Вихревой теплообменный элемент

 

Использование: в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок, реакторостроении, позволяя уменьшить массу и габариты теплообменного оборудования. Сущность изобретения: теплообменного элемента, содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы 1 и 2. Труба 2, большего диаметра, снабжена по меньшей мере одним завихрителем 3, обеспечивающим закрутку проходящего через него потока и установленным по меньшей мере на входном участке 4, при полной тепловой нагрузке теплообменного элемента. Максимальное значение окружной скорости в выходном сечении 1-1 завихрителя 3 холодного теплоносителя трубы 2 не превышает критического значения скорости, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, в результате чего в процессе затухания вращательного движения потока за выходным сечением 1-1 указанного завихрителя 3 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока. 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности, в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок, реакторостроения, позволяя уменьшить массу и габариты теплообменного оборудования.

Известен теплообменный элемент [1] типа "труба в трубе", внутренняя из труб которого снабжена продольными наружными расчлененными и сплошными ребрами, в котором с целью интенсификации теплообмена путем закручивания потоков среды, протекающей в межтрубном пространстве, между смежными ребрами размещены пары расчлененных ребер с элементами, расположенными в каждом ребре под одинаковыми углами к продольной оси, а в смежных симметрично относительно нее, и кромки каждого элемента отогнуты по винтовой линии.

Недостатками работы теплообменного элемента являются низкий коэффициент теплопередачи вследствие малого коэффициента теплоотдачи с его внутренней стороны и неиспользование закрученных потоков среды, протекающих в межтрубном пространстве, для вихревого переноса тепла.

Известен вихревой теплообменник-кассы (вихревого теплообменного элемента) [2] содержащий соосные цилиндры, образующие две кольцевые полости, при этом внутренний и средний цилиндры выполнены в форме многозаходных винтовых насосных роторов.

Недостатками такого вихревого теплообменника-насоса являются сложность конструкции, низкий коэффициент теплопередачи из-за неиспользования вихревого способа переноса теплоты и повышенное гидравлическое сопротивление.

Известен теплообменный элемент, рассматриваемый в качестве прототипа, содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы, в зазоре между которыми расположен по меньшей мере один завихритель [3] Размещение завихрителя обеспечивает закрутку проходящего через него потока, что способствует интенсификации теплообмена.

Задачей изобретения является еще большая интенсификация теплообмена.

На фиг. 1 представлен вихревой теплообменный элемент; на фиг. 2 - характерные кривые распределения окружных скоростей ωʹ и ωʺ по радиусу в сочетании потока (тангенциальный вход среды в трубы); на фиг. 3 вихревой теплообменный элемент; на фиг. 4 изменение температуры горячего и холодного теплоносителей при прямотоке; на фиг. 5 изменение температуры горячего и холодного теплоносителей при противотоке, на фиг. 6 вихревой теплообменный элемент; на фиг. 7 сечение по А-А на фиг. 6 с закрученным потоком среды в трубе при симметричном входе в завихритель; на фиг. 8 сечение по А-А на фиг. 6 с закрученным потоком среды в трубе при несимметричном входе в завихритель.

Вихревой теплообменный элемент (фиг. 1), содержит соосно расположенные с зазором одна в другой теплообменные трубы 1 и 2. Труба 2 большего диаметра состоит по меньшей мере из одного участка, снабженного независимым подводом и отводом теплоносителя и по меньшей мере одним завихрителем 3, обеспечивающим закрутку проходящего через него потока, и установленным по меньшей мере на выходном участке 4 вышеуказанного участка, при всей совокупности конструктивных, физических и режимных параметров, соответствующих паспортным данным, при полной тепловой нагрузке теплообменного элемента максимальное значение окружной скорости в выходном сечении 1-1 завихрителя 3 холодного теплоносителя трубы 2 большего диаметра не превышает критического значения при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 5 (фиг. 2) потока, в результате чего в процессе затухания вращательного движения потока за выходным сечением 1-1 указанного завихрителя 3 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, при этом работа теплообменного элемента при долевой тепловой нагрузке обеспечивается путем изменения режимных параметров.

