Вихревой теплообменный элемент

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники. Сущность изобретения в том, что вихревой теплообменный элемент, содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы, в каждой из которых установлены, по крайней мере, два завихрителя, причем один завихритель - на входе в участок, а второй - на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, имеет на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока, пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается. При этом вход теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя. Технический результат, обеспечивающий интенсификацию теплообмена, достигается посредством равномерного распределения теплового потока. 3 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок реакторостроения.

Известен теплообменный элемент (см. патент РФ №2084793, МПК F28D 7/10, опубл. 1997), содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по меньшей мере, два завихрителя одинаковых или разных типов, причем один завихритель - на входе в участок, а второй - на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, вход теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе.

Недостатком известного изобретения является невысокая эффективность конструктивного решения по использованию вихревого способа передачи теплоты от горячего теплоносителя холодному из-за сопутствующих данному процессу теплообмена специфических теплопотерь, обусловленных совместным воздействием на ограждения между теплоносителями термодинамически расслоенных пограничных слоев со встречным направлением тепловых потоков по толщине ограждения с температурным потенциалом, превышающим среднее значение температур каждого из теплоносителей, что приводит к необходимости дополнительных энергозатрат на поглощение теплоты (холода), выделенной холодным теплоносителем, теплотой, передаваемой от горячего теплоносителя.

Известен вихревой теплообменный элемент (см. патент РФ №2376541, МПК F28D 7/10, опубл. 28.12.2009), содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по меньшей мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель - на входе в участок, а второй - на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, вход теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя.

Недостатком является невозможность эффективного использования нагреваемой при вихревом теплообмене между «горячим» и «холодным» теплоносителями поверхности цилиндрической трубы большего диаметра как источника теплоты для подогрева окружающей среды, например, в системе отопления жилого или промышленного помещения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования вихревого метода при передаче теплоты в рекуперативных теплообменниках, например типа «труба в трубе», от цилиндрической трубы большего диаметра в окружающую среду путем размещения на каждом участке ее поверхности между завихрителями пакетов ребер с разным расстоянием между ребрами для равномерного распределения теплового потока.

Технический результат, обеспечивающий интенсификацию теплообмена, достигается тем, что вихревой теплообменный элемент содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по крайней мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель - на входе в участок, а второй - на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, вход теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, при этом на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается.

На фиг.1 представлена принципиальная схема вихревого теплообменного элемента; на фиг.2 - характерное распределение тепловых удельных потоков от периферийных «горячих» слоев холодного и горячего теплоносителей, передаваемых теплопроводностью по толщине внутренней трубы из одноименного материала; на фиг.3 - то же самое, что и на фиг.2, только по толщине внутренней трубы из биметалла.

Вихревой теплообменный элемент (фиг.1) содержит соосно расположенные с зазором одна в другой теплообменные трубы 1 и 2. В трубе 2 большего диаметра на входном участке 4 установлен завихритель 3 для обеспечения вращения наиболее тяжелых частиц среды периферийной зоны 5 потока холодного теплоносителя (XT), расположенной как на внутренней поверхности 6 трубы 2 большего диаметра, выполненной цилиндрической, так и на наружной поверхности 7 внутренней трубы 1, выполненной также цилиндрической.

Труба 2 состоит из двух, по меньшей мере, участков 8 и 9, снабженных патрубками подачи холодного теплоносителя 10 и 11, а от завихрителя 3 на расстоянии, определяемом значением полного затухания вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента, расположены завихрители 12 и 13.

Во внутренней трубе 1 завихритель 14 установлен на входном участке 15, при этом от него на расстоянии, определяемом значением полного затухания вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента, размещен второй завихритель 16.

При этом все завихрители 3, 12, 13, 14, 16, расположенные в теплообменных трубах 1 и 2, выполнены или одинакового, или разного типов. Внутренняя труба 1 с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал внутренней поверхности 17 со стороны движущегося горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал наружной поверхности 7 внутренней трубы 1 со стороны холодного теплоносителя.

На цилиндрической трубе 2 большего диаметра по внешней поверхности 18 на каждом участке между завихрителями, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока, выполнены пакеты ребер 19, при этом расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается (l₁>l₂>l₃>…>l_n).

