ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в энергетике, ЖКХ и смежных с ними отраслях промышленности.
Известен теплообменный аппарат с теплообменным элементом из гладких труб с интенсификаторами в виде пружинных вставок из проволоки, установленных в проточной части канала (см. Н.А.Воинов, М.А.Николаев «Пленочные трубчатые газо-жидкостные реакторы. - Казань. Отечество, 2008. - 43 с.)
В известных теплообменных аппаратах при нарушении плотного контакта интенсификатора с внутренней поверхностью трубы существенно подает тепловой эффект проволочной спирали.
Наиболее близким к предполагаемому техническому решению является теплообменный элемент в виде трубы, выполненной из проволоки в виде тугой пружины витки которой жестко скреплены (см. Патент на полезную модель №62 694, опубл. 27.04.07 Бюл. №12. - прототип.)
Недостатком прототипа является снижение эффективности теплообмена с увеличением расхода рабочей среды ввиду возрастания эффекта вращения среды в поперечном сечении трубы. В результате консервативного влияния массовых центробежных сил, возникающих при движении теплоагента по винтовым впадинам цилиндрической пружинной навивки, существенно уменьшается циркуляция жидкости в сечении канала, играющая существенную роль в процессе теплообмена.
Задачей полезной модели является интенсификация теплообмена с ростом расхода среды.
Результат достигается тем, что в теплообменный элемент, представляющий собой пружинно-витую трубу, выполненную из проволоки витки которой жестко скреплены, согласно полезной модели, проточная часть трубы выполнена виде эллипса.
Отличительным признаком предлагаемого теплообменного элемента от указанного прототипа является изготовление теплообменного элемента с проточной частью, выполненной в виде эллипса.
Предлагаемый вариант теплообменного элемента в виде пружинно-витой трубы с эллиптическим поперечным сечением представлен на фиг.1
Теплообменный элемент выполнен путем навивки на подложку эллиптического сечения проволоки заданной конфигурации (круглого, эллиптического или овального сечения) из углеродистой или легированной стали, а также из титана, латуни, алюминия или меди с заданным углом подъема винтовой линии с последующей сваркой лазерным лучом боковой поверхности элементов проволоки. (фиг.2).
После подачи с большой скоростью рабочей среды в проточную часть теплообменного элемента пристенные слои жидкости в пограничном слое пружинно-витой трубы за счет центробежных массовых сил, вызванных движением среды в винтовых канавках, вовлекаются во вращательное движение. Это зарождает эффект непрерывного, по всей длине канала, образования «катящихся» макровихрей Тэйлора-Гертлера, способствуя общему росту среднего значения коэффициентов теплоотдачи от внутренней стенки теплообменного элемента к жидкости.
Выполнение теплообменного элемента с эллиптическим сечением проточной части позволяет дополнительно обеспечить турбулизацию рабочей среды в пристенной области. За счет геометрии проточной части теплообменного элемента происходит перераспределение радиальных давлений по осям эллипса (на большей оси - большее давление, на меньшей - меньшее) вследствие чего возникают вторичные течения в виде поперечных парных вихрей, вызывающих дополнительное перемешивание среды в проточной части канала. Это способствует интенсификации процесса теплообмена и, в конечном счете, приводит к тепловой стабилизации на более коротком участке теплообменного элемента.
Наличие спиральных выступов на наружной поверхности теплообменного элемента приводит к эффекту оребрения трубы с низкими накатанными ребрами полукруглого или эллиптического сечения, в зависимости от сечения проволоки, что увеличивает поверхность теплообмена по сравнению с гладкой трубой в среднем 1,5…1,7 раза.
Использование в теплообменной аппаратуре предлагаемых теплообменных элементов в виде пружинно-витой трубы обуславливает двухсторонний эффект интенсификации процессов теплообмена, как со стороны внутренней, так и наружной поверхности, что позволяет существенно увеличить коэффициент теплопередачи в среднем 2…2,5 раза.
Кроме того предлагаемый вид теплообменных элементов позволит создать аппараты с плотно упакованным пучком труб, там где невозможно использование оребрения снаружи труб, при этом снижается металлоемкость конструкции теплообменного элемента в среднем на 27%.
Способ изготовления таких теплообменных элементов может быть легко автоматизирован, поскольку изготовление пружинно-витых теплообменных элементов возможно путем организации непрерывной лазерной сварки с одновременной непрерывной навивкой пружинно-витой трубы на оборудовании для навивки пружин.