При этом соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы 1 и 2 могут быть выполнены цилиндрическими (фиг. 1); внутренняя труба 1 и внутренняя поверхность 6 трубы 2, большего диаметра, могут быть выполнены цилиндрическими (фиг. 1); наружная поверхность 7 внутренней трубы 1 и внутренняя поверхность 6 трубы 2, большего диаметра, могут быть выполнены цилиндрически (фиг. 1); труба 2, большего диаметра, может быть выполнена по меньшей мере из двух участков 8 и 9, каждый из которых снабжен по меньшей мере одним завихрителем 10 и 11, обеспечивающим закрутку проходящего через него потока и установленным по меньшей мере на входном участке 4 и каждый из вышеуказанных участков 8 и 9 трубы 2 (фиг. 3); внутри по крайней мере каждого участка 8, 9 трубы 2, большего диаметра, на расстоянии от первого завихрителя 10 и 11, установленного на входном участке 4 вышеуказанного участка 8 и 9, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 12 и 13, при этом расстояние l₁ и l₂ между выходным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 10 и 11 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя 12 и 13 по ходу потока может не превышать величину длины, на которой происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента (фиг. 3); внутри по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, на расстоянии от первого завихрителя 10 и 11, установленного на выходном участке 4 вышеуказанного участка 8 и 9, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 12 и 13, при этом расстояние l₁ и l₂ между выходным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 10 и 11 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя 12 и 13 по ходу потока может не превышать величину длины, на которой происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента (фиг. 3); угол ϕ₁ и ϕ₂ выхода потока холодного теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 12 и 13 по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, по отношению к оси трубы 2, может уменьшаться в направлении движения потока (фиг. 3); внутри по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, на расстоянии от первого завихрителя 10 и 11, установленного на входном участке 4 вышеуказанного участка 8 и 9, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 12 и 13, при этом расстояние l₁ и l₂ между входным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 10 и 11 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя 12 и 13 по ходу потока может уменьшаться в направлении движения потока (фиг. 3); внутри по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, на расстоянии от первого завихрителя 10 и 11, установленного на входном участке 4 вышеуказанного участка 8 и 9, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 12 и 13, при этом расстояние l₁ и l₂ между выходным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 10 и 11 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя 12 и 13 по ходу потока может сохраняться одинаковым (фиг. 3); угол ϕ₁ и ϕ₂ выхода потока холодного теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 12 и 13 по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, по отношению к оси трубы 2, может сохраняться одинаковым в направлении движения потока (фиг. 3); по крайней мере все завихрители 10, 11, 12, 13 теплообменной трубы 2, большего диаметра, могут быть выполнены одного типа (фиг. 3); по меньшей мере завихрители теплообменной трубы 2 могут быть выполнены двух типов, каждый из которых на соответствующем участке 8 и 9 трубы 2 обеспечивает необходимый угол ϕ выхода потока холодного теплоносителя из завихрителей по отношению к оси трубы 2 (фиг. 3); во внутренней трубе 1 может быть размещен по меньшей мере один завихритель 14, обеспечивающий закрутку проходящего через него потока горячего теплоносителя и установленный на входном участке 15 вышеуказанной трубы 1.

При этом при всей совокупности конструктивных, физических и режимных параметров, соответствующих паспортным данным, при полной тепловой нагрузке теплообменного элемента максимальное значение окружной скорости закрученного в завихрителе 14 теплоносителя в выходном его сечении 3-3 не превышает критического значения (фиг. 2), при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 5 потока, имеющих температуру, близкую к температуре t_2(3-3) холодного теплоносителя и вышеуказанном сечении 3-3 (фиг. 4, 5), движущегося снаружи внутренней трубы 1, в результате чего в процессе затухания вращательного движения потока за выходным сечением 3-3 завихрителя 14 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока (фиг. 3); во внутренней трубе 1 на расстоянии от первого завихрителя 14, установленного на ее входном участке 15, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 16, при этом расстояние l₃ между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может не превышать длины участка трубы 1, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента (фиг. 3).

Во внутренней трубе 1 на расстоянии от первого завихрителя 14, установленного на ее входном участке 15, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 16, при этом расстояние l₃ между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может превышать длину участка трубы 1, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента (фиг. 3); угол Ψ выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 16 внутренней трубы 1 по отношению к оси последней может уменьшаться в направлении движения потока (фиг. 3); угол j выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 16 внутренней трубы 1 по отношению к оси последней может увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 3).

Во внутренней трубе 1 на расстоянии от первого завихрителя 14, установленного на ее входном участке 15, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 16, при этом расстояние l₃ между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может уменьшаться в направлении движения потока (фиг. 3); во внутренней трубе 1 на расстоянии от первого завихрителя 14, установленного на ее входном участке 15, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 16, при этом расстояние между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного и ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 3); во внутренней трубе 1 на расстоянии от первого завихрителя 14, установленного на ее входном участке 15, может быть размещен по меньшей мере второй завихритель потока 16 при этом расстояние l₃ между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может сохраняться одинаковым (фиг. 3); угол j выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 16 внутренней трубы 1 по отношению к оси последней может сохраняться одинаковым в направлении движения потока (фиг. 3); по крайней мере 14 и 16 внутренней трубы 1 могут быть выполнены одного типа (фиг. 3).

