Теплообменник типа труба в трубе
Использование: в теплотехнике, в частности в транспортной энергетике. Сущность изобретения: теплообменник типа "труба в трубе" содержит корпус 1 и установленную в нем плоскую многоканальную закрученную трубку 2, на внешних поверхностях которых выполнен рельеф в виде системы полусферических лунок 5 и 6, формирующих внутри каналов трубки 2 и корпуса 1 систему плавно очерченных выступов, причем выступы, расположенные на корпусе 1, размещены по спирали с углом закрутки, равным углу закрутки внутренней трубки 2. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных областях промышленности, в частности в теплообменном оборудовании транспортной энергетики с вязкими теплоносителями высокого давления в обоих трактах.
Известны теплообменные аппараты типа "труба в трубе" (Бажан П. И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам. М. Машиностроение, 1989, с. 55, рис. 1.15б), в которых один теплоноситель движется по внутренней трубе, а другой по кольцевому пространству между внутренней и наружной трубами. Для интенсификации теплообмена, как правило, в одном из трактов используют различные конструктивные решения (авт. св. СССР N 328316, кл. F 28 F 1/10, F 28 D 7/10, 04.01.1970, авт. св. СССР N 510634, кл. F 28 D 7/10, 12.05.1974, авт. св. СССР N 642591, кл. F 28 D 7/10, 22.08.77, авт. св. СССР N 659878, кл. F 28 D 7/10, 21.03.78, авт. св. СССР N 1702146, кл. F 28 D 7/10, 20.11.89), обладающие относительно низкой энергетической эффективностью, связанной со значительными энергетическими затратами на проталкивание теплоносителя через канал с размещенными в нем активаторами теплообмена. Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются теплообменные элементы, в которых для внутреннего тракта использованы винтообразно закрученные профильные трубы (Будов В. М. Дмитриев С. М. Форсированные теплообменники ЯЗУ. М. Энергоатомиздат, 1989, с 50, 51, рис. 3.6, 3.8, с 99, рис. 5.1). Такие теплообменники служат для двухстороннего нагрева среды, движущейся в кольцевом канале, поэтому в них отсутствует тепловой контакт между трубами, либо контактное тепловое сопротивление между ними достаточно велико. При одностороннем теплоподводе принятое техническое решение приводит к снижению компактности и энергетической эффективности теплообменного аппарата. Целью изобретения является повышение компактности и снижение массы теплообменника. Цель достигается тем, что теплообменник типа "труба в требе", содержащий корпус и установленную в нем плоскую многоканальную закрученную трубку, имеет на их внешних поверхностях рельеф в виде системы полусферических лунок, формирующих внутри каналов трубки и корпуса систему плавно очерченных выступов, из которых расположенные на корпусе размещены по спирали с углом 2 закрутки, равным углу 1 закрутки внутренней трубки 2 = 1, торцевые стенки которой плотно прилегают к внутренней стенке корпуса. Угол 1 закрутки плоской трубки составляет 1 = arctg(H/d1), для обеспечения сборки (разборки) теплообменника шаг размещения выступов по внутренней стенке корпуса выполнен кратным длине окружности по внутреннему диаметру корпуса, имеет величину S1 > (h+dв2)/cos2, а шаг вдоль спирали их размещения больше или равен диаметру основания выступа S2dВ2, где H шаг винтовой линии закрутки внутренней трубки;h толщина внутренней закрученной многоканальной трубки;
S1 и S2 шаги выступов по внутренней стенке корпуса и вдоль винтовых осевых линий размещения выступов;
dВ2 диаметр полусферического выступа на внутренней стенке корпуса;
1, 2 углы закрутки внутренней многоканальной трубки и винтовых осевых линий размещения выступов;
d1 внутренний диаметр корпуса. Высота и диаметр выступов в каналах внутренней трубки связаны с размерами этих каналов
hВ1 (0,4 0,16)dЭ1,
dВ1 (0,55 0,8)bК1,
где hВ1, dВ1 высота и диаметр выступа в каналах внутренней трубки;
dЭ1, dК1 эквивалентный диметр, ширина канала внутренней трубки. Высота и диаметр полусферических выступов на внутренней стенке корпуса зависят от геометрических размеров каналов, образуемых этой стенкой и наружной поверхностью закрученной внутренней трубки
hВ2=(0,05 0,1)dЭ2,
dВ2=(10 20)hВ2,
