ТРУБА ДЛЯ ТЕПЛООБМЕННИКА С, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ЧАСТИЧНО ПЕРЕМЕННЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ И ТЕПЛООБМЕННИК, ЕЮ СНАБЖЕННЫЙ
TUBE FOR HEAT EXCHANGER WITH AT LEAST PARTIALLY VARIABLE CROSS-SECTION AND HEAT EXCHANGER EQUIPPED THEREWITH

Изобретение относится к трубе для теплообменника, по меньшей мере, часть которой имеет переменное поперечное сечение в продольном направлении.
Такая труба теплообменника известна, например, из документа ЕР 1 429 085. В этом документе описан теплообменник с множеством параллельных трубок. Поперечное сечение каждой трубы переходит от круглого вблизи первого внешнего конца, прикрепленного к монтажной пластине, к эллиптическому в центральной части. От нее поперечное сечение снова изменяется до круглого по форме на втором внешнем конце, который подобным же образом прикреплен к монтажной пластине. Круглое по форме поперечное сечение на концах выбирается в данном случае для обеспечения простого монтажа в круглых отверстиях пластин.
Задачей изобретения является предложить трубу для теплообменника, поперечное сечение которой меняется в ее продольном направлении таким образом, что возможен оптимальный теплоперенос от среды, протекающей через трубу, среде, окружающей трубу. Согласно изобретению, это достигается в случае, когда площадь поперечного сечения трубы уменьшается от максимальной величины вблизи внешнего конца трубы до минимальной величины вблизи ее противоположного внешнего конца. Уменьшение площади трубы приводит к увеличению скорости протекания среды через трубу, что позволяет оптимизировать теплоперенос.
Отношение периферии площади поперечного сечения и периферии меняется по длине трубы. Таким образом, в трубе можно задать оптимальные условия протекания среды.
Отношение периферии и площади поперечного сечения может преимущественно увеличиваться в данном случае от минимальной величины вблизи внешнего конца трубы до максимальной величины вблизи ее противоположного внешнего конца. Это отношение определяет площадь стенки, имеющуюся для теплообменного контакта между средой, находящейся в трубе, и средой, окружающей трубу, на единицу площади сечения трубы.
В предпочтительном варианте трубы отношение периферии к площади поперечного сечения увеличивается в том направлении трубы, в котором уменьшается площадь поперечного сечения. Таким образом, увеличиваются скорость и турбулентность среды, что позволяет улучшить теплоперенос.
Хотя можно рассматривать случай, когда поперечное сечение трубы является, по существу, круглым вблизи одного внешнего конца и имеет плоскую форму вблизи другого внешнего конца, другой выгодный вариант получают, когда форма периферии вблизи одного внешнего конца является, по существу, круглой и представляет собой, по существу, звезду вблизи другого внешнего конца. В случае круглого поперечного сечения отношение периферии к площади поперечного сечения является минимальным, в то время как в случае формы звезды оно, наоборот, относительно большое. В данном случае звезда может иметь три или более вершин. Круг имеет максимальную величину отношения площади поперечного сечения к периферии, что позволяет намеренно ограничить теплоперенос у того внешнего конца, где труба имеет круглое поперечное сечение, чтобы предотвратить нагрев трубы в этом месте до нежелательно высоких температур. С другой стороны, вблизи того внешнего конца, где периферия трубы имеет форму звезды, обеспечивается интенсивный теплоперенос.
Конструктивно простое решение получают, когда изменение площади и/или формы периферии поперечного сечения достигается за счет деформирования, по меньшей мере, части стенки трубы.
Дополнительно рекомендуется, чтобы для каждого поперечного сечения трубы задавалась линия, огибающая поперечное сечение, и огибающие были, по существу, идентичными в направлении по длине трубы. Таким образом, внешний размер трубы остается постоянным по ее длине, что легко позволяет поместить ряд трубок по соседству друг с другом в теплообменнике.
В этом случае переменная форма периферии может быть получена при помощи, по меньшей мере, одной согнутой внутрь части стенки трубы. При сгибании стенки внутрь поперечное сечение остается в пределах постоянной огибающей.