Завихрители внутренней трубы 1 по меньшей мере на одном из ее участков могут быть выполнены одного типа, а на по меньшей мере втором участке они могут быть выполнены другого типа, отличающегося от первого, каждый из которых обеспечивает на соответствующем участке внутренней трубы 1 и зависимости от направления движения горячего и холодного теплоносителей необходимый угол выхода потока горячего теплоносителя из завихрителя по отношению к оси трубы 1 (фиг. 3); направления движения горячего и холодного теплоносителей могут совпадать (прямоток) (фиг. 1, 3, 4); направление движения горячего теплоносителя может быть противоположно движение холодного теплоносителя (противоток) (фиг. 5, 6); вращение закрученных потоков горячего и холодного теплоносителей может осуществляться в одном направлении (фиг. 3); вращение закрученных потоков горячего и холодного теплоносителя может осуществляться во взаимно противоположных направлениях (фиг. 6).

Способ работы вихревого теплообменного элемента (фиг. 1, 2) осуществляется в соответствии с законом, открытым автором, который гласит: "В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой среды) с неоднородным полем плотностей в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока.

При максимальном значении окружной скорости, большем критического значения, процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанном направлении, т.е. в направлении к "периферии потока".

Таким образом, предложенный способ работы вихревого теплообменного элемента раскрывает существо ранее неизвестного в теплопередаче вихревого способа переноса теплоты внутри вращающегося потока среды, теплообменивающейся со стенкой трубы (теплообменного элемента).

В вихревом теплообменном элементе (фиг. 1), содержащем соосно расположенные с зазором, для теплоносителя, одна в другой теплообменные трубы 1 и 2, труба 2, большего диаметра, может состоять по меньшей мере из одного участка с независимыми подводом и отводом теплоносителя к последнему и содержать по меньшей мере один завихритель 3. В указанном случае завихритель 3 устанавливается на входном участке 4 вышеуказанного участка трубы 2, благодаря чему закрученный поток среды в завихрителе 3 и выходящий из него, перемещаясь в осевом направлении, одновременно осуществляет и вращательное движение.

При этом совокупностью конструктивных, физических и режимных параметров при полной тепловой нагрузке теплообменного элемента обеспечивается условие, при котором максимальное значение окружной скорости (фиг. 2) [4] закрученного в завихрителе 3 холодного теплоносителя в выходном его сечении 1-1 (при тангенциальной закрутке на выходе из участка 4 трубы 2% не превышает критического значения при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 5 потока (фиг. 2), имеющих температуру холодного теплоносителя в вышеуказанном случае на входе в участок трубы 2 (при одном завихрителе в участке). В связи с интенсивным теплообменом между вращающимся потоком среды в трубе 2 и наружной поверхностью внутренней трубы 1 еще в процессе закрутки среды на входном участке 4 происходит нагрев холодного теплоносителя в зоне контакта его с последней, благодаря чему из завихрителя 3 (при тангенциальной закрутке на выходе из участка 4 трубы 2) выходит поток с неоднородным полем плотностей. При этом плотность периферийного кольцевого слоя вращающего потока среды оказывается большей в сравнении с плотностью центральной части потока, имеющий температуры, близкую к температуре горячего теплоносителя t_1(1-1) во внутренней трубе 1 в сечении 1-1 теплообменного элемента (фиг. 1, 4). Поэтому при вышеуказанных условиях, когда в выходном сечении 1-1 завихрителя 3 процесс непрерывного замещения мене тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока возникает сразу по выходу среды из вышеуказанного завихрителя 3 и продолжается вплоть до полного затухания вращательного движения потока, так как процесс нагрева центрального кольцевого слоя вихревого потока среды в трубе 2 происходит по всей длине теплообменной трубы 1 теплообменного элемента, благодаря чему достигается высокая эффективность теплообмена. При этом, процесс вихревого переноса теплоты сопровождается и теплопроводностью, роль которой определяется величиной коэффициента теплопроводности холодного теплоносителя, движущегося внутри трубы 2, большего диаметра.

При малом значении коэффициента теплопроводности холодного теплоносителя роль теплопроводности в процесс переноса теплоты становится незначительной, особенно при большей осевой скорости потока. С уменьшением осевой скорости потока ее роль возрастает. Перенос теплоты вихревым способом наиболее целесообразен при использовании в качестве холодного теплоносителя газа, так как газы имеют низкое значение коэффициента теплопроводности в сравнении с коэффициентом в сравнении с коэффициентом теплопроводности канальных жидкостей, поэтому (большая) разница температур между центральной нагретой зоной потока и ее периферийной зоной, имеющей низкую температуру, будет сохраняться в течение большого времени при прочих равных условиях, что обеспечивает и большую относительную разницу в плотностях, указанных зон потока, а соответственно и интенсивный процесс замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока.

Перемещение тяжелых частиц среды ближе к оси вращения потока происходит по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса вращения. При этом при переходе на меньшей радиус вращения тяжелые частицы, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц среды на указанном радиусе, отдавая часть кинетической энергии другим частицам, менее тяжелым, в результате чего процесс перемещения их (тяжелых частиц) к оси вращения ускоряется, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Процесс взаимного замещения частиц среды в вихревом потоке, имеющих разную плотность, сопровождается затратой работы замещения. Перемещение менее тяжелых частиц среды в направлении к периферии закрученного потока также происходит по спиралеобразной траектории с увеличением радиуса вращения.

