ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в энергетике и смежных отраслях промышленности.
Известен теплообменный аппарат с теплообменными элементами из гладких труб с интенсификаторами в виде пружинных вставок из проволоки, установленных в проточной части канала (см. Ю.Г. Назмеев «Теплообмен при ламинарном течении жидкостей в дискретно-шероховатых каналах». - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 371 с).
В известных теплообменных аппаратах с интенсификаторами в виде пружинных вставок имеет место нарушение твердого контакта выступа проволоки с внутренней поверхности трубы, это вызывает существенное падение тепловой эффективности проволочной спирали в теплообменном элементе.
Наиболее близким предлагаемому техническому решению является теплообменный элемент, представляющий собой трубу, выполненную из проволоки в виде тугой пружины, витки которой жестко скреплены (см. патент на пол. модель №62694 от 27.04.07. Бюл. №12).
Недостатком прототипа является низкая эффективность теплообмена, что вызывает необходимость увеличения длины протонной части канала и удорожание стоимости теплообменного элемента.
Задачей изобретения является интенсификация процесса теплообмена, при умеренном росте потерь энергии на прокачивание теплоносителя и снижении капитальных затрат на изготовление теплообменного элемента.
Технический результат достигается тем, что теплообменный элемент, представляющий собой витую трубу, выполнен на конус.
Отличительным признаком предлагаемого теплообменного элемента от указанного прототипа является выполнение проточной части теплообменного элемента на конус с заданной конусностью (т.е. заданным отношением разности диаметров двух поперечных сечений прямого кругового конуса и расстоянию между ними (см. Справочное руководство по черчению. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 76-79).
Предлагаемый вариант теплообменного элемента выполнен в виде тугой конической пружины, витки которой жестко скреплены, представлен на фиг. 1, на фиг. 2 показан продольный разрез теплообменного элемента, выполненного из пружины, на фиг. 3 узел А фигуры 2.
Теплообменный элемент может быть выполнен из проволоки 1 заданного сечения (например, круглого) из углеродистой или легированной стали, а также цветного металла - латуни, меди.
Конфигурация теплообменного элемента, выполненного на конус, позволяет существенно интенсифицировать процесс теплообмена за счет закрутки потока во внешних 2 и внутренних 3 впадинах, образуемых в местах контакта витков пружины.
В этом случае интенсификация теплообмена в проточной части теплообменного элемента вызвана вторичными течениями, возникающими под действием центробежных сил и эффектом центрифугирования холодных объемов жидкости на оси теплообменного элемента к периферии (внутренней стенке).
С внешней стороны теплообменного элемента за счет вращения горячего теплоносителя у стенки (например, водяного насыщенного пара) происходит сброс конденсатной пленки, что существенно снижает термическое сопротивление теплоотдачи, реализуется «пленочно-капельная» или «капельная» конденсация (в этом случае коэффициент теплоотдачи от пара к стенке может возрасти в 10 раз).
Кроме того, при постоянном расходе нагреваемой жидкости, за счет изменения поперечного сечения теплообменного элемента, растет средняя скорость жидкости в канале. Это вызывает рост турбулентности в проточной части элемента, способствуя перемешиванию жидкости - горячих слоев у стенки с холодной частью потока в центральной части теплообменного элемента.
Следует отметить также, что при движении жидкости в конической части теплообменного элемента возрастает влияние центробежной силы на элементы вращающейся жидкости, вызывая поперечную циркуляцию среды в проточной части теплообменного элемента.
Таким образом, теплообменный элемент, выполненный на конус, в результате качественного наложения ряда гидродинамических эффектов позволит существенно интенсифицировать теплообмен в трубах, предлагаемой геометрии, в сравнении с прототипом.