Теплообменная труба Советский патент 1992 года по МПК F28F13/12 

Изобретение относится к теплообмен- ным аппаратам и может быть использовано в транспортных энергетических установках.

Известна теплообменная труба, содержащая неподвижную засыпку из шаров, диаметр которых несколько больше радиуса трубы. При работе теплоноситель течет между шарами параллельно стенке трубы. Шары турбулизируют поток теплоносителя, вытесняют его к стенке трубы, за счет чего увеличивается интенсивность теплосъема.

Однако наличие точек контакта между соседними шарами и со стенками трубы приводит к образованию в этих местах застойных вихревых зон, которые с одной стороны ухудшают интенсивность теплосъема, с другой - увеличивают гидравлическое сопротивление теплообменной трубы. Все это приводит к тому, что энергетическая эффективность известной теплообменной трубы невысока.

Наиболее близкой к предлагаемому является теплообменная труба, содержащая по крайней мере одну ячейку с центральными отверстиями для входа и выхода теплоносителя, внутри которой размещен шаро- врй элемент, диаметр которого меньше диаметра трубы, но больше диаметра отверстий для входа и выхода теплоносителя.

При работе известного устройства теплоноситель, движущийся во внутренней полости теплообменной трубы, в виде струи вытекает из отверстия для входа теплоносителя и омывает размещенный в ячейке шаровой элемент. Под воздействием струи теплоносителя шаровой элемент зависает в струе на некотором расстоянии от отверстия для входа теплоносителя, хаотически вращается, не касаясь стенок ячейки трубы (находится в состоянии левитации). Шаровой элемент турбулизирует пристенный слой теплоносителя, при этом отсутствуют точки контакта шаровых элементов как между собой, так и со стенками теплообменной трубы, что устраняет зоны вблизи этих точек, где интенсивность теплообмена невелика, а возникающее в указанных зонах гидравлическое сопротивление течению

со

с

VI GJ СО 00 Ч)

ю

теплоносителя велико. Все это позволяет повысить энергетическую эффективность теплообменник аппаратов.

Однако в известном устройстве ячейка образована цилиндрической проставкой и диафрагмами, а это приводит к тому, что при течении теплоносителя в местах соприкосновения проставки с диафрагмами образуются застойные вихревые зоны, снижающие интенсивность теплообмена и увеличивающее гидравлическое сопротивление течению теплоносителя. Поэтому энергетическая эффективность известной теплообменной трубы невысока.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности теплообменной трубы путем снижения гидравлического сопротивления течению теплоносителя.

Указанная цель достигается тем, что в теплообменной трубе, содержащей, по крайней мере, одну ячейку с центральными отверстиями для входа и выхода теплоносителя, внутри которой размещен шаровой элемент диаметром, меньшим диаметра трубы, но большим диаметра отверстий для входа и выхода теплоносителя, стенка ячейки спрофилирована по закону:

, ,

. 3 4

(1)

р.- (D/df-1 (D/d) sin2 в

г - величина радиус-вектора от центра ячейки до внутренней поверхности канала;

0 угол между радиус-векторов и осью канала:

D - диаметр трубы;

d - диаметр шарового элемента.

В ячейке у входного и выходного отверстия могут быть расположены по меньшей мере по одному выступу.

Предлагаемое изобретение основывается на возможности обеспечить безвихревое обтекание шара, если ограничивающие его поверхности будут совпадать с линиями тока, удовлетворяющими условиям потенциального течения. Такая линия тока представлена авторами в форме кубического уравнения следующего вида:

(т)3+р(

о.

(2)

Применительно к рассматриваемой задаче (D/d 1} физический смысл имеет одно действительное решение ( Т 0), которое выражено формулой (1).

Такое выполнение теплообменной трубы позволяет на рабочем режиме (когда шаровые элементы находятся в состоянии левитации), устранить застойные вихревые

зоны в ячейках, что резко снижает гидравлическое сопротивление течению теплоносителя, Поэтому энергетическая эффективность в предлагаемом техническом решении высока.