Вихревой способ переноса теплоты от горячей наружной поверхности внутренней трубы 1 вглубь холодного теплоносителя, движущегося во вращающемся потоке внутри трубы 2, большего диаметра, позволяет получить высокий коэффициент теплопередачи между средами, когда при этом обеспечивается высокий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны трубы 1, в которой движется горячий теплоноситель. В связи с последним в качестве горячего теплоносителя при гладкой внутренней поверхности трубы 1 и отсутствии в ней различных ставок целесообразнее использовать жидкость также применять различные способы интенсификации теплоотдачи с внутренней стороны трубы 1 и другое.

В зависимости от назначения, условий работы и других особенностей вихревого теплообменного элемента последний может выполняться с соосно расположенными одна в другой цилиндрически теплообменными трубами 1 и 2 (фиг. 2). В отдельных случаях цилиндрическими могут быть выполнены внутренняя труба 1 и внутренняя поверхность 6 трубы 2, большого диаметра (фиг. 1), или наружная поверхность 7 внутренней трубы 1 и внутренняя поверхность 6 трубы 2, большего диаметра (фиг. 1).

В целях обеспечения компактности теплообменного элемента при увеличенных тепловых нагрузках между теплообменивающимися средами труба 2, большего диаметра, может выполняться по меньшей мере из двух участков 8 и 9, каждый из которых снабжен по меньшей мере одним завихрителем 10 и 11 установлены в указанном случае (один завихритель на участок) на входном участке 4 в каждый из вышеуказанных участков 8 и 9 (фиг. 3).

Перенос теплоты вихревым способом может осуществляться не только на ограниченном по длине участке теплообменного элемента, на котором происходит полное затухание вращательного движения после выхода среды из завихрителей 3, а также 10 и 11, но и на большей или всей длине теплообменного элемента за счет установки внутри трубы 2, большего диаметра, по крайней мере в каждом из ее участков 8 и 9 на расстоянии от первого завихрителя 10, 11 по меньшей мере второго завихрителя потока 12 и 13 (фиг. 3) или нескольких завихрителей, количество которых определяется длиной трубы 2 или каждого из ее отдельных участков 8 и 9. При этом расстояние l₁ и l₂ между выходным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 10 и 11 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя 12 и 13 по ходу потока может не превышать, а в отдельных случаях превышать величину длины, на которой происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента (фиг. 3). Выбор расстояния между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего завихрителя и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя по ходу потока определяется из условия достижения требуемых характеристик вихревого теплообменного элемента. В первом случае достигается более высокий коэффициент теплоотдачи в сравнении со вторым случаем при прочих равных условиях. Кроме того, при входе среды в последующий завихритель по движению потока в закрученном состоянии уменьшаются гидравлические потери в самом завихрителе.

Угол ϕ₁ и ϕ₂ выхода потока холодного теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 12 и 13 по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, по отношению к оси трубы 2, целесообразно уменьшить в направлении движения потока (фиг. 3). Последнее связано с тем, что температура холодного теплоносителя в направлении его движения (фиг. 4, 5) в теплообменном элементе повышается, следовательно, будет снижаться в том же направлении за счет уменьшения плотности среды в периферийной зоне потока.

Увеличение коэффициента теплоотдачи с наружной стороны внутренней трубы 1 может достигаться также при наличии внутри по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, по меньшей мере второго завихрителя 12, 13, установленного на расстоянии от первого завихрителя 10, 11, уменьшением расстояния l₁ и l₂ между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего и входным сечением последующего завихрителя по ходу потока. Вышеуказанное уменьшение расстояния l₁ и l₂ и направления движения потока, исходя из заданных характеристик теплообменного элемента по теплопередаче, может выполняться независимо от уменьшения угла выхода ϕ потока холодного теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя.

Расстояние l₁ и l₂ между выходным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 10 и 11 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя 12 и 13 трубы 2, большего диаметра, по ходу потока может сохраняться одинаковым (фиг. 3), а также угол v₁ и ϕ₂ выхода потока холодного теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 12 и 13 по крайней мере каждого участка 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, по отношения к оси трубы 3, может сохраниться одинаковым в направлении движения потока (фиг. 3), что определяется упрощением технологии изготовления вихревого теплообменного элемента, а также другими причинами.

В зависимости от необходимой степени закрутки, обеспечивающей соответствующую максимальную окружную скорость в выходном сечении завихрителя, по крайней мере все завихрители теплообменной трубы 2, большего диаметра, могут быть выполнены одного типа, а также по меньшей мере указанные завихрители могут быть выполнены двух типов, каждый и которых на соответствующем участке 8, 9 трубы 2 обеспечивает необходимый угол ϕ выхода потока холодного теплоносителя из завихрителей по отношению к оси трубы 2 (фиг. 3).