Чтобы предотвратить разрыв потока среды в трубе, рекомендуется, чтобы изменение площади и/или формы периферии поперечного сечения было, по существу, постепенным. В ином случае труба также может иметь часть с постоянным поперечным сечением. Однако там, где имеется изменение, это изменение в предпочтительном случае по указанной причине происходит постепенно.
Изобретение также относится к теплообменнику, снабженному, по меньшей мере, одной трубой для первой среды, причем упомянутая, по меньшей мере, одна труба находится в теплообменном контакте со второй средой, протекающей вдоль нее. Согласно изобретению, упомянутая, по меньшей мере, одна труба представляет собой трубу описанного выше типа.
В целях обеспечения контролируемого теплопереноса, упомянутая, по меньшей мере, одна труба предпочтительно установлена в корпусе, внутри которого протекает вторая среда.
Указанное изменение поперечного сечения обеспечивает возможность адаптации этого изменения к температурному градиенту в среде внутри трубы. Это особенно выгодно, когда первая среда представляет собой нагревающую среду, и упомянутая, по меньшей мере, одна труба соединена с источником тепла, в то время как вторая среда представляет собой теплопоглощающую среду. Температуру нагревающей среды можно в конечном итоге должным образом контролировать при помощи источника тепла.
Внешний конец упомянутой, по меньшей мере, одной трубы, на котором площадь поперечного сечения является максимальной и/или отношение периферии к площади поперечного сечения имеет минимальную величину, в предпочтительном случае соединен с источником тепла. Это приводит к тому, что нагревающая среда сначала будет течь относительно медленно через широкую часть трубы, в результате чего будет достаточно времени для переноса большого количества тепла, имеющегося в нагревающей среде, в водную поглощающую среду, окружающую трубу. Как только большая часть тепла перенесена, поток нагревающей среды можно ускорить за счет сужения трубы.
Если корпус имеет впускное отверстие для второй среды, которое создано на первой стороне или вблизи нее, и выпускное отверстие для второй среды, которое создано на второй стороне или вблизи нее, упомянутый ряд трубок в предпочтительном случае устанавливают в корпусе, по существу, параллельно друг другу и под углом к линии, соединяющей впускное отверстие и выпускное отверстие. В результате возникает теплообменник с перекрестным током или теплообменник с перекрестным потоком, который является простым по конструкции, компактным и эффективным.
Корпус с впускным отверстием и выпускным отверстием может образовывать часть контура в центральной нагревательной установке, и трубы могут образовывать часть газохода нагревательной камеры сгорания. Таким образом, теплообменник может применяться в центральной нагревательной установке.
Корпус с впускным отверстием и выпускным отверстием также может образовывать часть канала водоснабжения, в то время как трубы могут образовывать часть газохода нагревательной камеры сгорания. Тогда теплообменник подходит для использования в системе водоснабжения.
И, наконец, изобретение дополнительно относится к центральной нагревательной установке и системе водоснабжения, в которых применяется теплообменник описанного выше типа. Центральная нагревательная установка в данном случае содержит нагревательную камеру сгорания, контур, который проходит в одном или более пространств и в котором циркулирует среда, и теплообменник, соответствующий изобретению, который соединяет между собой камеру сгорания и контур. Аналогичным образом, система водоснабжения содержит нагревательную камеру сгорания, водяной трубопровод, проходящий от источника воды к водоразборной точке, и теплообменник, соединяющий между собой камеру сгорания и водяной трубопровод.
Теперь изобретение будет рассмотрено на основе двух вариантов его реализации, в которых делается ссылка на сопровождающие чертежи, на которых соответствующие части обозначены одними и теми же ссылочными номерами и из которых:
на Фиг.1 приведен схематичный вид теплообменника с трубами, соответствующими первому варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг.2 приведен общий вид трубы для применения в теплообменнике, показанном на Фиг.1, с указанием скоростей протекания среды в трубе;
на Фиг.3 и 4 приведены поперечные сечения соответствующими плоскостями III-III и IV-IV, показанными на Фиг.2;
на Фиг.5 приведен схематичный вид второго варианта теплообменника;
на Фиг.6 приведен вид, соответствующий приведенному на Фиг.2, для второго варианта трубы; и
на Фиг.7 и 8 приведены поперечные сечения соответствующими плоскостями VII-VII и VIII-VIII, показанными на Фиг.6.
Центральная нагревательная (СН) установка 1 (Фиг.1) содержит нагревательную камеру 2 сгорания и контур (не показан) для среды М2, которая направляется в одно или более пространств и там протекает через радиаторы. Среда М2 нагревается опосредованно при помощи камеры 2 сгорания. Для этой цели между контуром и нагревательной камерой 2 сгорания установлен теплообменник 3, в котором протекает среда М1.
В показанном варианте среда М1 образована дымовыми газами, выделяющимися при сжигании горючей смеси С в камере 2 сгорания. Эта горючая смесь С подается в камеру 2 сгорания по каналу 4, при этом дымовые газы, покидающие камеру 2 сгорания, сперва собираются в выпускном коллекторе 5. Из него дымовые газы распределяются по ряду параллельных трубок 6, установленных в корпусе 7 теплообменника 3. С противоположной стороны корпуса 7 трубы 6 выходят в накопительную камеру 8, из которой дымовые газы выпускаются через выпуск 9.
Корпус 7 дополнительно снабжен впускным отверстием 10 на стороне 11 и выпускным отверстием 12 на противоположной стороне 13. Впускное отверстие 10 соединено в данном случае с обратным каналом 14 контура СН-установки 1, в то время как выпускное отверстие 12 соединено с питательным каналом 15 контура. После прохождения через контур среда М2, после того как она оставила свое тепло в пространствах для нагрева, может в результате протекать через теплообменник 3 и приводиться там в теплообменный контакт с нагревающей средой М1 (дымовыми газами), протекающей через трубы 6. Нагретая среда М2 может затем снова проходить через контур.
Так как трубы 6 в показанном варианте проходят, по существу, под прямым углом относительно линии, соединяющей впускное отверстие 10 и выпускное отверстие 12, теплообменник в показанном варианте представляет собой теплообменник с перекрестным током или перекрестным потоком.
Согласно изобретению, трубы 6 имеют переменное поперечное сечение, в любом случае, на части их длины. В показанном варианте изменения ограничены концевой частью трубок 6, если смотреть в направлении протекания среды М1. В данном случае трубы 6 имеют постоянное поперечное сечение на первой половине их длины L, но затем площадь А и форма периферии Р поперечного сечения меняются.
out
in
out
in
В данном случае площадь А уменьшается, если смотреть в направлении протекания, в результате чего площадь выпуска меньше площади впуска: A<A. В результате уменьшения площади скорость протекания среды М1 в трубе 6 будет увеличиваться, чтобы сохранить постоянный массовый расход: V>V. Благодаря более низкой скорости протекания в первой части трубы 6 вблизи камеры 2 сгорания, время нахождения среды М1 в этой части трубы 6 является относительно продолжительным, в результате чего в этом случае по-прежнему очень горячая среда М1 может передавать большее количество тепла среде М2. Время нахождения уменьшается по мере увеличения скорости протекания в результате сужения трубы 6, из-за чего будет также передаваться меньшее количество тепла.
Этот эффект компенсируется тем, что в показанном варианте форма периферии трубы 6 также меняется, в результате чего отношение периферии Р к площади А поперечного сечения увеличивается. За счет этого по нарастающей увеличивается площадь стенки 16 трубы 6, имеющаяся для теплообменного контакта двух сред М1 и М2 с обеих сторон стенки 16, на единицу площади А поперечного сечения этой трубы.
