Спосіб підвищення ефективності теплообмінного елемента
Власники патенту UA 2537643:
Винахід відноситься до теплообмінних апаратів і може бути використане в енергетиці та суміжних з нею галузях промисловості. Спосіб полягає в інтенсифікації теплообміну шляхом виконання періодичних кільцевих виступів на внутрішній поверхні теплообмінного елемента. Теплообмінний елемент виконують у вигляді гнучкої спіралеподібної труби з періодично розташованими на її внутрішній поверхні турбулізаторами, переважно, у вигляді кільцевих виступів, при цьому радіус R спіралі виконують в межах 0,05≤D/R≤0,25, де D - внутрішній діаметр труби , R - радіус спіралі, внутрішній діаметр виступів d - в межах 0,85≤d/D≤0,98, а крок t між ними - в межах 0,45≤t/D≤0,6. Технічний результат – підвищення ефективності теплообмінного елемента. 2 іл.
Винахід відноситься до теплообмінних апаратів і може бути використане в енергетиці та суміжних з нею галузях промисловості.
Відомий теплообмінний апарат з теплообмінним елементом з гладких труб з інтенсифікаторами у вигляді пружинних вставок з дроту, встановлених у проточній частині каналу (див. Ю.Г.Назміїв. Теплообмін при ламінарному перебігу рідини в дискретно-шорстких каналах. - 9: .- 371 с).
У відомих інтенсифікаторах при малих кроках дротяної спіралі порушується тепловий контакт виступу (дроту) з поверхнею труби, що спричиняє істотне падіння теплової ефективності дротяної спіралі.
Відомий спосіб інтенсифікації теплообміну шляхом виконання періодичних кільцевих виступів на внутрішній поверхні теплообмінного елемента. Сутність зазначеного методу ось у чому. На зовнішню поверхню труби накаткою наносяться періодично розташовані кільцеві канавки, причомуна внутрішній стороні труби утворюються кільцеві діафрагми з плавною конфігурацією. Кільцеві діафрагми та канавки турбулізують потік у пристінному шарі та забезпечують інтенсифікацію теплообміну зовні та всередині труб. При цьому не збільшується зовнішній діаметр труб, що дозволяє використовувати дані труби в тісних пучках і не змінювати існуючу технологію збирання теплообмінних апаратів (Дрейцер Г.А., Щербаченко І.К. Дослідження інтенсифікації теплообміну в трубах з кільцевими турбулізаторами плавної конфігурації // «Ракетні і космічні системи". Збірник тез статей студентів, аспірантів і молодих учених. М.: Вид-во МАІ. 2000. С.96-100).
Основними недоліками є неоптимальні геометричні характеристики турбулізаторів, що, з одного боку, веде до захаращення тракту та зростання його гідравлічного опору, з іншого – не дозволяє отримати оптимальні умови теплообміну.
Відомий спосіб інтенсифікації теплообміну і теплообмінний елемент, з трубами з гвинтовою накаткою для реалізації зазначеного способу (Назміїв Ю.Г., Конахіна І.А. Інтенсифікація теплообміну при перебігу в'язкої рідини в трубах з гвинтовою накаткою. Теплоенергетика. 1993. №1. 59-62).
Недоліком зазначеного теплообмінного елемента є його підвищений гідравлічний опір, зниження міцності на поздовжній розрив, спричинений утворенням концентрацій напруги при пластичній деформації стінки теплообмінного елемента в процесі накатки виступів.
Відомий спосіб інтенсифікації теплообміну та теплообмінний елемент для реалізації зазначеного способу, що являє собою трубу, виконану з дроту у вигляді тугої пружини, витки якої жорстко скріплені. (Патент України на корисну модель №62694, F28D 7/00, F28D 11/04 – прототип).
Зазначений теплообмінний елемент виконаний з дроту заданого перерізу, наприклад круглого, з простої або легованої сталі із заданим кутом підйому гвинтової лінії з подальшим зварюванням стиків лазерним променем або паянням.
При перебігу рідин у проточній частині зазначених елементів суттєво інтенсифікується процес руйнування пристінного ламінарного підшару, відбувається утворення вихрової структури біля вхідної кромки елемента, що не затухає вздовж усієї проточної частини пружинно-крученого теплообмінного елемента, що сприяє захопленню теплогідродинамічної ефективності пропонованого тепло.
Наявність спіральних виступів на зовнішній поверхні пружинно-крученої труби призводить до виникнення ефекту ребра труби з низькими накатаними однозахідними ребрами напівкруглого перерізу з їх малим кроком, що тим самим збільшує поверхню теплообміну.
