ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА Российский патент 2003 года по МПК F28F1/42 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах.

Известна теплообменная труба с кольцевыми канавками на наружной поверхности трубы и соответствующими им выступами на внутренней поверхности (1).

Основным недостатком известного устройства является относительно невысокая степень интенсификации теплообмена при умеренном росте гидравлического сопротивления ввиду относительно невысоких выступов, а также пониженная надежность такой трубы ввиду того, что упомянутые канавки представляют собой периодические кольцевые ослабленные сечения.

Известна теплообменная труба, выбранная в качестве прототипа, в которой кольцевые канавки и соответствующие им выступы имеют большую высоту, а для компенсации сопряженного с этим роста гидравлического сопротивления имеют ступенчато изменяющиеся высоту и шаг выступов (2). Недостатком этой трубы остается пониженная надежность, особенно при работе на плотных средах, при обтекании трубы которыми возникают значительные гидродинамические колебания.

Целью заявленного устройства является повышение надежности теплообменной трубы, снабженной канавками, при одновременном улучшении соотношения "интенсификация теплообмена - рост гидравлического сопротивления", а также упрощение технологии получения трубы с канавками.

Поставленная цель достигается тем, что канавки, нанесенные с переменным шагом на наружной поверхности трубы и соответствующие им выступы на внутренней поверхности трубы, выполнены по винтовой линии с шагом, который находится в диапазоне от 0,25 D до 0,75 D, где D - внутренний диаметр гладкой части трубы. При этом период изменения шага находится в диапазоне от 5 D до 15 D.

Выполнение канавки по винтовой линии изменяет суть ее влияния на надежность: если кольцевая канавка представляла местные ослабления трубы, то винтовая, напротив, формирует вдоль всей теплообменной трубы винтовое ребро жесткости, сообщающее трубе дополнительную устойчивость к гидродинамическим колебаниям.

Наличие переменного шага обеспечивает сохранение высокой тепловой эффективности от применения канавки при одновременно умеренном росте гидравлического сопротивления. Дело в том, что применение винтовой канавки с постоянным шагом приводит на некоторых режимах и при определенных длинах теплообменных труб к меньшему росту тепловой эффективности при одновременно большем росте гидравлического сопротивления, чем применение кольцевой. Причина этого в том, что из-за наличия сил вязкостного трения слоев движущейся жидкости формируется винтообразное движение всего потока жидкости, движущегося в трубе, в том числе и ядра потока. Это, с одной стороны, приводит к уменьшению влияния канавки на пристенный ламинарный подслой жидкости, что снижает тепловой эффект, а с другой стороны, ведет к бесцельному, с точки зрения интенсификации теплоотдачи, закручиванию ядра потока, т.е. к бесцельному росту гидравлического сопротивления. Выполнение винтовой канавки с переменным шагом указанных параметров позволяет исключить указанный эффект и создать условия интенсификации теплообмена, практически идентичные условиям, возникающим при применении кольцевой канавки.

Кроме изложенного винтовая канавка технологически проще в изготовлении.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от известного перечисленными выше признаками и соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена заявляемая теплообменная труба (поз.1 обозначена труба, поз.2 - канавки, поз.3 - выступы).

Теплообменная труба работает следующим образом. Один из теплоносителей движется снаружи трубы. При его прохождении над канавками образуются микровихри, турбулизирующие пристенный ламинарный подслой теплоносителя, что способствует росту коэффициента теплоотдачи от этого теплоносителя к стенке трубы.

Второй теплоноситель движется внутри трубы и при его прохождении через выступы также возникают микровихри, генерирующие энергию, разрушающую пристенный ламинарный подслой. Но одновременно с этим движущаяся жидкость получает импульс, сообщающий ей вращательное движение. Если бы шаг не менялся, то на определенном расстоянии от начала движения по такой трубе весь поток жидкости имел бы кроме поступательного еще и вращательное движение, приводящее одновременно и к росту гидравлического сопротивления за счет диссипации энергии во всем объеме жидкости и к снижению интенсификации теплообмена из-за скользящего обтекания жидкостью выступов и, следовательно, меньшей турбулизации пристенного подслоя. В заявляемой трубе ввиду того, что шаг плавно пульсирующим образом изменяется от меньшего к большему, а затем наоборот, жидкость постоянно получает вращательные импульсы, характеризующиеся различными векторами и абсолютными значениями. В связи с этим основная масса жидкости не закручивается, что исключает бесполезный рост гидравлического сопротивления и ведет к более эффективной турбулизации пристенного подслоя.

Использование предлагаемой теплообменной трубы позволяет повысить надежность, увеличить тепловую эффективность при умеренном росте гидравлического сопротивления и упростить технологию изготовления.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 731265, М.кл.² F 28 F 1/42.

2. Авторское свидетельство СССР 1223016, М.кл.⁴ F 28 F 1/16, F 28 F 1/42.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах. Сущность изобретения состоит в том, что на наружную поверхность трубы наносятся канавки с образованием соответствующих им выступов на внутренней поверхности трубы, причем канавки выполнены по винтовой линии с переменным шагом, который находится в диапазоне от 0,25 D до 0,75 D, где D - внутренний диаметр гладкой части трубы. При этом период изменения шага находится в диапазоне от 5 D до 15 D. Изобретение направлено на повышение надежности теплообменной трубы при одновременном улучшении соотношения "интенсификация теплообмена - рост гидравлического сопротивления", а также на упрощение технологии получения трубы с канавками. 1 ил.

Теплообменная труба с канавками, нанесенными с переменным шагом на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности, отличающаяся тем, что канавки выполнены по винтовой линии с шагом, который находится в диапазоне t = (0,25 ÷ 0,75)D, где D - внутренний диаметр гладкой части трубы, а период изменения шага Т находится в диапазоне Т = (5 ÷ 15)D.