Например, при расположении пакета ребер 19 на участке 8 внешней поверхности 18 цилиндрической трубы 2 после завихрителя 3 расположено ребро 20, а от него на расстоянии l₁ расположено ребро 21, а от него на расстоянии l₂ расположено ребро 22 и далее до завихрителя 12.

Следующий пакет ребер расположен на участке 9 от завихрителя 12 до завихрителя 13 с таким же соотношением расстояний между ребрами (l₁>l₂>l₃>…>l_n). В указанной последовательности располагаются остальные пакеты ребер 19, количество которых определяется длиной вихревого теплообменного элемента.

Вихревой теплообменный элемент работает следующим образом.

Термодинамическое расслоение XT на «холодный» осевой и «горячий» периферийный слои приводит к наличию на внутренней поверхности 6 трубы 2 большего диаметра пограничного слоя с тяжелыми частицами среды, имеющими более высокую температуру («горячий слой»), чем XT в целом. В результате наблюдается передача теплоты теплопроводностью по толщине цилиндрической трубы 2 с нагревом наружной поверхности 18 до температуры более высокой, чем окружающая среда.

Полученный избыток тепла может использоваться как источник тепловой энергии, например, в системе отопления жилого дома или производственного помещения для конвективного обмена с внутренним воздухом.

Известно, что наибольшей теплоотдающей способностью обладают поверхности теплообменных аппаратов в виде пластинчатых ребер (см., например, стр.168, Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоиздат, 1968. - 240 с.).

Особенностью теплообмена в вихревом теплообменном элементе между закрученными горячим теплоносителем (ГТ) и XT является то, что температура как термодинамически расслоенных слоев, так и температура стенки, а следовательно, и количество теплоты, передаваемой теплопроводностью по толщине стенки трубы 2 большего диаметра, уменьшается на участке от одного из завихрителей (например, завихрителя 3) до полного его затухания (до завихрителя 12).

Поэтому для поддержания максимальной теплоотдачи по внешней поверхности трубы 2 расположены пакеты ребер, при этом расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается l₁>l₂>l₃>…>l_n.

Снижение температуры на внешней поверхности 18 трубы 2 в зоне затухания вращающегося потока при передаче тепла в окружающую среду компенсируется увеличением количества пластинчатых ребер вследствие уменьшения расстояния между ними в данной зоне.

В результате тепловой поток равномерно распределяется по пакету ребер 19 и осуществляет подогрев контактируемого с внешней поверхностью 18 трубы 2 внутреннего воздуха помещения с максимальной отдачей тепловой энергии, соответствующей условно одинаковой температуре внешней поверхности 18 на участке 8 (или 9 и т.д.) трубы 2 большего диаметра вне зависимости от процесса затухания вращающегося потока.

Данное конструктивное решение существенно увеличивает возможности использования вихревого теплообменного элемента.

При термодинамическом расслоении ГТ на выходе из завихрителя 14 (соответственно на последующих завихрителях 16, установленных на определенном расстоянии по ходу движения ГТ во внутренней трубе 1) наблюдается его расслоение на «горячий» периферийный и «холодный» осевой слои (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. - Куйбышев, 1969. - 369 с.). Конвекцией теплота от горячего слоя ГТ (см. фиг.1) передается внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 и далее посредством теплопроводности осуществляется нагрев по толщине материала внутренней трубы 1.

Одновременно XT, проходя завихритель 3 (и завихрители 12, 13, расположенные на расстоянии, определяемом значением полного затухания каждого участка 8, 9 трубы 2 большего диаметра), находящийся внутри трубы 2 большего диаметра, на его выходе, также расслаивается на «горячий» периферийный, находящийся в зоне 5, и «холодный» осевой слои, при этом «горячий» слой контактирует с наружной поверхностью 7 внутренней трубы 1, отдавая ей свою теплоту конвекцией и далее теплопроводностью.

