Турбулизатор Советский патент 1992 года по МПК B01F15/00 

Ё

Использование: получение интенсивной турбулентности в омывающем стенку жидкостном или газовом потоке в аппаратах химических производств. Сущность изобретения: тонкостенное тело 1 с выполненными на нем чередующими в шахматном порядке выступами 4 и впадинами 5 в виде наклонных к направлению потока удлиненных канавок с плоскими гранями 6 и 7 и прямолинейными кромками 8. Впадины с внутренней стороны тела образуют ряд полых лопаток. Тонкостенное тело 1 выполнено трубчатым. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гидравлике, предназначено для получения интенсивной турбулентности в омывающем стенку газовом или жидкостном потоке с целью увеличения тепломассообмена в аппаратах химических производств для интенсификации поверхностных каталитических процессов, в трубчатых теплообменниках, смесителях эмульсий и суспензий.

Известны турбулизаторы, содержащие установленный в потоке жидкости или газа набор плохообтекаемых тел. Такой турбули- затор создает интенсивное турбулентное поле, однако имеет очень высокое гидросопротивление в то время, как длячинтенсификации поверхностных процессов достаточно организовать турбулентность в пристенном слое потока.

Известен турбулизатор в виде выполненных на стенке шероховатостей, выштам- повок и канавок различной формы. Он повышает турбулентность в пограничном

слое, однако ввиду неупорядоченности вихрей они быстро диссипируют в спутном потоке, ввиду чего их воздействие на тепломассоперенос невелико и определяется в основном увеличением омываемой поверхности.

Известен турбулизатор, содержащий тонкостенное трубчатое тело с выполненными на нем чередующимся в шахматном порядке выступами и впадинами, ширина которых уменьшается к вершинам выступов и глубине впадин. Этот турбулизатор технологичен и обеспечивает повышение тепло- массопереноса вблизи стенки, не затрагивая непосредственно основной поток. Он наиболее близок к предложенному по своей технической сущности и большинству общих существенных признаков. Выбираем его в качестве прототипа изобретения.

Недостатки известного турбулизатора состоят в неорганизованном, хаотичном

XI

О

ю

|

JOO

турбулентном течении у стенки, вызванном обтеканием выступов, отрывом потока за ними, следствием чего является повышенное его гидросопротивление омывающему потоку.

Целью изобретения является обеспечение опережающего роста тепломассообмена по сравнению с гидросопротивлением омываемого участка тонкостенного тела. Это происходит за счет организации семейства спиральных вихревых шнуров, по которому основной поток течет как по роликовым подшипникам.

Эта цель в преложенном устройстве обеспечивается тем, что при выполнении турбулизатора в виде тонкостенного тела с выполненными на нем чередующимися в шахматном порядке выступами и впадинами, ширина которых уменьшается к вершинам выступов и глубина впадин, впадины выполнены в виде наклонных к направлению потока удлиненных отрезков канавок с прямолинейной кромкой при вершине, образующих с внутренней стороны тонкостенного тела ряд полых лопаток, а также тем, что при выполнении тонкостенного тела трубчатым, грани выступов и впадин выполнены плоскими.

На фиг.1 представлен внешний вид турбулизатора в виде трубы, на фиг,2 - его поперечное сечение; на фиг.З - продольный разрез тонкостенного трубчатого тела и схема обтекания выступов жидкостью; нафиг.4 - вид варианта турбулизатора с плоскими гранями выступов и впадин; на фиг.5 - поперечное сечение трубчатого варианта турбулизатора с плоскими гранями, имеющего плоскую развертку.

Турбулизатор (фиг.1, 2) содержит тонкостенное трубчатое тело 1 с выходным патрубком 2 и выходным патрубком 3, с выполненными на его внешней поверхности чередующимися в шахматном порядке выступами 4 и впадинами 5, образованными гранями 6 и 7, На внутренней стороне трубы 1 выступы 4 и впадины 5 образуют впадины 8 и выступы 9, образующие полые завихри- вающие лопатки 10 с прямолинейными кромками 11 и плоскими гранями 12 и 13, расположенными под острым углом к направлению жидкостного потока (фиг.З). В пределе, при плотном размещении выступов 4 и впадин 5 возможно формирование тела 1 сплошь из чередующихся в шахматном порядке плоскогранных выступов 4 и впадин 5 (фиг.4), образующих гофрированную стенку, развертка которой представляет часть плоскости, т.е. для изготовления такой поверхности можно использовать плоский лист и с помощью лишь изгибной

деформации, без вытяжки получать гофрированную поверхность турбулизатора. Глубина впадин 5 и 8 может быть различной в зависимости от назначения турбулизатора.

Для трубок каталитической насадки, где нужна поверхностная турбулизация, глубина впадин 5 и 8 может составить всего 1,5...2,5% от эквивалентного гидравлического диаметра dr трубок насадки, для трубчатых теплообменников - 0,3...0,8dr. Угол наклона прямолинейных кромок 10 выступов 9 к направлению потока определяется областью применения турбулизатора. Для создания интенсивной общей завихренности, например, в реакционном аппарате химической технологии, оптимальным является диапазон а 30...60° к направлению потока, в то время как в каталитических насадках о. 55,..78°, а в теплообменниках

Форма поверхности тонкостенного тела 1 турбулизатора определяется также осо- бенностями его применения. При использовании в трубчатых теплообменниках тело 1 может быть тонкостенной трубой круглого, эллиптического или прямоугольного сечения;при использовании изобретения в каталитических насадках тело 1 может быть кольцеобразным, например коническим.

Предложенная форма выполнения турбулизатора может быть выполнена как элемент конструкции теплоэнергетического агрегата (камеры сгорания, теплообменника, реакционного аппарата химической технологии).

При подаче жидкости или газообразного рабочего тела к патрубку 2 поток обтекает выступы 9 и образует за кромками 11 лопаток 10 примыкающие к граням 12 вихревые шнуры 14, стекающие ввиду наклона кромок 11 к направлению потока вдоль стенок трубчатого тела 1. Кроме того, поток вдоль стенок получает и общую подкрутку в сторону

наклона образованных выступами 9 лопаток 10. Последовательность чередующихся выступов 9 образуют и последовательность спиральных вихревых шнуров 14, обтекающих всю внутреннюю поверхность тела 1, по

которым основной поток как бы перекатывается, как на гидродинамических роликовых подшипниках. Массообмен между пристенком и потоком возрастает за счет вихревого течения, а гидравлические потери снижаются за счет отсутствия нерегулярных отрывов потока, локальных зон с большими градиентами потока.

Аналогично происходит обтекание и внешней поверхности тела 1. Форма спиральных отрезков впадин 5 и выступами 4 такова, что обтекающий их поток может быть не только продольным, параллельным оси трубчатого тела 2, но и поперечным, например при обтекании пучков теплооб- менныхтруб. Кроме повышения теплообмен- ных качеств турбулизатор имеет существенно большую эластичность, позволяет сгибать, удлинять и укорачивать его без возникновения в материале опасных напряжений при значительных деформациях. Это обстоятельство повышает надежность реакционных и теплообменных аппаратов, в которых применен предложенный турбулизатор. Наличие на поверхности турбулизатора полых хордаль- ных лопаток, образованных выступами 4 и 5, предотвращает его засорение при использовании загрязненных жидкостей, содержащих крупные волокнистые включения, что неизбежно при использовании лопаточных за- вихрителей.

J

Фиг 1

Формула изобретения

2,Турбулизатор по п.1, о т л и ч а ю щи й- сятем, что грани выступов и впадин выполнены плоскими.

/ б

7

/4фс/г 5