ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2000 года по МПК F28D3/02 

Изобретение относится к объектам техники теплопередачи, в частности к конструкциям трубчатых теплообменных аппаратов, и может быть использовано для нагрева газового агента, воздуха в помещениях или в печах различного назначения, в том числе и в хлебопекарных.

Известен теплообменный аппарат, содержащий привод с валом, корпус, подводящий и отводящий коллекторы, теплообменные трубы, в полости которых размещены турбулизирующие вставки в виде спиральных завихрителей, установленные с возможностью перемещения относительно стенок трубы, а также размещенные в полости подводящего коллектора гибкие элементы; в полости подводящего коллектора установлена плита с отверстиями под гибкие элементы, на валу привода соосно с последним закреплена цилиндрическая обойма, торец которой установлен с зазором относительно плиты, к поверхности обоймы примыкают ролики, установленные с возможностью вращения относительно своей оси, турбулизирующие элементы выполнены в виде спиральных завихрителей, причем гибкие элементы закреплены одними концами к роликам, другим к упомянутым завихрителям (А. С. СССР N 1815593, МПК: F 28 F 13/12, Д.А. Серков, И.В. Романов и др. , КБ "САЛЮТ" НПО экспериментального машиностроения, 3 N 4914277/06 от 25.02.91, опубл. 15.05.93, Бюл. N 18).

Недостатками данного теплообменного аппарата являются сложность конструкции, низкая надежность в работе, большие габариты, низкий коэффициент теплопередачи.

Известна хлебопекарная печь, имеющая туннельную пекарную камеру, обогревательные каналы, сетчатый конвейерный под с верхней рабочей ветвью, приводную станцию и систему рециркуляционного газового обогрева камеры, в которой обогревательный канал каждой тепловой зоны имеет несколько участков, при этом начальный по ходу греющих газов участок канала выполнен гладким, а следующие два участка снабжены турбулизирующими вставками, установленными с переменным шагом перпендикулярно потоку газа, причем турбулизирующие вставки среднего канала установлены непосредственно на его рабочей поверхности, а вставки последнего по ходу движения участка обогревательного канала - на расстоянии от его рабочей поверхности, причем турбулизирующие вставки среднего участка обогревательного канала представляют собой прерыватели ламинарного слоя, а вставки последнего участки выполнены в виде тел плохо обтекаемой формы (А.С. СССР N 351518, МПК: A 21 B 1/43, А.А. Корчинский, А.А. Михелев и др. "Хлебопекарная печь" 3. N 229364 от 19.11.70, опубл. 21.09.72, Бюл. N 28).

Недостатками данного устройства является небольшая скорость нагрева из-за низкого коэффициента теплопередачи продуктов сгорания к среде пекарной камеры.

Наиболее близким по количеству существенных признаков и по технической сущности к заявленному изобретению является теплообменное устройство, используемое в хлебопекарной печи, содержащее топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте (П.М. РФ N 7278, МПК: A 21 B 1/08, "Хлебопекарная печь", Бакурский В. С. , Ульянин С.Г., Комиссаров С.П., ЗАО НПП фирма "Восход", 3. N 97116571 от 07.10.97, опубл. 16.08.98, Бюл. N 8).

Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания в нагреваемой среде, в данном случае к среде пекарной камеры, и высокая энергоемкость.

Технический результат, получаемый при реализации данного изобретения, заключается в увеличении коэффициента теплопередачи за счет интенсификации процесса теплопередачи от продуктов сгорания к нагреваемой среде, а также в снижении энергоемкости устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в теплообменном устройстве, содержащем топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте, в полости каждой теплообменной трубы по ее продольной оси и с зазором относительно ее стенки установлены турбулизирующие вставки с равным шагом, величина которого не более двух ее диаметров, а последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее, причем турбулизирующие вставки выполнены в виде дисков, отношение диаметра каждой теплообменной трубы к диаметру диска колеблется от 1,5 до 2,5, и установлены диски в полости каждой теплообменной трубы на жестко закрепленном стержне, проходящем по ее оси.

Установка в полости теплообменной трубы турбулизирующих вставок вдоль ее оси и с зазором относительно ее стенки переводит движение потока продуктов сгорания из ламинарного режима в турбулентный и обеспечивает лучшее перемешивание продуктов сгорания по всему объему потока.

В результате разрушения пограничного слоя и перемешивания всего потока продуктов сгорания возрастает коэффициент теплопередачи, то есть возрастает интенсивность теплообмена в целом, вследствие чего требуется меньше сжигаемого топлива при поддержании тех же выходных параметров, то есть снижается энергоемкость устройства.

Интенсивность перемешивания зависит от величины шага расположения турбулизирующих вставок внутри трубы, величины зазора между вставками и трубой, а также от геометрии турбулизирующих вставок.

Расстояние между турбулизирующими вставками выбрано из соображений наибольшей интенсификации теплообмена по всей длине турбулентного шлейфа.

В результате расположения турбулизирующих вставок с равным шагом поддерживается относительно равномерная турбулентность продуктов сгорания. Опытным путем было выявлено, что турбулентный шлейф газового потока после каждой вставки сохраняется по длине трубы не более двух ее диаметров. При большем шаге его турбулентность существенно снижается.

Для сохранения турбулентности до выхода из каждой трубы последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее.