С целью получения наибольшего коэффициента теплопередачи по внутренней трубе 1 вихревого теплообменного элемента может размещаться по меньшей мере один завихритель 14, установленный в указанном случае на входном участке 15 вышеуказанной трубы 1, из которого выходит закрученный поток, при этом среда, перемещаясь в осевом направлении, одновременно осуществляет и вращательное движение (фиг. 3). Процесс переноса теплоты из глубины закрученного горячего потока теплоносителя к внутренней боковой поверхности внутренней трубы 1 осуществляется аналогично вышеописанному процессу, происходящему в трубе 2, большего диаметра. При совокупности конструктивных, физических и режимных параметров при полной тепловой нагрузке теплообменного элемента обеспечивается условие, при котором максимальное значение окружной скорости (фиг. 2) [4] закрученного в завихрителе 14 горячего теплоносителя в выходном его сечении 3-3 (при тангенциальной закрутке на выходе из участка 15 трубы 1) не превышает критического значения , при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 5 потока (фиг. 2), имеющих температуру, близкую к температуре t₂₍₃₎ (фиг. 4, 5) холодного теплоносителя на выходе из завихрителя 14 (фиг. 3), движущегося снаружи трубы 1.

В связи с интенсивным охлаждением периферийного кольцевого слоя горячего теплоносителя еще в процессе закрутки потока из завихрителя 14 (при тангенциальной закрутке на выходе из участка 15 трубы 1) выходит поток с неоднородным полем плотностей. При этом плотность периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды вследствие охлаждения его оказывается большей в сравнении с плотностью центральной части потока, имеющего температуру горячего теплоносителя на входе в завихритель 14. Поэтому при вышеуказанных условиях, когда в выходном сечении 3-3 завихрителя 14 , процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока возникает сразу по выходу среды из вышеуказанного завихрителя 14 и продолжается вплоть до полного затухания вращательного движения потока, так как процесс охлаждения периферийного кальциевого слоя вихревого потока происходит по всей длине теплообменной трубы 1 теплообменного элемента, благодаря чему достигается высокая эффективность теплообмена. При этом процесс вихревого переноса теплоты, как уже отмечалось выше, сопровождается теплопроводностью, роль которой определяется величиной коэффициента теплопроводности горячего теплоносителя, движущегося внутри трубы 1.

При малом значении коэффициента теплопроводности горячего теплоносителя роль теплопроводности в процессе переноса теплоты становится незначительной, особенно при большой осевой скорости потока. С уменьшением осевой скорости ее роль возрастает. Перенос теплоты вихревым способом в трубе 1 наиболее целесообразен при использовании в качестве горячего теплоносителя газа из-за его малого коэффициента теплопроводности в сравнении с коэффициентами теплопроводности капельных жидкостей.

Перемещение тяжелых частиц среды и менее тяжелых соответственно ближе к оси вращения и в направлении периферии потока происходит по спиралеобразным траекториям, как описывалось выше. При этом процесс взаимного замещения одних частиц другими сопровождается затратой работы замещения.

Перенос теплоты вихревым способом может осуществляться не только на ограниченном по длине участке внутренней трубы 1 теплообменного элемента, на котором происходит полное затухание вращательного движения потока после выхода среды из завихрителя 14, но и на большей или всей длине трубы 1, за счет установки внутри нее по меньшей мере второго завихрителя потока 16 (фиг. 3) или нескольких завихрителей, количество которых определяется длиной трубы 1, на расстоянии друг от друга. При этом расстояние l₃ между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может не превышать длину участка трубы 1, а также может превышать указанную длину участка, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента (фиг. 3). Выбор расстояния l₃ между выходным сечением смежного с ним последующего завихрителя по ходу поток определяется из условия достижения требуемых характеристик вихревого теплообменного элемента. В первом случае достигается более высокий коэффициент теплоотдачи в сравнении со вторым случаем при прочих равных условиях. Кроме того, при входе среды в последующий завихритель по движению потока в закрученном состоянии уменьшаются гидравлические потери в самом завихрителе.

В зависимости от применяемого направления движения теплоносителей, а именно: прямоток пли противоток (фиг. 1, 3, 4, 5, 6), угол Ψ входа потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 16 внутренней трубы 1 по отношению к оси может уменьшаться или увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 3). Это связано с тем, что при прямотоке температуре холодного теплоносителя снаружи трубы 1 в направлении движения потока увеличивается (фиг. 4), в связи с чем температуру охлаждаемого периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды внутри трубы 1 в вышеуказанном направлении также увеличивается, а следовательно, w_кр снижается в том же направлении за счет уменьшения плотности среды в периферийной зоне потока. Поэтому для обеспечения эффективных переноса теплоты вихревым способом будет снижаться.