0 Наличие выступов у входного и выходного отверстий ячейки (которые могут быть выполнены в виде ребер) не приведет к сколько-нибудь заметному повышению гидравлического сопротивления, но позволит

5 устранить возможность запирания шаровым элементом входного или выходного отверстия ячейки в тех случаях, когда расход теплоносителя недостаточен для обеспечения левитации шарового элемента, т.е. на

0 частичных режимах работы, которые характерны, например, для транспортных энергетических установок

На чертеже изображена теплообменная труба, продольный разрез.

5 Теплообменная труба содержит, по крайней мере, одну ячейку 1 с центральными отверстиями для входа 2 и выхода 3 теплоносителя. В ячейке 1 размещен шаровой элемент 4, а стенка 5 ячейки спрофилирова0 на по закону, описанному формулой 1. У отверстий 2 и 3 расположены выступы 6.

Устройство работает следующим образом.

При работе теплоноситель поступает в

5 ячейку 1 в виде струи, вытекающей из отверстия для входа теплоносителя 2 и натекающей на размещенный в ячейке 1 шаровой элемент 4. Под воздействием струи теплоносителя шаровой элемент 4 зависает в

0 струе на некотором расстоянии от отверстия 2, хаотически вращается, не касаясь стенок 5 ячейки 1 (находится в состоянии левитации). Благодаря левитации шарового элемента 4 и профилированию стенки 5

5 ячейки 1 по закону, описанному формулой (1), в ячейке 1 отсутствуют застойные вихревые зоны, что снижает гидравлическое сопротивление течению теплоносителя и тем самым обеспечивает высокую энергетиче0 скую эффективность теплообменной трубы. Отработавший теплоноситель удаляется из ячейки 1 через отверстие 3. Выступы б позволяют использовать теплообменную трубу на долевых (Частичных) режимах работы,

5 когда расход теплоносителя не достаточен для обеспечения левитации шаровых элементов 4 и они могут загромождать отверстия 2 или 3, увеличивая затраты энергии на прокачку теплоносителя. Выступы 6 препятствуют на этих режимах загромождению отверстий 2 или 3, что обеспечивает возможность эффективно использовать теплооб- менную трубу в транспортных энергетических установках.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет полностью устранить застойные вихревые зоны в ячейках теплообменной трубы, что резко снижает затраты энергии на прокачку теплоносителя, повышает интенсивность теплообмена и тем самым повышает энергетическую эффективность теплообменной трубы. Формула изобретения 1. Теплообменная труба, содержащая, по крайней мере, одну ячейку с центральными отверстиями для входа и выхода теплоносителя, внутри которой размещен шаровой элемент диаметром, меньшим диаметра трубы, но большим диаметра отверстий для входа и выхода теплоносителя, о т- личающаяся тем, что, с целью повышения энергетической эффективности путем

снижения гидравлического сопротивления течению теплоносителя, стенка ячейки спрофилирована по закону:

(D/d) sin2 в

г - величина радиус-вектора от центра ячейки до внутренней поверхности канала:

#- угол между радиус-вектором и осью канала;

Cf и d - диаметры трубы и шарового элемента соответственно.

2. Труба по п. 1,отличающаяся тем, что у входного и выходного отверстий ячейки расположено по меньшей мере по одному выступу.

Изобретение относится к теплообмен- ным аппаратам. Целью изобретения является повышение энергетической эффективности теплообменной трубы путем снижения гидравлического сопротивления течению теплоносителя за счет заданного профилирования стенки ячейки с центральными отверстиями для вхо,ьа и выхода теплоносителя, внутри которой размещен шаровой элемент, зависающий под воздействием струи. При оптимальном профилировании стенок ячеек отсутствуют застойные вихревые зоны, что снижает гидравлическое сопротивление. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.