Вихревой теплообменный элемент
VORTEX HEAT EXCHANGE ELEMENT

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных областях техники.
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.
Известен вихревой теплообменный элемент (см. патент РФ №2456522 МПК F28D 7/10, опубл. 27.07.2012. Бюл. №20), 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.
Недостатком является снижение теплоотдающей способности теплообменного аппарата при длительной эксплуатации из-за сокращения момента количества движения потока вследствие уменьшения проходного сечения завихрителя, определяемого налипанием на его внутреннюю поверхность мелкодисперсной каплеобразной и конденсирующейся парообразной влаги, постоянно находящихся в сжатом природном газе.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных параметров термодинамического расслоения сжатого природного газа на «горячий» и «холодный» потоки, обеспечивающие необходимую для систем отопления теплоотдающую способность теплообменного аппарата, путем обеспечения постоянства проходного сечения завихрителя при длительной эксплуатации. Это достигается тем, что каждый завихритель выполнен в виде суживающегося сопла и его внутренняя поверхность покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой в виде оксида тантола.
Технический результат 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, при этом каждый завихритель выполнен в виде суживающегося сопла, а внутренняя поверхность его покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантола.
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; на фиг. 4 - разрез завихрителя в виде суживающегося сопла, внутренняя поверхность которого покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой.
Вихревой теплообменный элемент 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.
1
2
3
n
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 (l>l>l>…>l).
1
2
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 l расположено ребро 21, а от него на расстоянии l расположено ребро 22 и далее до завихрителя 12.
1
2
3
n
Следующий пакет ребер расположен на участке 9 от завихрителя 12 до завихрителя 13 с таким же соотношением расстояний между ребрами (l>l>l>…>l). В указанной последовательности располагаются остальные пакеты ребер 19, количество которых определяется длиной вихревого теплообменного элемента.
Каждый завихритель 3, 12, 13, 14, 16 выполнен в виде суживающегося сопла 23, 24, 25, 26, а внутренняя поверхность 27, 28, 29, 30 покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой 31, 32, 33, 34 из оксида тантола.
Вихревой теплообменный аппарат работает следующим образом.
Природный сжатый газ, транспортируемый в магистральных трубопроводах, всегда насыщен мелкодисперсными каплеобразными частицами и имеет относительную влажность, близкую к 100% (см., например, Промышленное газовое оборудование. Справочник/Удовенко В. Е. Изд. Газовик, 2013 – 280 с. ил.). По мере перемещения потока в завихрителе 3 суживающегося сопла 23 мелкодисперсные каплеобразные и конденсирующиеся частицы налипают на внутреннюю поверхность 27, уменьшая проходное сечение завихрителя 3 с последующим сокращением момента количества движения закручиваемого потока (см., например, стр. 82-90. Некоторые вопросы исследования теплообмена и тепловых машин/Сборник статей кафедры «Теплотехника и тепловые двигатели. Куйбышевский авиационный институт им. С. П. Королева. Вып. 56 – Куйбышев 1972 г. – 208 с. ил.). В результате не наблюдается ожидаемого повышения температуры «горячего» термодинамически расслоенного потока природного сжатого газа с последующим снижением теплоотдающей способности вихревого теплообменного аппарата.
При покрытии оксидом тантала в виде нанообразной стеклоподобной пленки 31 внутренней поверхности 27 завихрителя 3 мелкодисперсные каплеобразные и конденсирующиеся частицы влаги, сопутствующей движущемуся потоку сжатого природного газа, скользят без налипания по нанообразной стеклоподобной пленке 31 (см., например, Литвинова А. В., Саврук Е. Н. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом/Сборник трудов региональной научно-технической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводчестве, растениеводстве и экономике» - Томск: ТСХИ НГАУ – Вып. 12 -2010- с. 299 -301) и проходное сечение завихрителя 3 остается постоянным. Это обеспечивает нормирование параметра теплоотдачи процесса теплообмена, а следовательно, получение необходимой температуры его наружной поверхности, например для систем отопления, вне зависимости от концентрации каплеобразных загрязнений, поступающих в завихрители 3 (12, 13, 14, 16) с потоком сжатого природного газа.
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 с 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).
1
2
3
n
Поэтому для поддержания максимальной теплоотдачи по внешней поверхности трубы 2 расположены пакеты ребер, при этом расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается l>l>l>…>l.
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 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 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, 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 1, материала внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 со стороны движения ГТ имеет значение в 2,0-2,5 раза выше коэффициента теплопроводности  2 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 заключается в том, что поддержание нормированной теплоотдающей способности вихревого теплообменного аппарата при длительной эксплуатации с наличием мелкодисперсных частиц и конденсирующейся влаги, сопутствующей сжатому природному газу, достигается за счет обеспечения постоянства проходного сечения завихрителей путем устранения налипания загрязнений на их внутреннюю поверхность вследствие покрытия ее нанообразной стеклоподобной пленки из оксида тантола.