При противотоке (фиг. 5, 6) наблюдается обратная картина, температура холодного теплоносителя в направлении движения потока уменьшается, поэтому для удержания более холодных частиц среды в периферийной зоне вращающегося потока, имеющих соответственно большую плотность в сравнении с плотностью их на входе в трубу, требуются более высокие значения ω_кр, для чего угол Ψ для достижения максимальной эффективности теплообмена целесообразно увеличивать в направлении движения потока.

В связи с тем, что в определенных случаях угол j выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 16 по отношению к оси трубы 1 может уменьшаться или увеличиваться, что приводит к менее или более значительной закрутке вихревого потока, а в соответствии с этим изменяется и длина участка, на котором происходит за выходным сечением завихрителя полное затухание вращательного движения потока. Поэтому в первом случае одновременно с уменьшением угла j для интенсификации переноса теплоты вихревым способом расстояние l₃ между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может уменьшаться в направлении движения потока (фиг. 3). Во втором случае при увеличении угла j с целью уменьшения гидравлических потерь расстояние между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 по ходу потока может увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 3).

При этом вышеуказанное уменьшение или увеличение расстояние l₃ в направлении движения потока в ряде случаев, исходя из заданных характеристик теплообменного элемента по теплопередаче, может выполняться независимо от уменьшения или увеличения угла j выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 16.

Расстояние l₃ между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя 14 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя 16 трубы 1 по ходу потока может сохраняться одинаковыми (фиг. 3), а также угол j выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя 16 по отношению к оси трубы 1 может сохраняться одинаковым в направлении движения потока (фиг. 3), что в отдельных случаях определяется характером изменения температуры холодного и горячего теплоносителей по длине трубы 1 и другими режимными параметрами, а также вышеуказанное выполнение вихревой теплообменной трубы 1 может определяться упрощением технологии ее изготовления и другими причинами.

В зависимости от необходимой степени закрутки, обеспечивающей соответствующую максимальную окружную скорость в выходном сечении завихрителя, по крайней мере все завихрители 14 и 16 трубы 1 могут быть выполнены одного типа, например, лопаточного или шнекового типа, а также завихрители трубы 1 по меньшей мере на одном из участков ее могут быть выполнены одного типа, а на по меньшей мере втором участке они могут быть выполнены другого типа, отличающегося от первого (фиг. 3). При этом в последнем случае в зависимости от направления движения горячего и холодного теплоносителей степень закрутки может быть большей как на первом, так и на втором участках трубы 1.

Как отмечалось выше, направления движения горячего и холодного теплоносителей могут совпадать (прямоток) (фиг. 1, 3, 4), а также направление движения горячего теплоносителя может быть противоположно направлению движения холодного теплоносителя (противоток) (фиг. 5, 6). Последнее (вышесказанное) определяется требованиями тепловой эффективности теплообменного элемента, конструктивными и другими соображениями.

Вышеназванными причинами может также определяться направление вращения закрученных потоков горячего и холодного теплоносителей, которое может осуществляться в одном направлении (фиг. 3), а также может осуществляться во взаимно противоположных направлениях (фиг. 6).

Закрутка потоков на начальных участках 4 и 15 вихревых теплообменных труб 1 и 2 может осуществляться различными способами. Наиболее распространенными из них являются способы закрутки потока с использованием лопаточных, шнековых, тангенциальных и тангенциально-лопаточных завихрителей, установленных на входе в канал [5] Наибольшая эффективность работы вихревого теплообменного элемента при использовании шнековых, тангенциальных и тангенциально-лопаточных завихрителей достигается в том случае, когда в выходном сечении завихрителей 3, 10, 11, 14 (фиг. 1, 3) (при тангенциальной закрутке на выходе из участков 4 трубы 2 и 15 трубы 1) центр ("нулевая точка), вокруг которого вращается среда, расположенная в приосевой зоне трубы 1 и трубы 2, и в котором давление среды минимальное, совпадает с осью теплообменного элемента (фиг. 7). Последнее достигается использованием многозаходных шнековых завихрителей с симметричным выходом из них закрученного потока, а при тангенциальной закрутке - симметричным входом среды в трубе 1 и 2 относительно оси элемента.

В случае несимметричного входа закрученного потока в трубу 1, что касается и трубы 2, "нулевая точка" смещается эксцентрично от оси трубы 1 и вместе с вихревым потоком совершает круговые движения вокруг оси последней (фиг. 8). Причем перемещающиеся к оси вращения потока тяжелые частицы за счет большей их угловой скорости совершают одновременно вращение и вокруг "нулевой точки", как показано на фиг. 8. "Нулевая точка" каждого последующего сечения потока в направлении его движения оказывается повернутой на угол друг относительно друга, т.е. по отношению к предыдущему сечению. Подтверждением этому является вращение стержня 17, введенного в открытый конец трубы 1 и закрепленного в подшипнике скольжения, в противоположном направлении вращению потока [6] в чем нет никакой ошибки. Последнее подтверждается и исследованиями автора. Поэтому в связи с изменением структуры вихревого потока при несимметричном входе среды в трубы 1 и 2, что приводит к неравномерности теплоотдачи по окружности трубы 1 с обеих ее сторон, эффективность вихревого теплообмена снижается. Особенно это сказывается на теплообмене между наружной поверхностью внутренней трубы 1 и холодным теплоносителем в трубе 2. Лопаточные завихрители обеспечивают симметричный ввод среды в трубы 1 и 2.

