ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА

Предлагаемая полезная модель предназначена для применения в области теплотехники и может быть использована в теплообменных аппаратах для рекуперативного теплообмена, при котором горячая и холодная среды протекают одновременно и теплота передается через разделяющую их стенку.
Известна теплообменная труба, содержащая оребрение в виде проволочной пружины, навитой по спирали. Оребрение расположено на наружной и внутренней поверхностях трубы, причем, на внутренней поверхности трубы оно выполнено в виде сдвоенной пружины, размещенной на каркасе, выполненном в виде скрученной двойной проволоки (1).
Известная конструкция теплообменной трубы характеризуется большой металлоемкостью при изготовлении и трудоемкостью при сборке, вследствие наличия дополнительных элементов: каркаса и самого проволочного оребрения.
Известно также использование в качестве теплообменной трубы гофрированной оболочки гибких с винтовыми гофрами трубных рукавов, обеспечивающих равномерность нагрева теплоносителя по сечению за счет увеличения наружной и внутренней поверхностей стенок трубы и направленного по спирали движения теплоносителя, что позволяет при уменьшенной массе трубы, изготовленной из недефицитного и дешевого материала, повысить экономичность изготовления и потребительские свойства теплообменника (2).
Недостатком такой трубы является недостаточно высокая интенсификация теплообмена из-за низкой теплопроводности гибких гофрированных трубных рукавов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является теплообменная труба, выполненная с канавками, расположенными с шагом по винтовой линии на наружной поверхности трубы и соответствующими им выступами на ее внутренней поверхности, образующими спирально-винтовой профиль трубы.
Канавки выполнены с переменным шагом, который находится в диапазоне от 0,25 до 0,75 диаметра гладкой части трубы. При этом период изменения шага находится в диапазоне от 5 до 15 диаметров гладкой части трубы.
Известная теплообменная труба характеризуется повышенной надежностью при одновременном улучшении соотношения: интенсификация теплообмена и рост гидравлического сопротивления (3, прототип).
Однако, в известной теплообменной трубе увеличение теплового эффекта при умеренном росте гидравлического сопротивления имеет место только в случаях использования теплообменных труб при малых или средних нагрузках, не превышающих 60% номинальной мощности теплообменных аппаратов, или при работе на некоторых режимах при определенных длинах теплообменных труб, когда весь поток теплоносителя получает поступательное и вращательное движение не затрагивающее ядра потока. При этом, благодаря наличию переменного шага между канавками и периоду их изменения от меньшего к большему и наоборот, теплоноситель периодически получает вращательные импульсы, характеризующиеся различными векторами и абсолютными значениями. С повышением нагрузки роль вращательных импульсов значительно усиливается. Причина этого состоит в том, что из-за наличия мощного напора теплоносителя и наличия длинных участков трубы с ровной поверхностью, до 0,75 размеров ее диаметра, роль вращательных импульсов усиливается и часть энергии неупорядоченых процессов переходит к энергии упорядоченых процессов (диссипации энергии) и, таким образом, уменьшается влияние канавок на пристеночный ламинарный слой теплоносителя, что приводит к увеличению роста гидравлического сопротивления. При этом, рост гидравлического сопротивления превышает интенсификацию теплового обмена. Между тем, исследования (4) показывают, что критерием энергетической эффективности служит примерное равенство отношения коэффициентов роста сопротивления и роста отношения коэффициентов теплоотдачи.
Кроме того, разный шаг канавок и наличие длинных участков трубы с ровной поверхностью трубы между ними не предотвращает образование отложений на стенках трубы, не благоприятствует улучшению самоочистки стенок трубы от отложений и не благоприятствует улучшению прочности трубы.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции известной теплообменной трубы, в которой путем нового расположения, самих по себе известных в технике элементов, и организации в связи с этим новых взаимосвязей между известными элементами, обеспечивается возможность улучшения соотношения: „интенсификация теплообмена - рост гидравлического сопротивления" при номинальных и повышенных нагрузках на теплообменную трубу.
Поставленная задача решается тем, что в известной теплобменной трубе, выполненной с канавками, расположенными с шагом по винтовой линии на наружной поверхности трубы и соответствующими им выступами на ее внутренней поверхности, образующими спирально-винтовой профиль трубы, согласно предлагаемой полезной модели, канавки расположены с регулярным шагом по одной или более заходным винтовым линиям, образующим соответствующий этим заходным винтовым линиям регулярный спирально-винтовой профиль трубы.
Поставленная задача решается также тем, что, в случае расположения канавок по более чем одной заходным винтовым линиям, канавки в них выполнены с разными по величине геометрическими параметрами: глубиной и радиусом.