Потоки ГТ и XT закручиваются и перемешиваются в осевом направлении, одновременно осуществляя и вращательное движение. В связи с интенсивным теплообменом между вращающимся потоком XT в трубе 2 и наружной поверхностью 7 внутренней трубы 1 происходит еще больший нагрев периферийного слоя XT в зоне 5, благодаря чему образуется XT с неоднородным полем плотности, что приводит к непрерывному замещению менее тяжелых частиц XT тяжелыми, и этот процесс продолжается вплоть до затухания вращательного движения потока.

В результате при выполнении внутренней трубы 1 из однородного материала с постоянным коэффициентом теплопроводности наблюдается процесс затухания передачи теплоты от ГТ к XT (см. фиг.2) из-за наличия в зоне 5, контактирующей с наружной поверхностью 7, теплового потока, идущего от «горячего» слоя XT, направленного вглубь толщины внутренней трубы 1.

Таким образом, в результате встречного направления тепловых потоков ГТ и XT количество теплоты, передаваемое теплопроводностью через материал внутренней трубы 1, определяется разностью количеств теплоты и , т.е. . При этом взаимодействие теплоты, передаваемой теплопроводностью и идущей от периферийного потока ГТ , и теплоты, передаваемой конвекцией из зоны 5 и далее передаваемой теплопроводностью от периферийного «горячего» потока XT , осуществляется примерно на средней линии по толщине стенки внутренней трубы 1 (см. фиг.2), т.к. коэффициент теплопроводности стенки внутри трубы 1 постоянен по ее толщине.

Как следствие, наблюдаются значительные теплопотери процесса теплопроводности по толщине трубы 1, а это, соответственно, резко снижает эффективность вихревого способа передачи теплоты, что и обуславливает практическое отсутствие использования в промышленности теплообменных аппаратов с вихревым способом теплопередачи.

Для устранения данного явления внутренняя труба 1 выполняется из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности λ₁, материала внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 со стороны движения ГТ имеет значение в 2,0-2,5 раза выше коэффициента теплопроводности λ₂ материала внешней поверхности 7 внутренней трубы 1 со стороны движения XT, при этом толщина каждого из составляющих материалов биметалла имеет равное значение по толщине стенки внутренней трубы 1. Теплота от периферийного «горячего» слоя ГТ передается к внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 с конвекцией и далее теплопроводностью по материалу биметалла с повышенным значением коэффициента теплопроводности и имеет более высокий градиент температур, чем теплота, передаваемая от периферийного потока XT к внешней поверхности 7 внутренней трубы теплопроводностью по материалу биметалла с пониженным значением коэффициента теплопроводности.

В этом случае область контакта встречно направленных тепловых потоков смещается в сторону внешней поверхности 7 внутренней трубы 1 и составляет около 20% расстояния от внешней поверхности 7 (см. фиг.3) и это приводит к существенному сокращению теплопотерь, обусловленных направлением теплоты по толщине внутренней трубы 1, что позволяет существенно повысить эффективность использования способа передачи теплоты в рекуперативных теплообменниках, например, с расположением завихрителей внутри полости как трубы 2 с большим диаметром, так и внутри внутренней трубы 1.

Оригинальность предлагаемого технического решения по повышению эффективности использования вихревого метода передачи теплоты от горячего теплоносителя холодному теплоносителю в теплообменных аппаратах, например типа «труба в трубе», достигается тем, что увеличивается сфера использования вихревого теплообменного элемента как источника тепла для подогрева внутреннего воздуха помещения при осуществлении теплообмена между «горячим» и «холодным» теплоносителями за счет интенсификации съема тепла с внешней поверхности трубы большего диаметра путем выполнения на ней пакетов ребер с уменьшающимся расстоянием между ними, кроме того, сокращаются неизбежные для данного метода теплопотери, обусловленные встречным направлением тепловых потоков от периферийных слоев термодинамически расслоенных теплоносителей в теплопередающей посредством теплопроводности ограждающей конструкции (по толщине внутренней трубы), путем смещения зоны контакта противоположно направленных и различных по величине температурных градиентов в сторону движущегося холодного носителя за счет выполнения внутренней трубы из биметалла с материалом поверхности со стороны горячего теплоносителя, имеющим коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя.

Вихревой теплообменный элемент, содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по крайней мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель - на входе в участок, а второй - на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, вход теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, отличающийся тем, что на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается.