузора. Конфузор-диффузорные участки могут переходить в конфузор-диффузорные участки. Регулируя шаг между конфузор-диффузорными участками, расход рабочей среды, а также соотношение площадей и угол раскрытия диффузора в пределах указанных диапазонов их значений, можно значительно в 3 - 5 и более раз интенсифицировать теплообмен при непревышении допустимого значения перепада давления. 3 с. п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменная труба, содержащая гладкие цилиндрические участки, сопряженные с конфузор-диффузорными участками, отличающаяся тем, что угол раскрытия диффузора составляет 50 - 160^o, при этом площадь минимального проходного сечения в местах сочленения конфузора и диффузора составляет не более 2/3 от площади проходного сечения цилиндрического участка. 2. Теплообменная труба, содержащая конфузор-диффузорные и гладкие цилиндрические участки, причем последние сопряжены с конфузорными участками, отличающаяся тем, что конфузор-диффузорные участки переходят в конфузор-диффузор-конфузорные, а угол раскрытия диффузора составляет 50 - 160^o, при этом площадь минимального проходного сечения в местах сочленения конфузор-диффузора составляет не более 2/3 от площади проходного сечения цилиндрического участка. 3. Теплообменная труба, содержащая гладкие цилиндрические участки и конфузор-диффузорные участки, отличающаяся тем, что конфузор-диффузорные участки переходят в диафрагмы, образованные вставкой и расположенные под углом к оси трубы, а угол раскрытия диффузора составляет 50 - 160^o, при этом площадь минимального проходного сечения диафрагмы составляет не более 2/3 от площади проходного сечения цилиндрического участка.