При этом, глубину, радиус и шаг канавок, угол наклона и количество заходных винтовых линий определяют экспериментальным и расчетным путем и регулируют в зависимости от диаметра трубы, свойств теплоносителя, параметров увеличения поверхности трубы с одновременным улучшением соотношения: „интенсификация теплообмена - рост гидравлического сопротивления".
Предлагаемая полезная модель обеспечивает увеличение теплового обмена при умеренном росте гидравлического сопротивления практически во всех случаях использования теплообменных труб: как при номинальных нагрузках, так и при нагрузках, превышающих номинальные мощности теплообменных аппаратов, равно как и при малых или средних нагрузках, не превышающих 60% номинальной мощности теплообменных аппаратов, а также при работе на некоторых режимах при определенных длинах теплообменных труб и работе с высоковязкими средами. Весь поток жидкости получает поступательное, вращательное движение и регулярные вращательные импульсы, характеризующиеся различными векторами и абсолютными значениями. При этом пограничные слои и холодные ядра, получая в участках с винтообразным поворотом по ходу движения дополнительные вращательные импульсы, перемешиваются между собой, интенсифицируя теплообмен, а образующийся при этом эффект резонанса жидкости способствует снижению ее вязкости, образованию отложений и самоочистке стенок трубок от отложений.
По сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель обеспечивает интенсификацию процеса теплообмена при умеренном росте гидравлического сопротивления путем организации равномерного теплообмена по всему сечению трубы, регулярной и оптимальной турбулизации пограничных слоев потоков и увеличении поверхности трубы более чем на 20% при одной и той же массе трубы. Позволяет повысить прочность, надежность, экономичность изготовления и эксплуатационные свойства трубы.
Расположение канавок по более, чем одной заходным винтовым линиям и выполнение их с разными по величине геометрическими параметрами: глубиной и радиусом, усиливает турбулизацию и теплообмен.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в улучшении соотношения: интенсификация теплообмена и роста гидравлического сопротивления при номинальных и повышенных нагрузках.
Предлагаемая теплообменная труба выполнена с канавками, расположенными с регулярным шагом по одной или более заходным винтовым линиям на внешней поверхности трубы, и соответствующими им выступами, расположенными на внутренней поверхности трубы, образующими соответствующий этим заходным винтовым линиям регулярный спирально-винтовой профиль трубы.
В зависимости от количества винтовых линий канавки образуют соответствующий равномерный и регулярный спирально-винтовой профиль трубы: однозаходный, двозаходный, и т.д.
В случае расположения канавок по одной винтовой линии, канавки в ней выполнены с одинаковыми по величине геометрическими параметрами: шагом, глубиной, радиусом и углом наклона.
А в случае расположения канавок по более, чем одной винтовой линии, канавки в них выполнены с разными по величине геометрическими параметрами: глубиной. радиусом, но с одним и тем же углом наклона и шагом между канавками.
Предлагаемая труба может быть изготовлена методом пластической деформации (обкатки) стандартной трубы с гладкостенной наружной поверхностью. Стандартную трубу обкатывают по винтовой линии с помощью одного или нескольких роликов, которые при определенном давлении соприкасаются с трубой. В результате обкатки наружная и внутренняя поверхность трубы приобретает регулярный спирально-винтовой профиль в виде канавок на внешней поверхности и соответствующим им выступам на внутренней поверхности.
На чертеже представлена заявляемая теплообменная труба с однозаходным спирально-винтовым профилем с регулярным шагом: поз.1 - труба, поз.2 - канавки, поз.3 - выступы, поз.4 - шаг канавок.
Теплообменная труба 1 работает следующим образом. Трубу 1 закрепляют в корпусе теплообменника с патрубками входа и выхода потоков по трубному и межтрубному пространствам (на чертеже не показано). Один из теплоносителей движется в межтрубном пространстве по наружной поверхности трубы 1. При его прохождении над канавками 2 регулярно изменяется вектор и абсолютные значения величин скорости потока, что способствует росту коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы. Второй теплоноситель движется по трубному пространству внутри трубы 1. При его прохождении над выступами 3 также регулярно изменяется вектор и абсолютные значения величин скорости потока, что способствует росту коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к другому теплоносителю.
Источники информации:
1. Патент RU 2200925 С2, М.кл. F28F 1/42.
2. Заявка RU 93010830/29, 01.03.1993, М.кл. F28D 7/02, F24H 9/00
3. Патент RU 2197693 С2, М.кл. F28F 1/42. (прототип).
4. Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, С.А.Ярхо. Интенсификация теплообмена в каналах, - 2-е издание, перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1981. - 205 с.