Теплообменная труба Советский патент 1992 года по МПК F28F1/40 

Изобретение относится к кожухотруб- ным теплообменникам и может быть использовано теплообменных аппаратах и в конденсаторах паровых турбин.

Известна теплообменная труба, содержащая конфузорно-диффузорные участки, при этом в наименьшем сечении эти участки имеют форму правильных многоугольников и многоугольник каждого последующего участка повернут относительно предыдущего. При протекании рабочей среды по трубе происходит ее последовательное расширение и сжатие на конфузорно-диффузорном участке (КДУ). При этом среда турбулизует- ся. Поворот КДУ и соответственно участков перехода один относительно другого обеспечивает дополнительную турбулентность пристенного слоя потока рабочей среды. Наружный поток рабочей среды турбулизу- ется за счет переходных участков больше, чем при омывании круглой гладкой трубы.

Недостатком такой теплообменной трубы является невозможность использования наружного оребрения для интенсификации

теплообмена, а также технологическая трудоемкость ее изготовления.

Известна также теплообменная труба, состоящая из чередующихся по длине трубы участков, имеющих овальные входное и выходное сечение с взаимно перпендикулярными большими осями овалов. Образующая трубы на каждом участке выполнена в виде плавной линии, соединяющей входное и выходное сечение участка. При этом в промежуточных сечениях образуются овалы с соотношениями осей, отличающимися от соотношений входного и выходного сечений. Большие оси овалов расположены под углом 45° к оси трубы. По длине трубы образуются диффузорные и конфузорные участки. В процессе работы трубы среда, проходящая внутри нее, закручивается благодаря перетеканию из одного сечения в другое, перпендикулярное ему. Участки увеличенных скоростей во входном и выходном овальных сечениях чередуются с участками пониженных скоростей в областях между ними. Это приводит к интенсивному смешиванию слоев жидкости за счет возникновеё

v|

Јь ON

Ю О

ния кавитационного режима течения в сопловых сечениях, Около стенок трубы скорость прохождения особенно увеличивается, что разрушает неподвижный слой жидкости на стенках и интенсифицирует теплообмен. Снаружи трубу омывает пар и за счет протекания внутри трубы охлаждающей среды конденсируется на ее поверхности.

Недостатками этой теплообменной тру- бы являются невозможность использования наружного оребрения для интенсификации теплообмена, а также технологическая трудоемкость ее изготовления.

Известна также теплообменная труба, внутри которой размещена турбулизирую- щая вставка, выполненная в виде гофрированной ленты, линии перегибов которой расположены под углом друг к другу и к стенке трубы с образованием на торцах ленты точек пересечения и размещены в одной плоскости, смещенной относительно центральной оси трубы. Дополнительные линии гибов перпендикулярны торцам ленты, проходят через указанные точки пересе- чения и расположены в различных плоскостях с образованием в продольном сечении трубы конфузорно-диффузорного канала. Такое выполнение способствует возникновению неоднородного поля дав- ления по длине трубы и позволяет перетекать теплоносителю из одной зоны течения в другую, что приводит к дополнительной турбулизации потока в плоскости поперечного сечения трубы, Так как данная труба круглая и гладкая, то поэтому она может быть выполнена снаружи и сребренной для интенсификации теплообмена при конденсации пара на ее наружной поверхности.

Недостатками такой трубы является низкий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны, так как приведенная конструкция турбулизирующей вставки не обеспечивает надлежащую закрутку потока, а следовательно, его турбулизацию, что не позволяет получать высокие коэффициенты теплоотдачи с внутренней стороны трубы, а также неравномерность последнего по длине трубы и периметру трубы вследствие появления участков на поверхности трубы, в которых происходит перетекание теплоносителя из одной в другую зону, что также не позволяет обеспечить максимальный коэффициент теплоотдачи для всей внутренней ее поверхности.

Конструктивно наиболее близким к предлагаемцй теплообменной трубе является трубчатый элемент теплообменника с размещенным внутри спиральным ленточным завихрителем, состоящим из отдельных секций, соединенных одна с другой посредством проволочных спиралей, длина которых больше длины секций, а спирали выполнены с шагом, составляющим 1-3d, и диаметром проволоки, равной 0,05-0,15 d, где d - внутренний диаметр трубчатого элемента. Завихритель разбивает турбулизи- рованный поток на две части и закручивает его, способствуя интенсивному перемешиванию всего теплоносителя, а проволочные спирали разрушают пристенный слой потока среды и интенсифицируют теплообмен.

Недостатком такого трубчатого элемента является то, что вставка в него содержит большое количество отдельных элементов, а отсюда и его сложность и трудоемкость установки. Отсутствие внутри трубы конфу- зорно-диффузорных участков, обеспечивающих высокое качество перемешивания всех слоев жидкости, ухудшает теплоотдачу внутри трубы. Низкая эффективность проволочных спиралей для интенсификации теплоотдачи при течении внутри трубы жидкостей, обладающих малой вязкостью, например воды, также снижает теплоотдачу.

Цель изобретения - интенсификация теплообмена.

Указанная цель достигается тем, что в теплообменной трубе с ленточной вставкой, имеющей чередующиеся спирально закрученные и прямолинейные участки, на прямолинейных участках выполнены расположенные в чередующемся порядке впадины и выступы, имеющие форму эллиптического параболоида, причем шаг каждого последующего спирально закрученного участка уменьшается в направлении движения среды.

