ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА (ВАРИАНТЫ)

Назначение и область применения
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.
Наиболее близким решением по совокупности существенных признаков, принятым за прототип, является конструкция оребренной трубы пучка теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения (с патент РФ №2266496, 26.03.2004), характеризующаяся тем, что оребренная труба содержит собственно тело теплообменной трубы - несущую трубу с неполным наружным поперечным оребрением переменной толщины и высоты, которое выполнено преимущественно из алюминиевого сплава. К числу недостатков данного решения следует отнести сложность в изготовлении и недостаточная тепловая 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 поперечное оребрение отличающуюся от прототипа тем, что несущая труба выполнена плоскоовальной в плоскости поперечного сечения, а наружное оребрение содержит поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает.
Заявленный технический результат также достигается тем, что используют теплообменную трубу, содержащую несущую трубу и наружное поперечное оребрение отличающуюся от прототипа тем, что несущая труба выполнена эллиптической в плоскости поперечного сечения, а наружное оребрение содержит поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели по любому из вышеуказанных вариантов осуществления, полная высота ребер наружного поперечного оребрения, между их внешним и внутренним контуром, постоянна. При этом, очевидно, что внешний контур ребер также как и внутренний, повторяет очертания контура поперечного сечения несущей трубы.
Также несущая труба согласно любому из вышеуказанных вариантов осуществления полезной модели может быть выполнена из стали, а оребрение из алюминия. При этом, несущая труба может быть выполнена двухслойной, где внутренний слой выполнен из стали, а внешний из алюминия, причем, ребра наружного оребрения также могут быть выполнены из стали и/или алюминия, а труба выполнена биметаллической.
Оребрение трубы, согласно полезной модели по любому из вышеуказанных вариантов осуществления, может быть выполнено в виде поперечно-винтового наката ребер, или навивки алюминиевой ленты с натягом или стальной ленты с обваркой, а ребра наружного оребрения могут быть выполнены напрессовкой натягом.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, где фиг. 1 - Теплообменная туба по первому варианту с плоскоовальной в поперечном сечении несущей трубой: а) поперечное сечение, б) вырез продольного сечения; фиг. 2 - Теплообменная туба по второму варианту с эллиптической в поперечном сечении несущей трубой: а) поперечное сечение, б) вырез продольного сечения; фиг. 3 - линии тока при расчете поля скоростей конденсирующейся смеси.
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, поперечно-оребренную, трубу, содержащую несущую трубу 2 с оребрением на наружной поверхности, состоящим из плоских поперечных ребер 3 с замкнутым внешним и внутренним контуром, повторяющим очертание контура поперечного сечения несущей трубы 2. Ребра 3 равномерно распределены в продольном направлении с образованием зазора 4 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 17 мм, а толщины ребра от 0,35 мм до 0,9 мм. При этом в пределах конструкции выбранная высота ребра постоянна.
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 на фиг. 2 с эллиптическим контуром поперечного сечения.
Теплообменные трубы с поперечным оребрением согласно полезной модели могут быть изготовлены различными способами, например, методом точного литья (чугунные и стальные трубы, а также стальные трубы с алюминиевыми ребрами); методом насадки или механической навивки винтового (спирально-ленточного) оребрения, например, навивки алюминиевой ленты с натягом (с насечкой или без насечки наружной поверхности несущей трубы), а также навивки с последующей завальцовкой ее в винтовую канавку на поверхности несущей трубы или навивки стальной ленты с обваркой; поперечно-винтового накатывания ребер на алюминиевой трубе, надетой на гладкую несущую трубу, с образованием биметаллической оребренной трубы; напрессовкой с натягом стальных или алюминиевых ребер (пластин) или методом приварки ребер электородуговой сваркой под флюсом или токами высокой частоты. Наиболее предпочтительными и технологичными являются стальные трубы выполненные напрессовкой с натягом стальных или алюминиевых ребер (пластин), а также поперечно-винтового накатывания ребер. Однако, 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 использование стали (например, Ст 20,09Г2С, 12Х18Н10Т и т.д.) предпочтительно.
2
При этом, поперечно-оребренные трубы с плоскоовальной или эллиптической несущей трубой согласно полезной модели, за счет вытянутой формы несущей трубы, имеют высокую степень развития теплообменной поверхности. Так, например, при расчете площади поверхности оребренной трубы F, м косвенным методом по формуле:
, где
D - измеренный наружный диаметр оребренной трубы, м;
H - измеренная высота ребра, м;
p
S - измеренная толщина ребра при вершине, м;
0
S - измеренное расстояние между ребрами, м;
-1
L - измеренная длина оребренной части трубы, м;
m - действительное линейное число ребер, шт.;
n - действительное число труб в аппарате без учета заглушенных, шт,
2
2
при длине трубы 1 м площадь поверхности оребренной трубы с наружным диаметром 25 мм и коэффициентом оребрения 20 составляет - 1,628 м, а соответствующей заменяющей ее плоскоовальной трубы 25×45 с коэффициентом оребрения 20 составит уже - 2,9 м, что обеспечивает существенное преимущество с точки зрения повышения эффективности обеспечения теплообменного процесса оребренных труб с плосокоовальной несущей трубой, по сравнению с традиционными несущими трубами круглого сечения. Очевидно, что для несущей трубы с поперечным сечением эллиптической формы значения площади поверхности оребренной трубы будут близки вышеуказанным расчетным значениям для несущей трубы с плоскоовальным поперечным сечением.
При этом теплообменные трубы согласно полезной модели за счет применения плоскоовальной или эллиптической формы как несущих труб, так и наружного оребрения 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 поперечно-оребренных труб 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 ребрами той же конфигурации, расчетная мощность вентиляторов в первом случае составила 5,8 кВт, а в случае применения несущей трубы согласно полезной модели - 4,1 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 поперечно-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 теплообменных труб с поперечным оребрением, 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. 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.. При этом, при конденсации в плоскоовальных и эллиптических 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».
При расчете поля скоростей конденсирующейся смеси, были получены линии тока указанные на фиг. 3. 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.
Теплообменная труба выполненная согласно полезной модели, с плоскоовальной или эллиптической формой поперечного сечения несущей трубы и соответствующих им поперечных 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 несущих труб и оребрения 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;
- увеличение суммарной площади теплообменной поверхности пучка, за счет применения формы оребренных труб согласно полезной модели и возможности более плотного размещения труб в пучке.
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.