В показанном варианте внешний размер трубы 6 не изменяется. Площадь А в любой точке трубы 6 находится в пределах одной и той же огибающей 17. Таким образом, трубы 6 можно установить в корпусе простым образом по соседству друг с другом с постоянным расстоянием между ними. В данном случае, как можно видеть, изменение формы периферии Р и площади А трубы 6 не выходит за пределы этой постоянной огибающей 17. Для этой цели стенку 16 трубы 6 локально деформируют. В показанном варианте стенка 16 согнута внутрь в трех местах, за счет чего возникают три углубления 18. Эти углубления 18 увеличиваются по глубине и ширине, если смотреть в направлении протекания, за счет чего получают нужное уменьшение площади А и требуемое увеличение периферии Р. При этом поперечное сечение трубы 6 приобретает вид трехконечной звезды с закругленными вершинами (Фиг.4).
out
in
out
in
Круг имеет наименьшее отношение периферии к заключенной внутри площади. Как можно увидеть из сравнения Фиг.3 и 4, периферия P "звездной формы" по длине значительно больше периферии круга P. В то же время, площадь A, заключенная внутри звезды, значительно меньше площади A, заключенной внутри круга – разница создается площадями выемок 18. Разумеется, это связано с тем фактом, что звезда находится в пределах той же самой огибающей 17, что и круг.
Изменение площади А и формы периферии Р трубы 6 в любом случае является постепенным, в результате чего нет риска выброса потока и турбулентности в трубе 6. Стенка 16 постепенно превращается из цилиндрической в согнутую по форме, после чего эти сгибы равномерно увеличиваются в размерах.
В другом варианте изобретения трубы 6 имеют четыре углубления 18 и конец в виде четырехконечной звезды (Фиг.8). Отношение периферии Р к площади А, таким образом, еще больше, так как стенка 16 по форме сильнее отличается от круглой. Большее число углублений 18 приводит к получению относительно большей длины периферии Р, и поэтому большей по размеру стенки 16, на которой происходит теплообмен.
Этот вариант трубы 6 показан в комбинации с теплообменником 3 для системы 20 водоснабжения. Впускное отверстие 10 корпуса 7 соединено в данном случае с трубопроводом 21, который подает холодную воду от источника воды (не показан), например, магистрального водопровода. Эта холодная водопроводная вода направляется как теплопоглощающая среда М2 через теплообменник 3 и доводится в нем до требуемой температуры за счет контакта со средой М1 (дымовыми газами) в трубах 6 (из которых показаны только некоторые). Нагретая водопроводная вода затем покидает теплообменник через выпускное отверстие 12 и течет по трубопроводу 22 к водоразборной точке (не показана), например, крану для питьевой воды. В этом варианте трубы 6 снова также проходят приблизительно поперек направления, в котором среда М2 протекает через корпус 7 от впускного отверстия 10 к выпускному отверстию 12.
В этом варианте дополнительно показано отверстие 23 для спуска конденсата на дне накопительной камеры 8 для дымовых газов. Когда дымовые газы передают свое тепло водопроводной воде и из-за этого охлаждаются, водяной пар, присутствующий в дымовых газах, будет конденсироваться, и конденсат будет накапливаться в низшей точке теплообменника 3, то есть в показанном варианте - на дне накопительной камеры 8. Хотя это не показано, такой спуск конденсата может также иметься и в первом варианте.
Хотя изобретение рассмотрено выше на основе двух вариантов его реализации, будет очевидно, что оно ими не ограничивается и может быть модифицировано множеством способов. Так, например, в показанных вариантах углубления проходят в осевом направлении трубы, хотя также можно представить их прохождение под углом к осевому направлению, в результате чего стенка трубы принимает вид в некоторой степени перекрученной. Кроме того, в показанных вариантах углубления распределены равномерно по периферии трубы, но это не является существенным. Возможны также другие виды распределения. Также можно выбрать первоначальную форму трубок, отличающуюся от показанной круглой формы. Так, например, впускная сторона трубок может иметь эллиптическую форму, возможно, даже с уплощенными сторонами. Также можно рассмотреть некриволинейные формы периферии, например, возможно, правильные многоугольники. Трубы и теплообменники, ими снабженные, могут, кроме того, также использоваться в областях применения, отличающихся от СН-установок и систем водоснабжения. Переменное поперечное сечение трубок в продольном направлении также может иметь преимущества в промышленных технологических установках.
Объем изобретения, таким образом, определен, исключительно пунктами приведенной далее формулы изобретения.