Выполнение турбулизирующих вставок в виде дисков технологически просто, дает возможность равномерно турбулизировать поток по всему внутреннему периметру трубы при коаксиальности их расположения внутри ее.

Использование турбулизирующих вставок в виде дисков - частный случай применения одной из многих возможных геометрических форм данного элемента конструкции. Диски могут быть различной конфигурации, с прорезями, с канавками, выемками и т.д.

Турбулизирующие вставки вообще могут принимать совершенно другие формы: овалы, треугольники, прямоугольники, а также иметь более сложные комбинированные поверхности.

Величина зазора между дисками и трубой колеблется в пределах отношений диаметра каждой теплообменной трубы к диаметру диска от 1,5 до 2,5.

Минимальная величина зазора выбрана из условий максимально допустимого сопротивления движения продуктов сгорания внутри трубы для конкретной конструкции теплообменного устройства. При меньшей величина зазора значительно возрастает сопротивление прохождению продуктов сгорания через теплообменные трубы.

Максимальная величина зазора ограничивается возможностью получения турбулентного режима движения в пограничном с трубой слое потока продуктов сгорания и снижения интенсивности перемешивания всего потока.

Установка турбулизирующих вставок в полости каждой теплообменной трубы на жестко закрепленном стержне, проходящем по ее оси, исключает дополнительные крепежные детали, технологично и конструктивно просто.

На фиг. 1 изображено теплообменное устройство, общий вид, продольный разрез. На фиг. 2 - сечение А-А.

Теплообменное устройство состоит из топки 1, горелки 2, системы газоходов, состоящей из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб 3, в полости каждой из которых установлены турбулизирующие вставки 4 в виде дисков с зазором 5 относительно ее стенки, с равным шагом 6 и на жестко закрепленном стрежне 7, проходящем по ее оси.

Теплообменное устройство работает следующим образом.

Продукты сгорания, получаемые при сжигании топлива в топке 1, горелкой 2 попадают в нижний ряд сообщающихся параллельных полых теплообменных труб 3.

Достигая первой турбулизирующей вставки 4, поток продуктов сгорания испытывает дополнительное сопротивление и, проходя через зазор 5, теряет свою ламинарную структуру, сначала в периферийной зоне происходит разрушение и турбулизация пограничного слоя на внутренней поверхности теплообменной трубы 3, затем весь поток продуктов сгорания завихряется и перемешивается.

В результате этого возрастает теплоотдача от продуктов сгорания к стене трубы 3 и, как следствие, интенсификация теплообмена, коэффициент теплопередачи установки, а также снижается ее энергоемкость.

Эта турбулентность потока сохраняется на расстоянии от одной вставки 4 к другой вставке 4 не более двух диаметров трубы 3. Это расстояние выбрано из условия обеспечения максимального эффекта от турбулентного шлейфа.

Затем на пути потока нагретых газов с шагом 6 поочередно встречаются следующие, установленные на жестко закрепленном стержне 7 турбулизирующие вставки 4, обеспечивая относительно постоянную турбулентность и интенсификацию теплообмена между продуктами сгорания и стенкой трубы 3.

Таким образом продукты сгорания переходят по рядам полых сообщающихся труб, претерпевая сначала изменение ламинарного режима движения на турбулентный режим и сохраняя его затем на протяжении всего движения по трубам, интенсивно отдают свое тепло стенкам труб и затем нагреваемой среде. Пройдя всю систему газоходов, отработанный поток продуктов сгорания выходит из теплообменного устройства.

Таким образом, изобретение позволяет достичь увеличения коэффициента теплопередачи за счет интенсификации теплообмена и снижения энергоемкости теплообменного устройства.

Используя данное теплообменное устройство, удается время разогрева, например, хлебопекарной печи снизить на 10%.

Изобретение предназначено для применения в трубчатых теплообменных аппаратах для обогрева жилых помещений, нагрева газового агента, в печах различного назначения, в том числе и в хлебопекарных. Теплообменное устройство содержит топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте, в полости каждой теплообменной трубы по ее продольной оси и с зазором относительно ее стенки установлены турбулизирующие вставки с равным шагом, величина которого не более двух ее диаметров, а последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее, причем турбулизирующие вставки выполнены в виде дисков, отношение диаметра каждой теплообменной трубы к диаметру диска колеблется от 1,5 до 2,5, и установлены диски в полости каждой теплообменной трубы на жестко закрепленном стержне, проходящем по ее оси. Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента теплопередачи за счет интенсификации процесса теплоотдачи от продуктов сгорания к нагреваемой среде, а также снижение энергоемкости устройства. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Теплообменное устройство, содержащее топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте, отличающееся тем, что в полости каждой теплообменной трубы по ее продольной оси и с зазором относительно ее стенки установлены турбулизирующие вставки с равным шагом, величина которого не более двух ее диаметров, а последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее. 2. Теплообменное устройство по п.1, отличающееся тем, что турбулизирующие вставки выполнены в виде дисков. 3. Теплообменное устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что отношение диаметра каждой теплообменной трубы к диаметру диска колеблется от 1,5 до 2,5. 4. Теплообменное устройство по п.1, отличающееся тем, что турбулизирующие вставки установлены в полости каждой теплообменной трубы на жестко закрепленном стержне, проходящем по ее оси.