ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА Российский патент 1999 года по МПК F28F1/44 

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в качестве элементов теплообменных аппаратов, испарителей, систем охлаждения энергетических и других установок.

Известны теплообменные элементы, содержащие пакет перфорированных пластин, чередующихся с проставками (Авторское свидетельство N 872937, МКИ³ F 28 F 1/44, F 28 F 3/00, Б.И. N 38, 1981).

Недостатком известных теплообменных элементов является малая интенсивность теплообмена, высокое гидравлическое сопротивление и низкая технологичность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой теплообменной трубе (прототипом) является противоточный газовый теплообменник, содержащий кожух и размещенный в нем пакет пористых матриц, разделенных проставками, образующими каналы для холодного и горячего потоков. Матрицы выполнены с переменной пористостью, уменьшающейся в направлении движения горячего потока, преимущественно по ступенчатому закону (Авторское свидетельство N 731263, МКИ² F 28 D 17/02, F 28 F 3/08, Б.И. N 16, 1980).

Недостатком теплообменника является невысокий уровень интенсивности теплообмена, что приводит к снижению тепловой мощности теплообменных аппаратов, высокое гидравлическое сопротивление, невозможность использовать для каналов любой формы и низкая технологичность.

Задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является увеличение тепловой мощности теплообменных аппаратов и теплообменного оборудования, уменьшение гидравлического сопротивления и повышение технологичности.

Поставленная задача решается тем, что теплообменная труба содержит пакет пористых элементов, установленных по длине трубы. Элементы установлены с пористостью, уменьшающейся в направлении движения горячего потока. Каждый пористый элемент выполнен в виде объемной решетки, образующей ячейки, соосные в трех ортогональных плоскостях, элементы расположены по длине и по диаметру трубы вплотную друг к другу. Ячейки пористого элемента выполнены квадратного, прямоугольного или круглого сечения. Пористый элемент содержит не менее четырех ячеек.

На фиг. 1 изображен продольный разрез тепловой трубы; на фиг. 2 изображен пористый элемент с ячейками квадратного сечения в изометрии; на фиг. 3 изображен пористый элемент с ячейками круглого сечения в изометрии; на фиг. 4 представлен продольный разрез теплообменной трубы с пористыми элементами, имеющими ячейки круглого сечения; на фиг. 5 представлен разрез А-А фиг. 4.

Теплообменная труба содержит корпус 1, пакет из пористых элементов 2. Пористые элементы 2 заполняют трубу как по длине, так и по диаметру, причем пористость пористых элементов уменьшается по движению горячего теплоносителя преимущественно по ступенчатому закону. При нагревании теплоносителя увеличивается его гидравлическое сопротивление. Поэтому целесообразно с изменением состояния теплоносителя изменять пористость элементов для достижения оптимального соотношения между гидравлическим сопротивлением и теплоотдачей. Каждый пористый элемент 2 выполняется в виде объемной решетки, образованной перемычками 3, которые образуют ячейки 4 соосные в трех ортогональных плоскостях. Элементы 2 расположены вплотную друг к другу по длине и диаметру трубы. Пористые элементы 2 устанавливаются в корпус 1 теплообменной трубы путем простого набора или предварительно скрепленные между собой путем спайки, сварки или спекания. Пакет пористых элементов 2 крепится к корпусу 1 за счет сил трения либо путем спайки или сварки, что в свою очередь приводит к дополнительному увеличению интенсивности теплообмена по сравнению со способом установки за счет трения (см. Харитонов В. В. Теплофизика лазерных зеркал: Учебное пособие - 3-е изд. - М.: Изд. МИФИ, 1993. - 152 с.). Пористый элемент 2 может иметь ячейки квадратного или прямоугольного сечения как показано на фиг. 1. Такие пористые элементы могут изготовляться методами порошковой металлургии. Пористые элементы с ячейками круглого сечения 4 могут изготовляться путем простого сверления и также могут устанавливаться в трубу как показано на фиг. 4. Необходимая пористость элементов в пределах от 0,1 до 0,86 достигается путем варьирования размеров ячеек 4 и перемычек 3 между ними, которые могут быть определены аналитически.

Работает теплообменная труба следующим образом. По теплообменной трубе, содержащей пористые элементы 2, прокачивается теплоноситель или охладитель. В результате взаимодействия с пакетом пористых элементов 2 теплоноситель турбулизируется (фиг. 5) и интенсивно перемешивается благодаря объемной структуре пористого элемента 2. В тоже время маленькие размеры перемычек порядка 0.5 ... 1 мм не создают высокого гидравлического сопротивления в отличие от аналога, что приводит к сильной интенсификации теплообмена при низком уровне гидравлического сопротивления. При испытании пористых элементов 2 было получено подтверждение того, что при установке пористых элементов 2 в теплообменную трубу путем пайки или сварки со стенками корпуса 1 интенсивность теплообмена дополнительно увеличивается. То есть при установке пористых элементов 2 за счет сил трения интенсификация теплообмена составляет порядка 5-10 раз по сравнению с пустым каналом, а при установке пакета пористых элементов 2 путем пайки составляет 15-200 раз по сравнению с пустым каналом.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить тепловую мощность за счет увеличения интенсивности теплоотдачи при уменьшении гидравлического сопротивления. И повысить технологичность за счет возможности использовать предлагаемое устройство для каналов любой формы.

Устройство предназначено для применения в качестве элементов теплообменных аппаратов, испарителей, систем охлаждения энергетических и других установок. Теплообменная труба содержит корпус, пакет из пористых элементов. Пористые элементы заполняют трубу как по длине, так и по диаметру, причем пористость пористых элементов уменьшается по движению горячего теплоносителя преимущественно по ступенчатому закону. Каждый пористый элемент выполняется в виде объемной решетки, образованной перемычками, которые образуют ячейки, соосные в трех ортогональных плоскостях. Пористые элементы расположены вплотную друг к другу по длине и диаметру трубы. Пористые элементы устанавливаются в корпус теплообменной трубы путем простого набора или предварительно скрепленные между собой путем спайки, сварки или спекания, пакет пористых элементов крепится к корпусу за счет сил трения либо путем спайки или сварки. Пористый элемент может иметь ячейки квадратного или прямоугольного сечения. Пористые элементы с ячейками круглого сечения могут изготовляться путем простого сверления и также могут устанавливаться в трубу. Данное техническое решение позволяет увеличить тепловую мощность теплообменных аппаратов, уменьшить гидравлическое сопротивление. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Теплообменная труба, содержащая пакет пористых элементов, размещенных по длине трубы, и установленных с переменной пористостью, уменьшающейся в направлении движения горячего потока, отличающаяся тем, что каждый пористый элемент выполнен в виде объемной решетки, образующей ячейки, соосные в трех ортогональных плоскостях, при этом элементы расположены по длине и по диаметру трубы вплотную друг к другу. 2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что ячейки пористого элемента выполнены или квадратного, или прямоугольного, или круглого сечения. 3. Труба по п.1, отличающаяся тем, что пористый элемент содержит не менее четырех ячеек. 4. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что пористые элементы прикреплены друг к другу и к корпусу посредством пайки или сварки.