ДЫМОГАРНАЯ ТРУБА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА Российский патент 2003 года по МПК F22B9/00 F28F13/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к конструкциям дымогарных труб, используемых в теплообменных аппаратах с повышенной тепловой эффективностью, например в паровых и водогрейных котлах.

В известных конструкциях паровых и водогрейных котлов размещается несколько гладкоствольных дымогарных труб диаметром 28...60 мм, которые снаружи омываются водой, а во внутренней части их проходят горячие газы. В таких котлах путем изменения числа труб обеспечивается увеличение поверхности нагрева и, соответственно, увеличение тепловой мощности [В.И. Панин. Котельные установки малой и средней мощности. М., Стройиздат, 1975, с.156-157].

Однако гладкоствольные дымогарные трубы имеют существенный недостаток - обладают слабой циркуляцией газовых потоков, т.к. между внутренней поверхностью трубы и тубулентным газовым потоком существует ламинарный вязкий пограничный подслой толщиной до δ=0,73 мм. В ламинарном подслое отсутствует турбулентное перемешивание, а перенос количества движения и, следовательно, тепла происходит за счет вязкостного трения. Интенсивность теплообмена определяется переносом теплоты в вязком подслое у поверхности и его увеличение возможно за счет интенсификации процессов переноса именно в этом слое. За пределами пограничного слоя, т.е. в ядре теплового потока, переноса теплоты не существует [L. Prandtl. Gesammelte Abhandlungen zur angewandten Mechanik, Hydro- und Aerodynamik, T1 1-3, В., 1961].

Известны конструкции дымогарных труб котельных агрегатов, состоящие из гладкоствольной трубы, в которую вставлен турбулизатор, выполненный из жаростойкой проволоки или ленты в виде спирали, обеспечивающий добавочное вихревое закручивание газового потока теплоносителя, что позволяет уменьшить высоту (толщину) пограничного ламинарного слоя и тем самым повысить интенсивность теплопередачи [Кузнецов Е.Ф., Карасев С.А. Интенсификация теплообмена в трубах с проволочными спиралями. Турбины и компрессоры, 1997, 2, с. 23-25, а также Авторское свидетельство СССР на изобретение 1476300 от 30.04.89].

Недостатком данной конструкции дымогарной трубы является то, что спиральный турбулизатор обеспечивает, в основном, разрушение ядра газового потока и при этом только частично влияет на процесс течения тепловых потоков в пограничном слое.

Цель изобретения - интенсификация теплообмена в дымогарных трубах путем создания в пограничном слое турбулентных вихревых газовых потоков, включая его возвратное течение, приводящее к обрыву пограничного слоя, а также создание равномерной тепловой отдачи по длине трубы.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном техническом решении дымогарная труба теплообменного аппарата, снабженная расположенным в ее полости вдоль всей длины турбулизатором, выполненным в виде навитой из жаропрочной проволоки спирали, зафиксированной в осевом направлении, согласно изобретению на внутренней поверхности трубы выполнены многозаходные канавки по спирали, направление которых противоположно направлению спирали турбулизатора; форма профиля канавок выполнена в виде радиусного сопряжения двух прямых лучей с углом между ними не более 90^o, обеспечивающих плавный заход потока теплоносителя и встречное сопротивление в канавке.

С внутренней поверхностью трубы газовый теплоноситель имеет тенденцию образовывать устойчивый пограничный слой, который плотно "прилипает" к поверхности. Пограничный слой газа у стенки трубы в значительной мере определяет характер и интенсивность динамического, теплового и массового взаимодействия между поверхностью трубы и потоком газа. Поэтому направленное вихревое воздействие газового потока на пограничный слой приводит к увеличению интенсивности протекания этих процессов.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструктивная схема дымогарной трубы, а на фиг.2 - форма спиральных канавок, расположенных на внутренней поверхности трубы.

