ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к оребренным теплообменным трубам и может быть использована в теплообменных аппаратах применяемых в энергомашиностроении, химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности.
Предшествующий уровень техники
Для интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах используются развитые поверхности, в том числе трубы с ребрами.
Известны теплообменные трубы со спиральными ребрами и винтовым наружным оребрением в виде ленты (А.С. СССР №1513367, 1989 г.). Однако данные трубы обладают низким коэффициентом теплоотдачи, недолговечны, сложны в изготовлении и имеют ограниченную область применения.
Известно также решение теплообменной трубы, характеризующееся тем, что ее поверхность теплообмена представляет собой несущую металлическую теплообменную трубу круглого сечения с петельно-проволочным оребрением в виде спирали из металлической проволоки, уложенной виток за витком на поверхность трубки, причем для увеличения термодинамической эффективности оребрения трубки и повышения жесткости конструкции оребрения в зазор между витками спирали могут быть размещены поперечно установленные пластинчатые элементы или уложена металлическая проволока (JP 2007327735, 2007, F28F 1/36, UDC 621.59.048.: 66.073.5: 621.6.036 «New Compact Evaporators for Cryogenic Liquid Converters”, авторы О.К.Красникова и др;). Однако, данные решения не обеспечивают достаточного контакта оребрения и поверхности трубы, что ограничивает термодинамические возможности оребренеия. Кроме того, данные решения материалоемки и сложны в производстве.
Еще одно решение теплообменной трубы известное из предшествующего уровня техники, в отличие от вышеуказанных характеризуется выполнением в виде несущей теплообменной металлической трубы круглого сечения с петельно-проволочным оребрением в виде проволочной спирали, уложенную виток за витком на поверхность трубы, в которой для увеличения термодинамической эффективности оребрения трубы внутрь спирали проложена проволока, либо в виде припоя (GB 659114, 1951, F28F 1/36), с обеспечением возможности ее расплава при нагреве, или расположенная внутри спирали вдоль поверхности трубы с предварительно рассчитанным натягом (RU 2431102, 2009/ F28F 1/36). Последнее решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному решению полезной модели и принято за прототип.
К числу недостатков данного решения, и всех вышеуказанных решений, следует отнести недостаточную тепловую эффективность, вследствие чего для возможности получения компактного теплообменного аппарата требуются трубы большой протяженности.
Сущность полезной модели.
Техническая задача, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в предложении простого, компактного решения теплообменной трубы с высокой эффективностью теплообмена.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении теплоаэродинамических характеристик оребренной трубы, увеличении площади теплообменной поверхности, снижении энергопотребления, повышение жесткости и надежности работы оребренной трубы.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют теплообменную трубу, содержащую несущую трубу и наружное петельно-проволочное оребрение из металлической проволоки, навитой по спирали вдоль несущей трубы, с обеспечением возможности закрепления оребрения на внешней поверхности отличающуюся от прототипа тем, что несущая труба выполнена плоскоовальной в плоскости поперечного сечения, а наружное оребрение - петельно-проволочным, состоящим из ребер, образованных навитой петлями по спирали вдоль несущей трубы проволоки, и притянуто к несущей трубе с помощью бандажной ленты с дополнительным закреплением петель оребрения на внешней поверхности пайкой.
Заявленный технический результат также достигается тем, что используют теплообменную трубу, содержащую несущую трубу и наружное петельно-проволочное оребрение из металлической проволоки, навитой по спирали вдоль несущей трубы, с обеспечением возможности закрепления оребрения на внешней поверхности отличающуюся от прототипа тем, что несущая труба выполнена эллиптической в плоскости поперечного сечения, а наружное оребрение - петельно-проволочным, состоящим из ребер, образованных навитой петлями по спирали вдоль несущей трубы проволоки, и притянуто к несущей трубе с помощью бандажной ленты с дополнительным закреплением петель оребрения на внешней поверхности, например, пайкой.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели по любому из вышеуказанных вариантов осуществления, полная высота ребер петельно-проволочного оребрения, между их внешним и внутренним контуром, постоянна. При этом, очевидно, что внешний и внутренний контур ребер петельно-проволочного оребрения, образованных из навитых по спирали петель, повторяет очертания контура поперечного сечения несущей трубы.
В еще одном варианте осуществления полезной модели, контур петель петельно-проволочного оребрения повторяет контур поперечного сечения несущей трубы.