Основними недоліками є складність конструкції, пов'язана з наявністю великої кількості зварених/паяних швів на поверхні труби, неоптимальні геометричні характеристики турбулізаторів, що, з одного боку, веде до захаращення тракту та зростання його гідравлічного опору, з іншого - не дозволяє отримати оптимальні умови теплообміну.
Завданням винаходу є створення способу інтенсифікації теплообміну при зменшенні поверхні теплообміну та збереженні теплової продуктивності, при зниженні потужності прокачування витрат теплоносіїв.
Рішення зазначеної задачі досягається тим, що в запропонованому способі підвищення ефективності теплообмінного елемента, що полягає в інтенсифікації теплообміну шляхом виконання періодичних кільцевих виступів на внутрішній поверхні теплообмінного елемента, згідно винаходу, теплообмінний елемент виконуютьвигляді спіралеподібної гнучкої труби з періодично розташованими на її внутрішній поверхні турбулізаторами, переважно, у вигляді кільцевих виступів, при цьому радіус R спіралі виконують в межах 0,05
Нижнє значення зазначеного співвідношення 0,05≤D/R≤0,25 вибрано виходячи з того, що при подальшому його зменшенні не відбувається інтенсифікація теплообміну.
Верхнє значення зазначеного співвідношення 0,05≤D/R≤0,25 вибрано виходячи з того, що при подальшому його збільшенні відбувається захаращення гідравлічного тракту теплообмінного елемента, що веде до зростання його гідравлічного опору.
Нижнє значення зазначеного співвідношення 0,85≤d/D≤0,98 вибрано виходячи з того, що при подальшому його зменшенні не відбувається інтенсифікація теплообміну.
Верхнє значення зазначеного співвідношення 0,85?
Верхнє значення зазначеного співвідношення 0,45≤t/D≤0,6 обрано виходячи з того, що при подальшому його збільшенні практично не відбувається інтенсифікація теплообміну, за рахунок того, що за рахунок досить великої довжини між турбулізаторами потік встигає стабілізуватися.
Нижнє значення зазначеного співвідношення 0,45 t/D 0,6 вибрано виходячи з того, що при подальшому його зменшенні відбувається зростання гідравлічного опору тракту теплообмінного елемента.
Сутність винаходу ілюструється кресленнями, де на фіг.1 показаний загальний вигляд теплообмінного елемента, на фіг.2 - поздовжній переріз теплообмінного елемента із зазначенням розмірів.
Запропонований спосіб може бути реалізований при використанні теплообмінного елемента наступної конструкції.
На внутрішній поверхні труби виконують 1 турбулізатори 2 у вигляді спіральних виступів з урахуванням наступних співвідношень: радіус R спіралі становить 0,05≤D/R≤0,25, де D - внутрішній діаметр труби, R - радіус спіралі, при цьому внутрішній діаметр d виступів становить 0,85≤d/D≤0,98, а крок t між ними - 0,45≤t/D≤0,6.
Запропонований спосіб може бути реалізований при використанні зазначеного теплообмінного елемента в такий спосіб.
Теплоносій подають у вхідну частину 1 труби і направляють до вихідної частини. Наявність турбулізаторів 2 на внутрішній поверхні труби 1 призводить до виникнення ефекту ребра труби 1 з низькими накатаними однозахідними ребрами напівкруглого перерізу з їх малим кроком, що тим самим збільшує поверхню теплообміну.
Виконання турбулізаторів 2 на внутрішній поверхні теплообмінного елемента дозволяє суттєво інтенсифікувати теплообмін за рахунок закрутки потоку витими елементами елемента та відривних течій на виступах, виконаних у вигляді частини кола.
При перебігу рідин в проточній частині пропонованих елементів суттєво інтенсифікується процес руйнування пристінного ламінарного підшару, відбувається утворення вихрової структури у вхідної кромки елемента, незатухающей уздовж усієї проточної частини теплообмінного елемента, що сприяє збільшенню теплогідродинамічної ефективності пропонованого теплообмінного елемента, при цьому за рахунок вказаних межах практично не змінюється гідравлічний опір тракту теплообмінного елемента.
Спосіб підвищення ефективності теплообмінного елемента, що полягає в інтенсифікації теплообміну шляхом виконання періодичних кільцевих виступів на внутрішній поверхні теплообмінного елемента,характеризується тим, що теплообмінний елемент виконують у вигляді гнучкої спіралеподібної труби з періодично розташованими на її внутрішній поверхні турбулізаторами, переважно, у вигляді кільцевих виступів, при цьому радіус R спіралі виконують в межах 0,05≤D/R≤0,25, де D - внутрішній діаметр труби, R - радіус спіралі, внутрішній діаметр d виступів - в межах 0,85≤d/D≤0,98, а крок t між ними - в межах 0,45≤t/D≤0,6.