Как видно из фиг.1, дымогарная труба теплообменного аппарата состоит из трубы 1 с одно- или многозаходными винтовыми канавками и спиральным турбулизатором 2, выполненным из проволоки или ленты. Профиль канавки (фиг.2) в сечении совпадает с направлением вихревого потока теплоносителя, создаваемого спиральным турбулизатором. Форма профиля канавки выполнена в виде радиусного сопряжения двух прямых лучей. Поверхность канавки с углом α обеспечивает плавный заход теплоносителя, а торцевая поверхность, характеризуемая углом β, - встречное сопротивление потоку теплоносителя, при этом угол между лучами равен или меньше 90^o. Так как теоретически рассчитанная толщина пограничного слоя газа у стенки гладкоствольной трубы со спиральным турбулизатором находится в пределах до 0,73 мм, рекомендуемая глубина канавки до 1 мм.

Профиль спиралевидной канавки характеризуется заходной поверхностью α и торцовой поверхностью β. На входе в канал (поверхность α) скорость движения теплоносителя практически равна скорости завихренного тубулизатором 2 газового теплоносителя. Далее, у торцовой поверхности профиля (поверхность β) вследствие торможения потока давление в нем повышается, происходит создание в пограничном слое возвратных и перекрещивающихся вихревых газовых потоков, приводящих к разрыву сплошности пограничного слоя, выброс газа из области замедленного течения в верхние слои. Этот выброс, с одной стороны, интенсифицирует порождение турбулентности в пристенном слое, а с другой стороны, обеспечивает выброс порции холодного газа из пристенного слоя в ядро горячего газа.

Угол ≤90^o в канавке между заходной поверхностью α и торцевой поверхностью β в сечении по нормали к спиралевидному витку турболизатора 2 выбран так, чтобы тепловой поток на теплопередающую поверхность трубы 1 и характер изменения температуры газового потока периодически меняли свое направление и чередовались местами, т.е. внутренняя поверхность трубы 1 выполняла роль нагреваемой и греющей поверхности.

Угол ≤90^o также выбран исходя из технологических возможностей его изготовления.

Многозаходность спиралевидных канавок обеспечивает интенсификацию тепловых и вихревых потоков.

Эффективность предложенного технического решения выражается в том, что скорость теплопередачи в дымогарной трубе с многозаходными спиралевидными канавками, вызывающими принудительную конвекцию в пограничном слое, в 4...6 раз выше, чем в трубе со свободной конвекцией за счет:
уменьшения толщины ламинарного пограничного слоя;
периодического изменения взаимного направления теплового потока и движения газового теплоносителя;
увеличения площади внутренней поверхности дымогарной трубы;
увеличения длины пути и времени прохождения теплоносителя;
высокой скорости прохождения газового теплоносителя (его завихрение обеспечивает вынос твердых частиц, содержащихся в теплоносителе за пределы теплообменного аппарата).

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в паровых и водогрейных котлах. Дымогарная труба теплообменного аппарата, снабжена расположенным в ее полости вдоль всей длины турбулизатором, выполненным в виде навитой из жаропрочной проволоки спирали, зафиксированной в осевом направлении. На внутренней поверхности трубы выполнены многозаходные канавки по спирали, направление которых противоположно направлению спирали турбулизатора. При этом форма профиля канавок выполнена в виде радиусного сопряжения двух прямых лучей с углом между ними не более 90^o, обеспечивающим плавный заход потока теплоносителя и встречное сопротивление в канавке. Такое выполнение дымогарной трубы повышает теплотехнические параметры установки и сокращает топливоэнергетические затраты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Дымогарная труба теплообменного аппарата, снабженная расположенным в ее полости вдоль всей длины турбулизатором, выполненным в виде навитой из жаропрочной проволоки спирали, зафиксированной в осевом направлении, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности трубы выполнены многозаходные канавки по спирали, направление которых противоположно направлению спирали турбулизатора. 2. Дымогарная труба по п. 1, отличающаяся тем, что форма профиля канавок выполнена в виде радиусного сопряжения двух прямых лучей с углом между ними не более 90^o, обеспечивающим плавный заход потока теплоносителя и встречное сопротивление в канавке.