В одном из вариантов осуществления полезной модели несущая труба может быть выполнена из углеродистой стали с петельно-проволочным оребрением так же из углеродистой стали. В другом варианте осуществления полезной модели несущая труба может быть выполнена так же из углеродистой стали, а петельно-проволочное оребрение из нержавеющей стали.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Теплообменная туба с плоскоовальной в поперечном сечении несущей трубой: а) поперечное сечение, б) вырез продольного сечения;
фиг. 2 - Теплообменная туба с эллиптической в поперечном сечении несущей трубой: а) поперечное сечение, б) вырез продольного сечения;
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только некоторые наиболее предпочтительные варианты выполнения полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает и другие варианты выполнения.
Осуществимость полезной модели.
В соответствии с чертежами, представленными на фиг. 1 и 2 теплообменная труба 1 по любому из вариантов осуществления полезной модели представляет собой оребренную, а именно, петельно-проволочным оребрением трубу, содержащую несущую трубу 2 с оребрением 3 на наружной поверхности, состоящим из петельно-проволочных ребер 4, выполненных в виде спирали, навитой на несущую трубу, сформированной из петель, например, повторяющим очертание контура поперечного сечения несущей трубы 2. Ребра 4 равномерно распределены в продольном направлении с образованием зазора 5 между соседними ребрами. Высота ребра выбирается в зависимости от тепловых расчетов, учитывающих требуемые эксплуатационные характеристики конструкции. На практике, наиболее предпочтителен выбор высоты ребра в диапазоне от 5 мм до 20 мм, а толщины проволоки от 0,3 мм до 1,0 мм. При этом в пределах конструкции выбранная высота ребра постоянна.
Применение петельно-проволочного оребрения трубы позволяет турболизировать поток охлаждающего воздуха, а также уменьшить характерный размер микровихрей и уменьшить толщину пограничного слоя при обтекании трубы, тем самым увеличивая коэффициент теплоотдачи к воздуху и повышая теплоаэродинамические характеристик оребренной трубы. При этом, возможное исполнение петель оребрения с контуром повторяющим или близким к поперечному контуру несущей трубы способствует повышению теплоаэродинамические характеристики оребренной трубы за счет используемой конфигурации оребрения.
Поперечное сечение несущей трубы по форме близко к овальному, причем в решении согласно первому варианту осуществления полезной модели, представленному на фиг. 1, несущая труба выполнена с плоскоовальным контуром поперечного сечения, а в соответствии со вторым вариантом осуществления полезной модели, представленному на фиг. 2 с эллиптическим контуром поперечного сечения.
Теплообменные трубы с петельно-проволочным оребрением согласно полезной модели могут быть изготовлены различными способами, например, методом механической навивки проволоки уложенную виток за витком на поверхность несущей трубы. Для увеличения пятна контакта в точке примыкания проволочного ребра и поверхности несущей трубы, внутрь спирали вставлена предварительно натянутая с заданным усилием металлическая бандажная лента 6, такая, что если рабочая температура теплообменной поверхности больше температуры окружающей среды, то коэффициент линейного расширения вставленной ленты подбирается меньше коэффициента линейного расширения металла несущей трубы и оребрения. Таким образом, при изменении температуры поверхности от температуры окружающей среды до рабочей температуры обеспечивается дополнительное прижатие ребра к поверхности трубы и, тем самым, достигается повышение термодинамической эффективности оребрения трубы обусловленное увеличением пятна контакта ребра и поверхности трубки. При этом, применение бандажной ленты по сравнению с применением для указанной цели проволоки, известного из предшествующего уровня темники, повышает жесткость конструкции и позволяет существенно уменьшить контактное сопротивление оребренной трубы, вследствие чего увеличивается коэффициент теплопередачи теплообменной поверхности и повышается эффективность теплообмена.
Для повышения жесткости конструкции, ее надежности и долговечности, а также для снижения риска снижения теплообменных характеристик оребренной трубы согласно заявленной полезной модели, ребра могут быть выполнены с дополнительным закреплением петель оребрения на внешней поверхности, например, пайкой. Очевидным образом, пайка может быть заменена альтернативным способом закреплением применимым в данной области техники.
В зависимости от условий эксплуатации теплообменной трубы и охлаждаемой среды, протекающей внутри ее несущей трубы, материальное исполнение конструкции теплообменной трубы может меняться, тем не менее, в качестве материала несущей трубы предпочтительно использование стали (например, Ст 20,09Г2С, 12Х18Н10Т и т.д.).
