Теплообменный элемент

 

Изобретение относится к теплотехнике. Сущность изобретения: элемент содержит две соосно установленные с зазором трубы, на поверхностях которых выполнены спиральные канавки со взаимопротивоположным направлением закрутки. Углы подъема канавок составляют 50 - 70°, при этом угол подъема канавок внутренней трубы не равен углу подъема канавки наружной трубы. 3 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках различного назначения.

Известны теплообменные элементы типа труба в трубе (Справочник по теплообменникам, т.2, перевод с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др., М.: Энергоатомиздат, 1987, с.279, рис.11; патент США N 4106556, кл. F 28 F 9/10 от 26.11.76; авт.св. СССР N 669170, кл. F 28 D 7/12 от 25.06.79, бюл.23; патент США N 4330031 от 18.05.82), содержащие две соосно установленные трубы, разделенные кольцевым зазором, наружная из которых заглушена с одного торца. Один теплоноситель омывает внешнюю поверхность наружной трубы, а другой - поступает в канал внутренней трубы, а затем движется в кольцевом зазоре.

Для интенсификации теплообмена во внутреннем тракте такого теплообменного элемента применяют оребрение поверхности внутренней трубы, закрутку потока в кольцевом зазоре, струйное омывание поверхностей теплообмена (авт. св. СССР 1118843, кл. F 28 D 7/12 от 15.10.84, бюл. 38; авт.св. СССР 1657922, кл. F 28 D 7/12 от 23.06.91, бюл. N 23; авт.св. СССР 291083, кл. F 28 D 7/12 от 6.01.71, бюл. N 3; авт.св. СССР N 611097, кл. F 28 F 12/13 от 16.06.75, бюл. N 22, 1978).

Как правило, используемые методы интенсификации воздействуют на весь поток теплоносителя, что сопровождается существенным ростом гидравлического сопротивления, снижая энергетическую эффективность теплообменного элемента.

Известен эффективный метод интенсификации теплообмена в трубах и кольцевых каналах за счет применения кольцевых или спиральных турбулизаторов (Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, 1967, с.236, рис.8.4; Марушкин В.И. и др. Обобщение результатов исследования теплогидравлических характеристик профильных накатанных труб. - Теплоэнергетика, 1990, N 7, с.52, 53), влияющих на пристенный слой жидкости или газа. Технология нанесения таких интенсификаторов накаткой проста, ее стоимость составляет лишь несколько процентов от стоимости гладкой трубки (Калинин Э.К. и др. Интенсификация теплообмена в каналах. М. : Машиностроение, 1981, с.34).

В сравнительно узких кольцевых каналах теплообменных элементов типа труба в трубе может быть получена дополнительная интенсификация теплообмена при взаимодействии потоков, движущихся в пересекающихся винтовых каналах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменный элемент [1] , содержащий две соосно установленные трубы, разделенные кольцевым зазором, имеющие на внешних поверхностях по крайней мере по одной однозаходной спиральной канавке с противоположным направлением закрутки и формирующие в зазоре два пересекающихся винтовых канала, один из которых - спиральная канавка внутренней трубы, другой - между спиральными выступами другой трубы, при этом высота спирального выступа на внутренней стенке наружной трубы меньше ширины кольцевого канала.

В этом теплообменном элементе входной и выходной патрубки связаны между собой системой сообщающихся друг с другом в зонах пересечения спиральных каналов. При течении теплоносителя по винтовым каналам происходит его дополнительная турбулизация в зонах взаимодействия потоков и, как следствие, интенсификация теплообмена.

Течение теплоносителя в таких устройствах характеризуется как повышенным уровнем теплоотдачи, так и гидравлического сопротивления.

Взаимно пересекающиеся каналы реализованы в конструкции прототипа за счет спиральных гофр на поверхностях наружной и внутренней труб, обращенных внутрь кольцевого канала и имеющих малый угол подъема винтовой линии. В этом случае велик угол в зоне пересечения компланарных каналов и, как следствие, коэффициент гидравлического сопротивления. Существенный рост гидравлического сопротивления вызывает снижение энергетической эффективности теплообменного элемента.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности теплообменного элемента.

Цель достигается тем, что в теплообменном элементе, содержащем две соосно установленные трубы, разделенные кольцевым зазором, имеющие на внешних поверхностях по крайней мере по однозаходной спиральной канавке с противоположным направлением закрутки и формирующие в зазоре два пересекающихся винтовых канала, один из которых - спиральная канавка внутренней трубы, другой - канал между спиральными выступами другой трубы; при этом высота спирального выступа на внутренней стенке наружной трубы меньше ширины кольцевого канала, а угол ϕ подъема спиральных канавок составляет ϕ = (70-50)^о.

Если угол подъема винтовой линии больше 70, то мало число пересечений каналов и, как следствие, мало и турбулизирующее воздействие этих зон на поток теплоносителя и теплоотдачу. При угле подъема ϕ < 50^о рост гидравлического сопротивления каналов превышает увеличение теплоотдачи, что приводит к снижению энергетической эффективности теплообменного элемента.

Углы подъема ϕ спиральных канавок на наружной и внутренней трубах противоположны по направлению закрутки спирали, могут быть одинаковы или различны по абсолютному значению.

В предлагаемой конструкции коэффициенты теплоотдачи возрастают не только при омывании внешней поверхности наружной трубы, при движении теплоносителя в трубе с кольцевым выступом на внутренней стенке, но и в кольцевом канале вследствие наличия пересекающихся винтовых каналов с углом подъема ϕ = 70-50^о без значительного превышения роста гидравлического сопротивления над увеличением теплоотдачи.

На фиг. 1 приведена схема теплообменного элемента, продольное сечение; на фиг.2 - схема развертки винтовой линии; на фиг.3 - схема совмещения разверток наружной поверхности внутренней трубы и внутренней поверхности наружной.

Теплообменный элемент содержит две соосно установленные трубы 1, 2, разделенные кольцевым зазором 3, имеющие на внешних поверхностях по крайней мере по однозаходной спиральной канавке 4 с противоположным направлением закрутки и формирующие в зазоре два пересекающихся винтовых канала 5, 6, один из которых - спиральная канавка внутренней трубы 1, другой - между спиральными выступами 7 другой трубы 2.

Один теплоноситель (стрелка 9) омывает внешнюю поверхность наружной трубы 2, а второй (стрелка 10) движется по каналу внутренней трубы 1 в сторону заглушенного торца 8, разворачивается и поступает в кольцевой зазор 3 между трубами, где, двигаясь через "вихревую матрицу", турбулизируется, что способствует росту теплоотдачи.

Так как угол ϕ подъема спиральных канавок находится в пределах 70-50^о, то интенсификация теплообмена сопровождается умеренным стабильным ростом гидравлического сопротивления.

Использование предлагаемого изобретения позволяет интенсифицировать теплообмен как внутри, так и снаружи теплообменного элемента, без значительного роста гидравлического сопротивления, что обуславливает повышение энергетической, эффективности теплообменного элемента.

Формула изобретения

ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две соосно установленные трубы, разделенные кольцевым зазором и выполненные со спиральными канавками, имеющими взаимно противоположное направление закрутки, отличающийся тем, что углы подъема спиральных канавок составляют 50 - 70^o, при этом угол подъема канавок внутренней трубы не равен углу подъема канавок наружной трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3