ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Изобретение относятся к теплообменным аппаратам и может быть использовано в энергетике и смежных отраслях промышленности.
Известен теплообменный аппарат с теплообменными элементами из гладких труб с интесификаторами в виде пружинных вставок из проволоки, установленной в проточной части канала (см. Ю.Г.Назмиев «Теплообмен при ламинарном Течении жидкостей в дискретно- шероховатых каналах - М.: Энергоатом издат., 1998 - 371 с.)
В известных интенсификаторов при малых шагах проволочной спирали нарушается тепловой контакт выступа (проволок) с поверхностью трубы, это вызывает существенное падение тепловой эффективности проволочной спирали.
Наиболее близким предлагаемому техническому решению является теплообменный элемент, представляющий собой трубу, выполненную из проволоки в виде тугой пружины, витки которой жестко скреплены (заявка №200614351/22 (047531) от 07.12.2006 положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 17.01.2007).
Недостатком прототипа является низкая поверхность теплообмена, что вызывает необходимость увеличения длины проточной части канала и удорожание стоимости теплообменного элемента.
Задачей изобретения является интенсификация процесса теплообмена путем создания развитой теплообменной поверхности при снижении длины проточной части канала, при умеренном росте потерь энергии на прокачивание теплоносителя, и уменьшение капитальных затрат на изготовления теплообменного элемента.
Технический результата достигается тем, что теплообменный элемент выполнен в виде чередующихся элементов в форме «конфузор-диффузор» с криволинейной поверхностью.
Отличительным признаком предлагаемого теплообменного элемента от указанного прототипа является выполнение проточной части теплообменного элемента в виде чередующихся элементов в форме «конфузор-диффузор» с криволинейной поверхностью, путем навивки проволоки заданного диаметра на разъемную профильную оправку, состоящую из элементов конфузора и диффузора, соединенных на резьбе.
После навивки оправка извлекается из внутренней части теплообменного элемента, предварительно подготовленные конфузорно-диффузорные элементы монтируются на цилиндрическую оправку (диаметром равном отверстию перехода конфузора в диффузор) и свариваются лазерной сваркой по внешнему периметру стыков пружинной навивки.
Технология возможна и путем навивки проволоки на выплавляемый стержень (метод «по выплавляемым моделям») с последующей лазерной сваркой стыков пружинной навивки.
Предлагаемый вариант теплообменного элемента в виде чередующихся элементов в форме «конфузор-диффузор» с криволинейной поверхностью представлен на фиг.1
Теплообменный элемент выполнен из проволоки 1 заданного сечения (например круглого) из простой или легированной стали с заданным углом подъема винтовой линии, состоящий из фасонного конфузорного 2 и фасонного диффузорного 3 элементов, сваренных по внешним стыкам лазерной сваркой или пайкой по внешнему периметру (свинцом или оловом).
Выполнение теплообменного элемента в форме «конфузор-диффузор» из тугой пружины, витки которой жестко скреплены позволяет существенно интенсифицировать теплообмен за счет закрутки потока витыми элементами.
Причем в процессе течения среды в канале теплообменного элемента происходит существенное изменение соотношения между осевой и окружной скоростями течения в проточной части элемента, что оказывает значительное влияние на интенсивность теплоотдачи на протяженном участке канала (в 2...3 раза).
Так по мере движения жидкости в конфузоре 2 происходит рост осевой скорости движения среды, что вызывает рост пристенного вращательного движения (окружной скорости), вторичные течения, вызванные действием центробежных сил, что конечном счете усиливает теплообмен между ядром потока и пограничным слоем на стенке канала.
При движении жидкости в диффузоре снижается осевая скорость, но за счет роста диаметра канавок между витками элементов канала возрастает окружная скорость у внутренней стенки трубы.
Учитывая специфику движения жидкости в диффузоре, при наличии вращения среды, это способствует отрыву потока от профильных стенок диффузора, вызывая поперечное перемешивание жидкости в потоке, тем самым интенсифицируя теплоотдачу.
Придание стенкам конфузорно-диффузорных элементов криволинейной теплообменной поверхности позволит (в отличие от прямых стенок) увеличить поверхность теплообмена канала (в отдельных случаях до 30%), что существенно снижает длину теплообменных элементов а следовательно и их металоемкость.
Использование в теплообменной аппаратуре предлагаемых теплообменных элементов типа «конфузор-диффузор», из тугой пружины обуславливает двухсторонний эффект интенсификации теплообмена, как со стороны внутренней, так и наружной поверхности.
Кроме того, предлагаемый вид теплообменных элементов позволит создавать аппараты с плотно упакованным пучком труб с высокой поверхностью теплообмена и меньших размеров в целом теплообменного аппарата.