ВСТАВКА ДЛЯ ТУРБУЛИЗАЦИИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ТРУБЧАТОМ ЭЛЕМЕНТЕ
INSERT FOR TURBULISATION OF LIQUID FLOW IN TUBULAR ELEMENT

Изобретение относится к средствам увеличения теплопередачи путем турбулизации потока жидкости.
Известны различные конструкции вставок в трубчатые элементы для турбулизации потока жидкости и увеличения теплопередачи.
Известны, в частности, вставки для турбулизации потока жидкости различной конструкции, выполненные из проволочных элементов, например по патентам Великобритании GB 425376, GB 1178038, заявке Японии JP 2007064514.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция, описанная в патенте US 4481154, дата публикации 6.11.1984. Вставка для турбулизации потока жидкости выполнена из проволоки путем навивки и включает центральный стержень и множество петлевых элементов, закрепленных в центральном стержне и расположенных по его длине радиально вокруг оси центрального стержня. Такая конструкция турбулизатора проста в изготовлении, однако эффективность такого турбулизатора недостаточна.
Заявляемая конструкция вставки качественно повышает эффективность турбулизации потока жидкости.
Вставка для турбулизации потока жидкости в трубчатом элементе выполнена из проволоки путем навивки и включает центральный стержень и множество петлевых элементов, закрепленных в центральном стержне и расположенных по его длине радиально вокруг оси центрального стержня. Петлевые элементы, в отличие от прототипа, выполнены из проволоки приблизительно прямоугольного сечения, при этом поверхность проволоки упомянутого петлевого элемента большей площади ориентирована, в основном, в плоскости, перпендикулярной оси центрального стержня.
Такая конструкция вставки качественно меняет режим турбулизации. Петлевые элементы из проволоки приблизительно прямоугольного сечения изменяют характеристику потока жидкости, поток становится более бурным, беспорядочным. Турбулизация потока происходит не только за счет того, что набегающий поток обтекает большую поверхность, но также за счет того, что за петлевым элементом прямоугольного сечения происходит резкий срыв потока. Кроме того, петлевой элемент из проволоки приблизительно прямоугольного сечения, расположенный относительно потока под углом, работает подобно крылу и благодаря несимметричности профиля турбулизирует поток. Проволочный петлевой элемент является достаточно гибким и поэтому при несимметричном давлении с разных сторон профиля петли возникают силы, заставляющие виток перемещаться в потоке и еще более турбулизируют его за счет перемещения петлевого элемента.
Эффективность вставки может быть повышена в частных случаях выполнения.
Отношение длины ребер прямоугольника в упомянутом прямоугольном сечении проволоки петлевого элемента может быть выбрано из соотношения от 1,01:1 до 3:1.
Петлевые элементы из упомянутого множества петлевых элементов могут быть расположены с переменным угловым шагом. В этом случае турбулентность потока возрастает из-за несимметричности обтекания.
Кроме того, перемена углового шага может быть выполнена через группу последовательно расположенных петлевых элементов, которые расположены в угловом секторе, равном 360°. Такое расположение элементов позволяет избежать теневого эффекта, когда предыдущая группа элементов, расположенная радиально друг за другом, «заслоняет» следующую группу элементов, расположенных за ними. Переменный угловой шаг позволяет сдвинуть петлевые элементы относительно друг друга и избежать «теневого эффекта».
Угол наклона плоскости, проходящей, в основном, через плоскость упомянутого петлевого элемента к оси центрального стержня может составлять приблизительно 45°±5°. При таком расположении петлевых элементов возникают лучшие условия турбулизации потока.
В частном случае выполнения поверхность проволоки петлевого элемента для повышения турбулентности может быть выполнена волнистой.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 приведен общий вид вставки сбоку.
На Фиг.2 приведен вид сбоку трех последовательно выполненных петлевых элементов.
На Фиг.3 - сечение проволоки петлевого элемента.
На Фиг.5 показан пример обтекания потоком сечения петлевого элемента.
На Фиг.6 приведен вид спереди трех, расположенных под углом к потоку, петлевых элементов.
На Фиг.7 показано расположение группы последовательно расположенных петлевых элементов, заполняющих сектор 360°.
Вставка (Фиг.1 - Фиг.2) содержит центральный стержень 1 и множество петлевых элементов 2, расположенных по длине стержня радиально вокруг оси 7 стержня 1. Петлевые элементы 2 выполнены из проволоки приблизительно прямоугольного сечения (Фиг.2), поверхность 3 петлевого элемента 2 большей площади ориентирована, в основном, в плоскости, перпендикулярной оси 7 центрального стержня 1. На Фиг.3 показано сечение проволоки, отношение ребра A поверхности 3 большей плоскости к ребру В поверхности 4 проволоки меньшей площади составляет от 1,01:1 до 3:1. Выбор соотношения зависит от необходимой турбулизации потока с учетом сопротивления потоку, которое создает вставка.
Вставка изготавливается следующим образом. Сначала навивается спираль из проволоки примерно прямоугольного сечения. Затем спираль надевается на одну проволоку будущего стержня, как правило большего сечения, чем проволока спирали. Сечение проволоки стержня может быть разным - круглым, прямоугольным. Затем рядом с первой проволокой располагается вторая проволока стержня. Проволоки начинают скручиваться и образуют вставку, в которой вокруг центрального стержня образуется множество петлевых элементов. В процессе скручивания по числу оборотов, возможно неполных, контролируется угловой шаг петлевых элементов относительно друг друга. На Фиг.6 угловой шаг между петлевыми элементами 2 показан в виде угла β. Наиболее эффективна вставка, в которой перемена углового шага выполнена через группу последовательно расположенных петлевых элементов 2, расположенных в угловом секторе, равном 360°. Форма петлевых элементов может быт различной, например овальной или эллипсовидной.
Затем каждый петлевой элемент 2 наклоняется и располагается в плоскости под углом 45°±5° к оси центрального стержня.
Материал проволоки может выбираться в зависимости от назначения вставки и вида среды, в которой она может использоваться, и температуры жидкости. Могут использоваться различные виды сталей, пластмасс и других материалов с пластичными и упругими свойствами.
Длина вставки, в зависимости от назначения, может быть разной, например от 1 до 3 метров. При необходимости иметь большую длину вставки они соединяются между собой.
Вставка помещается в трубчатый элемент, по которому пропускается жидкость. На Фиг.4 показано обтекание одиночного петлевого элемента 2, за которым образуется турбулентная зона 6. Турбулизация потока происходит потому, что набегающий поток обтекает большую поверхность петлевого элемента 2 и за петлевым элементом 2 прямоугольного сечения происходит резкий срыв потока. Петлевой элемент работает подобно крылу и благодаря несимметричности профиля эффективно турбулизирует поток.
Вставка для турбулизации потока жидкости в трубчатом элементе может использоваться в теплообменных аппаратах, аппаратах для разделения, смешивания и проведения химических процессов.