Длина участка трубы, на котором теплообмен осуществляется вихревым переносом теплоты, в значительной степени зависит от состояния поверхности трубы, с которой соприкасается вращающийся поток. При гладкой внутренней поверхности трубы 2 и обеих поверхностей трубы 1 процесс затухания вращательного движения потока происходит продолжительнее, чем при шероховатых поверхностях. Следовательно, эффективнее использовать вихревые теплообменные трубы с гладкими поверхностями, так как коэффициент теплоотдачи в указанном случае имеет повышенное значение на большем по длине участке за завихрителем потока.

При значительной закрутке выходящего из завихрителя 14 потока, т.е. когда на начальном участке теплообменной трубы 1 (фиг. 3) за завихрителем потока 14 происходит "запирание" вихревого переноса теплоты, так как при вышеуказанных условиях охлажденный периферийный кольцевой слой вращающегося потока среды вследствие действия центробежных сил удерживается у поверхности теплообменной трубы 1 с ее внутренней стороны, и процесс переноса теплоты внутрь потока происходит теплопроводностью. Следовательно, значительная закрутка потока в рассматриваемой вихревой трубе 1 снижает эффективность ее работы при одновременном значительном росте гидравлического сопротивления. При оптимальных условиях работы внутренней трубы 1 ее гидравлическое сопротивление, как показывают эксперименты, может быть даже меньше, чем при только осевом движении теплоносителя внутри трубы 1 при прочих равных условиях, что достигается значительным сокращением ее длины за счет резкого увеличения коэффициента теплоотдачи.

Аналогичная картина происходит и в вихревой трубе 2, большего диаметра, при Критические значения окружных скоростей при которых еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне 5 (фиг. 2) труб 1 и 2, зависят от природы теплоносителей, внутренних диаметров труб 1 и 2, режимных параметров: температуры холодного и горячего теплоносителей, а также от ряда других факторов. Значения критических окружных скоростей при вышеуказанных условиях определяются экспериментальным путем по достижению максимального значения местного коэффициента теплоотдачи за счет потоков в трубах 1 и 2, в которых максимальное значение окружной скорости равно критическому значению, а также указанное значение окружной скорости может определяться графо-аналитическим путем на основании полученных и обобщенных для этого результатов заранее проведенных экспериментальных исследований или иным путем.

В свою очередь, необходимые максимальные значения окружных скоростей потоков на выходе из завихрителей труб 1 и 2 могут достигаться при известных вышеуказанных условиях за счет соответствующего комплексного выбора необходимых типов и геометрических характеристик завихрителей (угла закрутки и др. ), режимных параметров работы вихревого теплообменного элемента (максимальных осевых скоростей потоков при полной тепловой нагрузке элемента за счет давлений сред на входе в трубы 1 и 2 и др.) и других параметров.

Долевые тепловые режимы работы теплообменного элемента достигаются путем изменения режимных параметров его работы.

Выбор типа завихрителей, а также их геометрических характеристик осуществляется комплексно, исходя не только из требуемой эффективности работы вихревого теплообменного элемента, но и технологичностью его изготовления, а также эксплуатационными и другими требованиями. Завихрители, установленные в трубах 1 и 2 за выходными участками 15 и 4 соответственно, могут быть как лопаточного, так шнекового типа, а также иные.

Крепление завихрителей во внутренней трубе 1 может осуществляться на сердечнике (стержне) круглого поперечного сечения, который вместе с завихрителями вставляется в вихревую теплообменную трубу 1, и вся конструкция жестко соединяется с трубой, чтобы не было проворачивания завихрителей при движении горячего теплоносителя через завихрители. Для уменьшения гидравлического сопротивления на входе в завихрители шнекового типа они могут выполняться с переменной степенью закрутки для безударного входа потока на лопатки завихрителя. Кроме того, указанные завихрители на входе в них могут снабжаться специальными обтекателями, обеспечивающим безударный вход потока.

Уменьшение гидравлических потерь, как отмечалось выше, может достигаться входом в последующие за первым завихрителем потока, сохранившего свое вращательное движение.

Крепление завихрителей трубы 2, большего диаметра, может осуществляться различными способами. В частности, каждый завихритель в отдельности может выполняться на цилиндрической втулке, которая вплотную надевается на внутреннюю трубу 1 и затем жестко с ее наружной поверхностью соединяется для предотвращения смещения как в осевом направлении, так и в окружном направлении относительно трубы 1. С надетыми завихрителями внутренняя труба 1 вставляется в трубу 2, большего диаметра.