Анализ известных технических решений в исследуемой области, т.е. теплооб- менных труб со вставками, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками, описывающими заявляемую теплообменную трубу с ленточной вставкой, и признать заявляемое решение соответствующим критерию существенные отличие.

В частности, не известны теплообмен- ные трубы с ленточными вставками, в которых на прямолинейных участках вставки были бы выполнены расположенные в чередующемся порядке впадины и выступы, имеющие форму эллиптического параболоида, большая ось которого совпадала бы с осью трубы, причем шаг каждого последующего спирально закрученного участка уменьшался бы направлении движения среды.

На чертеже изображена предлагаемая труба.

. В теплообменной трубе с ленточной вставкой 1, имеющей чередующиеся спирально закрученные 2 и прямолинейные 3 участки, на прямолинейных 3 участках выполнены расположенные в чередующемся порядке впадины 4 и выступы 5, имеющие форму эллиптического параболоида, большая ось 6 которого совпадает с осью трубы, причем шаг h каждого последующего спирально закрученного 2 участка уменьшается в направлении движения среды

В результате при протекании рабочей среды по трубе происходит с помощью лен- точной вставки 1 разбивка среды на две части и ее последовательное закручивание на спирально закрученных 2 участках вставки 1, расширение и сжатие на прямолинейных 3 участках с впадинами 4 и выступами 5, образующими КДУ, при этом среда на спирально закрученном 2 участке турбули- зуется, происходит перемешивание жидкости в ядре потока, а также разрыв пристенного ламинарного слоя Смежные спирально закрученные 2 участки вставки 1 могут иметь как одинаковое направление закрутки, так и противоположное. Участки увеличенных и пониженных скоростей на КДУ приводят к интенсивному смешива- нию всех слоев жидкости за счет возникновения кавитационного режима течения в сопловых сечениях. Около стенок трубы скорость прохождения среды особенно увеличивается на стороне выступов 5, что разрушает неподвижный слой жидкости на стенках и интенсифицирует теплообмен. При этом благодаря размещению между спирально закрученными участками 2 КДУ, образованных выступами 5, достигается интенсификация теплообмена, так как на последних пяти участках происходит как разрушение пристенного ламинарного слоя жидкости на стенках трубы, так и интенсивное перемешивание всех слоев жидкости в указанном участке трубы. Так как КДУ расположенный на противоположной стороне прямолинейного 3 участка с выступом 5t имеет значительно большее проходное сечение по сравнению с последним, гидравли- ческое сопротивление на этом участке с указанной стороны ленточной вставки 1 оказывается примерно таким, как и при прямом участке без впадин 4.

Выполнение шага каждого последую- щего спирально закрученного участка 2 в направлении движения среды меньшим шага предыдущего участка вставки в связи с уменьшением температурного напора между теплообмениеающимися средами в указанном направлении, а следовательно, уменьшением количества теплоты, передаваемой от одной среды к другой через единицу длины трубы, позволяет дополнительно интенсифицировать теплообмен. Наибольшая интенсификация теплообмена достигается при наличии на прямолинейных участках ленточной вставки 1 впадин 4 и выступов 5 по сравнению с другими формами последних в форме эллиптического параболоида, большая ось 6 которого совпадает с осью трубы, благодаря увеличению относительной по отношению к длине L конфу- зорного участка, на котором происходит сжатие среды, длины I этого же участка, имеющего минимальную площадь сжатого сечения, где скорость среды достигает максимальной величины.

Геометрические размеры выступов, шаг спиральных участков и их длина зависят от геометрических характеристик теплообменной трубы с ленточной вставкой и характеристик теплообмена, определяются из условий достижения максимальной теплоотдачи при допустимом увеличении гидравлического сопротивления. При этом вследствие интенсификации теплообмена длина теплообменных труб уменьшается, что в свою очередь, значительно компенсирует увеличение гидравлического сопротивления в сравнении, если бы такого уменьшения длины труб не происходило.

Таким образом, чередование участков трубы с закруткой потока жидкости в них и КДЦ, обеспечивающих интенсивное смешивание слоев жидкости за счет возникновения кавитационного режима течения в сопловых сечениях, приводит к интенсификации теплообмена. Такая теплообменная труба с ленточной вставкой может иметь наружное оребрение, и при этих условиях габариты теплообменника уменьшаются значительно.

Формула изобретения Теплообменная труба с ленточной вставкой, имеющей чередующиеся спирально закрученные и прямолинейные участки, отличающаяся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, на прямолинейных участках выполнены расположенные в чередующемся порядке впадины и выступы, имеющие форму эллиптического параболоида, большая ось которого совпадает с осью трубы, причем шаг каждого последующего спирально закрученного участка уменьшается в направлении движения среды.

Использование: в теплообменных аппаратах и конденсаторах паровых турбин. Сущность изобретения: внутри трубы размещена ленточная вставка 1, имеющая чередующиеся спирально закрученные 2 и прямолинейные 3 участки. На прямолинейных участках выполнены расположенные в чередующемся порядке впадины 4 и выступы 5, имеющие форму эллиптического параболоида, большая ось которого совпадает с осью трубы. Шаг каждого последующего спирально закрученного участка 2 уменьшается в направлении движения среды. 1 ил.