При этом теплообменные трубы согласно полезной модели за счет применения плоскоовальной или эллиптической формы как несущих труб, так и наружного оребрения имеют высокую степень развития теплообменной поверхности и обладают низким аэродинамическим сопротивлением воздушному потоку охлаждающего воздуха, за счет уменьшения (сужения) размера по ширине трубы и как следствие уменьшение поверхности сопротивления в поперечном направлении, а соответственно уменьшение затрачиваемой мощности на продувку холодного теплоносителя. Это позволяет достигать не менее 20-30% показателей по энергосбережению при работе аппаратов воздушного охлаждения Экспериментально установлено, для труб разных размеров, применение труб с петельно-проволочным оребрением с плоскоовальной или эллиптической несущей трубой позволяет в 1,5-2 раза увеличить интенсивность теплопередачи и энергоэффективность конструкции. Так при сопоставлении показателей при работе аппаратов воздушного охлаждения с применением оребренных труб с несущей трубой круглого сечения с наружным диаметром 25 мм и несущих труб эллиптического сечения с диаметрами 16 мм и 30 мм с петельно-проволочным оребрением, расчетная мощность вентиляторов в первом случае составила 4,8 кВт, а в случае применения несущей трубы согласно полезной модели - 3,4 кВт, что свидетельствует о существенном уменьшении энергопотребления конструкции и повышении ее энергоэффективности. Очевидно также, что за счет повышения энергоэффективности конструкции для достижения расчетных мощностей аппарата воздушного охлаждения потребуется меньшее количество оребренных труб с плоскоовальной и эллиптической несущей трубой, что позволяет выпускать компактные конструкции аппаратов воздушного охлаждения на их основе и способствует снижению материалоемкости конструкции теплообменной трубы.
Трубы согласно полезной модели эффективнее и предпочтительнее также и с точки зрения наличия увеличенной, по сравнению с известными из уровня техники конструкциями оребренных теплообменных труб, внутренней поверхности соприкосновения и распределения парожидкостной смеси внутри трубы в процессе конденсации продукта, т.к. процесс конденсации продукта происходит в большей степени в пристеночных областях, а внутренний периметр плоскоовальной или эллиптической трубы больше чем круглой. При этом, при конденсации в эллиптических и плоскоовальных трубах образующийся слой жидкости в меньшей степени перекрывает внутреннюю поверхность трубы, чем в круглых, позволяя продукту далее конденсироваться на больших площадях, не давая жидкостной пленке выпариться и образовать «сухую стенку». Анализ течения конденсатной пленки показывает, что на трубках, с уменьшающейся кривизной профиля поперечного сечения, движение жидкости носит нисходящий характер, независимо от того, учитываются силы поверхностного натяжения или нет, что приводит к образованию больших поверхностных точек конденсации по сравнению с трубой круглого поперечного сечения.
Так сравнение периметров круглой и плоскоовальной несущей трубы показывает: общий периметр несущей трубы с круглым перечным сечением диаметром 25 мм и толщиной стенки 2 мм составляет 0,0659715 мм, а заменяющей ее трубы с плоскоовальной формой поперечного сечения размером 25×45,5 со стенкой 2 мм составляет - 0,10697 мм, что в 1,6 раз больше аналогичного параметра для известных несущих труб с круглым поперечным сечение.
Теплообменная труба выполненная согласно полезной модели, с плоскоовальной или эллиптической формой поперечного сечения несущей трубы и соответствующих им петельно-проволочных ребер оребрения, размещенная в пучке теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения, работает следующим образом: при подаче охлаждающего теплоносителя (воздуха) на пучок оребренных теплообменных труб, по которым транспортируют охлаждаемый продукт под давлением, происходит обтекание пучка труб воздухом и контактный теплообмен с охлаждением продукта протекающего в трубном пространстве до требуемых значений. При этом за счет применения оребренных несущих труб плоскоовальной или эллиптической формы, достигается:
- улучшение аэродинамических условий обтекания оребренных теплообменных труб пучка охлаждающим теплоносителем и снижение потребляемой мощности вентиляторов, требуемой на прокачку охлаждающего воздуха;
- повышение жесткости конструкции, за счет исключения продольного прогиба трубы выполненной с петельно-проволочным оребрением навитым по спирали и притянутым к внешней поверхности трубы бандажной лентой;
- увеличение суммарной площади теплообменной поверхности за счет применения формы оребренных труб и петельно-проволочного оребрения согласно полезной модели.
При этом, предлагаемая теплообменная труба проста в изготовлении и обеспечивает повышении теплоаэродинамических характеристик оребренной трубы, увеличение площади теплообменной поверхности, снижение энергопотребления, повышение жесткости, за счет замкнутой поверхности ребер, охватывающих несущую трубу по наружному контуру ее поперечного сечения и надежности работы оребренной трубы, за счет повышения теплообменных характеристик и повышенной энергоэффективности.