где hВ2, dВ2 высота и диаметр выступов на внутренней стенке корпуса;
dЭ2 эквивалентный диаметр канала между корпусом и внутренней трубкой. Относительная площадь заполнения лунками наружной поверхности внутренней трубки составляет 50 60%
При увеличении относительной плотности лунок более 60% снижается темп роста коэффициента теплоотдачи и заметно повышается темп увеличения гидравлического сопротивления канала, что в итоге приводит к снижению энергетической эффективности теплообменника (Кикнадзе Г. И. Исследование процессов тепломассообмена в виде полусферических лунок на исходно гладких поверхностях. Отчет N 10774 от 18.10.86, ИАЭ, ЦИАМ, КНПО "Труд", с. 141). При движении теплоносителя во внутренних каналах плоской трубки интенсификация теплообмена осуществляется за счет закрутки потока и вихреобразования при обтекании системы полусферических выступов, размеры и форма которых обеспечивают высокий коэффициент теплоотдачи при малом гидравлическом сопротивлении (Дрейцер Г. А. Проблемы создания компактных трубчатых теплообменных аппаратов. Теплоэнергетика N 3, 1995, с 13, Кикнадзе Г. И. и др. Отчет, с 142). Наличие перегородок ( ребер), разделяющих живое сечение трубки на ряд каналов, приводит к развитию поверхности ее внутреннего тракта, что способствует росту эффективного коэффициента теплоотдачи (Исаченко В. П. и др. Теплоотдача. М. Энергоиздат, 1981, с. 44). В канале между корпусом и плоской винтообразной трубкой рост теплоотдачи обусловлен закруткой потока, вихреобразованием на рельефных поверхностях трубки и корпуса, причем в этом случае закрутка стимулирует вихреобразование, обеспечивая предварительную закрутку потока, омывающего лунку или выступ, тем самым интенсифицируя теплообмен. Хороший тепловой контакт между торцевыми поверхностями внутренней трубки и корпусом позволяет использовать последний как элемент развития поверхности внутренней трубки, что приводит к значительному росту эффективного коэффициента теплоотдачи. Одинаковость углов закрутки внутренней трубки и винтовой осевой линии размещения на корпусе трехмерных турбулизаторов сохраняет закрутку потока по всей длине теплообменного элемента, что способствует интенсификации теплообмена и позволяет упростить технологический процесс сборки (разборки) теплообменника. Применение многоканальных плоских трубок приводит к уменьшению эквивалентного диаметра отдельного канала, и при высоких давлениях внутренней среды позволяет использовать для изготовления теплообменника трубки из алюминиевых сплавов с малой толщиной стенки (Антикайн П. А. Металлы и расчет на плотность котлов и трубопроводов. М. Энергия, 1980. с. 339; Александров В. Г. Базанов Б. И. Справочник по авиационным материалам и технологии их применения. М. Транспорт, 1979, с 47, 48 и 49), что существенно снижает массу теплообменника в целом. Таким образом, примененное сочетание разных методов турбулизации потока жидкости приводит к стимуляции вихреобразования при обтекании лунок и плавно очерченных выступов закруткой потока, что дополнительно с высокой энергетической эффективностью ( Беленький М. Я. и др. Теплогидравлические характеристики поперечно обтекаемых поверхностей с лунками. Теплоэнергетика, N 1, 1994, с 49; Кузнецов Е. Ф. Интенсификация теплообмена в каналах воздухоподогревателей ГТУ. Тяжелое машиностроение, N 6, 1991, с. 9, рис. 3) интенсифицирует теплообмен и является сверхэффектом рассматриваемого технического решения. На фиг. 1 и 2 приведены продольный разрез и поперечное сечение теплообменника; на фиг. 3 и 4 размещение лунок и выступов на внутренней трубке; на фиг. 5 и 6 развертка участка поверхности корпуса с расположением выступов и сечение одного из них с указанием его основных размеров. Теплообменник типа "труба в трубе" содержит корпус 1 и установленную в нем плоскую многоканальную закрученную трубку 2, имеет на их внешних поверхностях 3 и 4 рельеф в виде системы полусферических лунок 5 и 6, формирующих внутри каналов 7 и 8 трубки и корпуса систему плавно очерченных выступов 9 и 10, из которых расположенные 9 на корпусе 1 размещены по спирали с углом 2 закрутки, равным углу 1 закрутки внутренней трубки.
торцевые стенки 11 которой плотно прилегают к внутренней стенке 12 корпуса, шаг размещения выступов 9 по которой выполнен кратным внутреннему диаметру корпуса и имеет величину
S1 > (h+dв2)cos2,
а шаг вдоль спирали их размещения больше или равен диаметру основания выступа
S2dВ2,
где H шаг винтовой линии закрутки внутренней трубки;
h толщина внутренней закрученной многоканальной трубки;
S1 и S2 шаги выступов по окружности внутренней стенки корпуса и вдоль винтовых осевых линий размещения выступов;
dВ2 диаметр полусферического выступа на внутренней стенке корпуса;
1, 2 углы закрутки внутренней многоканальной трубки и винтовых осевых линий размещения выступов;
d1 внутренний диаметр корпуса. Высота и диаметр выступов 10 в каналах 7 внутренней трубки связаны с геометрическими размерами этих каналов
hВ1=(0,04 0,16)dЭ1,
dВ1=(0,55 0,8)bК1,
а высота и диаметр выступов 9 на внутренней стенке 12 корпуса зависят от геометрических размеров каналов 8, образуемых этой стенкой и наружной поверхностью 4 закрученной внутренней трубки 2
hВ2=(0,05 0,1)dЭ2,
dВ2=(10 20)hВ2,
где d1 внутренний диаметр корпуса,
hВ1, dВ1 высота и диаметр выступа в каналах внутренней трубки;
dЭ1, dК1 эквивалентный диаметр, ширина канала внутренней трубки;
hВ2, dВ2 высота и диаметр выступов на внутренней стенке корпуса;
dЭ2 эквивалентный диаметр канала между корпусом и внутренней трубкой;
h толщина внутренней закрученной многоканальной трубки. Относительная площадь заполнения лунками наружной поверхности внутренней трубки составляет 50 60%
При работе теплообменника один теплоноситель (стрелка 13) поступает в каналы 7 закрученной внутренней трубки 2, закручивается, омывает поверхность плавно очерченных выступов 10 и удаляется из внутренней трубки (стрелка 14). Второй теплоноситель (стрелка 15) направляется в каналы 8 между корпусом 1 и внутренней трубкой 2, закручивается последней и спирально размещенными на корпусе плавно очерченными выступами 9 и, омывая рельефные поверхности корпуса и внутренней трубки, удаляется (стрелка 16) из теплообменника. Технико-экономический эффект изобретения заключается в том, что за счет интенсификации теплообмена в каналах внутренней трубки и корпуса увеличивается коэффициент теплопередачи, поэтому при неизменном тепловом потоке уменьшается поверхность теплообменника, повышается компактность теплообменника, снижается его масса.
Формула изобретения
2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что торцевые стенки плоской трубки плотно прилегают к внутренней стенке корпуса. 3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что угол 1 закрутки плоской трубки составляет
1 = arctg(H/d1),
шаг размещения выступов на внутренней стенке корпуса выполнен кратным длине окружности по внутреннему диаметру корпуса, имеет величину
S1 > (h+dв2)/cos2,
и шаг вдоль спирали их размещения больше или равен диаметру основания выступа
S2 dв2,
где Н шаг винтовой линии закрутки внутренней трубки;
h толщина внутренней закрученной многоканальной трубки;
S1, S2 шаги выступов на внутренней стенке корпуса и вдоль винтовых осевых линий размещения выступов;
dв2 диаметр полусферического выступа на внутренней стенке корпуса;
1, 2 - углы закрутки внутренней многоканальной трубки и винтовых осевых линий размещения выступов;
d1 внутренний диаметр корпуса. 4. Теплообменник по пп.1 3, отличающийся тем, что высота и диаметр выступов в каналах внутренней трубки связаны с размерами этих каналов
hв1 (0,04 0,16)dэ1;
dв1 (0,55 0,8)bк1,
где hв1, dв1 высота и диаметр выступа в каналах внутренней трубки;
dэ1, bк1 эквивалентный диаметр и ширина канала внутренней трубки. 5. Теплообменник по пп.1 4, отличающийся тем, что высота и диаметр полусферических выступов на внутренней стенке корпуса зависят от геометрических размеров каналов, образуемых этой стенкой и наружной поверхностью закрученной внутренней трубки
hв2 (0,05 0,1)dэ2;
dв2 (10 20)hв2,
где hв2, dв2 высота и диаметр выступов на внутренней стенке корпуса;
dэ2 эквивалентный диаметр канала между корпусом и внутренней трубкой. 6. Теплообменник по пп.1 5, отличающийся тем, что относительная площадь заполнения лунками наружной поверхности внутренней трубки составляет 50 60%
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6