Участки 8 и 9 трубы 2, большего диаметра, могут размещаться на внутренней трубе 1 с зазором между ними, как показано на фиг. 3, а также они могут быть размещены вплотную друг к другу, что определяется типом завихрителей на входном участке 4 трубы 2 и другими условиями.

Вихревой теплообменный элемент в теплообменном аппарате может иметь различное расположение, как то: горизонтальное, вертикальное или наклонное, что определяется природой теплоносителей, их температурой, условиями монтажа и работы, а также другими причинами.

Вихревой способ переноса теплоты от горячего теплоносителя, движущегося в закрученном потоке внутри теплообменной трубы 1 к стенке последней, а затем от наружной стенки (поверхности) внутренней трубы 1 к холодному теплоносителю, позволяет получить высокий коэффициент теплопередачи между теплообменивающимися средами.

Таким образом, изобретение раскрывает физическую сущность ранее неизвестного в теплопередаче вихревого способа переноса теплоты, использование которого в вихревых теплообменных элементах теплообменников, применяемых в различных отраслях техники, позволяет значительно интенсифицировать теплообмен между горячим и холодным теплоносителями, разделенными между собой стенкой, и тем самым существенно уменьшить массу и габариты теплообменного оборудования.

Формула изобретения

1. Вихревой теплообменный элемент, содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы, в зазоре между которыми расположен по меньшей мере один завихритель, отличающийся тем, что труба большего диаметра содержит по меньшей мере два участка, каждый из которых выполнен с независимым подводом и отводом теплоносителя в межтрубный зазор и снабжен по меньшей мере одним завихрителем.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что соосно установленные одна в другой теплообменные трубы выполнены цилиндрическими.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что внутренняя труба и внутренняя поверхность трубы большего диаметра выполнены цилиндрическими.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность внутренней трубы и внутренняя поверхность трубы большего диаметра выполнены цилиндрическими.

5. Элемент по пп. 1 4, отличающийся тем, что внутри по крайней мере каждого участка трубы большего диаметра установлено по меньшей мере два завихрителя, причем второй по ходу теплоносителя завихритель размещен на расстоянии от завихрителя, расположенного на входе в участок, не превышающем расстояния, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента.

6. Элемент по пп. 1 4, отличающийся тем, что внутри по крайней мере каждого участка трубы большего диаметра установлено по меньшей мере два завихрителя, причем второй по ходу теплоносителя завихритель размещен на расстоянии от завихрителя, расположенного на входе в участок, превышающем расстояние, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента.

7. Элемент по пп.1 6, отличающийся тем, что расстояние между завихрителями по крайней мере в каждом участке трубы большего диаметра изменяется от участка к участку между смежными завихрителями по отношению к движению потока.

8. Элемент по пп.1 6, отличающийся тем, что расстояние между завихрителями по крайней мере в каждом участке трубы большего диаметра выполнено постоянным.

9. Элемент по пп.1 8, отличающийся тем, что все завихрители имеют идентичную конструкцию.

10. Элемент по пп.1 8, отличающийся тем, что завихрители имеют конструкцию двух типов, например, лопаточного типа и шнекового типа.

11. Элемент по п.1 10, отличающийся тем, что во внутренней трубе размещен по меньшей мере один завихритель, установленный в вышеуказанном случае на входном участке вышеуказанной трубы.

12. Элемент по пп.1 11, отличающийся тем, что во внутренней трубе установлено по меньшей мере два завихрителя потока, причем второй по ходу теплоносителя завихритель размещен на расстоянии от завихрителя, расположенного на входном участке вышеуказанной трубы, не превышающем расстояния, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента.

13. Элемент по пп.1 11, отличающийся тем, что во внутренней трубе установлено по меньшей мере два завихрителя потока, причем второй по ходу теплоносителя завихритель размещен на расстоянии от завихрителя, расположенного на входном участке вышеуказанной трубы, превышающем расстояние, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента.

14. Элемент по пп.1 13, отличающийся тем, что расстояние между завихрителями во внутренней трубе изменяется в направлении движения потока.

15. Элемент по пп.1 13, отличающийся тем, что расстояние между завихрителями во внутренней трубе выполнено постоянным.

16. Элемент по пп.1 15, отличающийся тем, что все завихрители имеют идентичную конструкцию.

17. Элемент по пп. 1 15, отличающийся тем, что завихрители внутренней трубы имеют конструкцию двух типов, например, лопаточного типа и шнекового типа.

18. Элемент по пп.1 17, отличающийся тем, что вход теплоносителей в участки трубы большего диаметра и во внутреннюю трубу выполнен с одной и той же стороны, обеспечивая прямоточную схему движения теплоносителей в элементе.

19. Элемент по пп.1 17, отличающийся тем, что вход теплоносителей в участки трубы большего диаметра и во внутреннюю трубу выполнен с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая противоточную схему движения теплоносителей в элементе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8