УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ РАЗЛИЧНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
DEVICE FOR HEAT-EXCHANGE INTENSIFICATION IN CHANNELS OF DIFFERENT CROSS-SECTION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к конструктивным элементам теплообменного оборудования различного назначения, и может быть использовано для интенсификации теплообмена, например, в кожухотрубных теплообменных аппаратах при одно- и многофазных течениях.
Известна теплообменная труба (патент РФ №2334188, МПК F28F 1/10, опубликовано 20.09.2008) для интенсификации теплообмена при кипении в трубах парожидкостного теплоносителя, которая содержит шероховатый участок в нижней части полуцилиндра трубы и ленточный турбулизатор, плотно вставленный в трубу с щелевым зазором в верхней своей части. Ленточный турбулизатор в виде скрученной плоской ленты обеспечивает смачивание жидкостью всей внутренней поверхности трубы, что увеличивает коэффициент теплоотдачи. К недостатку аналога относится то, что часть жидкой фазы парожидкостного потока движется вдоль центровой части самой ленты и не контактирует с теплообменной поверхностью трубы, что затрудняет ее испарение.
В качестве прототипа выбрана теплообменная труба (патент Японии №2000121284, МПК F28F 13/12, опубликовано 28.04.2000), которая содержит вставленную скрученную с определенным шагом плоскую ленту с шириной, равной внутреннему диаметру трубы. Наличие скрученной ленты обеспечивает лучшее перемешивание теплоносителя в трубе и улучшение теплообменных характеристик. Недостатком аналога является то, что часть среды движется вдоль центровой части самой ленты (где величина массовых сил, вызванных закруткой, незначительна) и не вступает в активный массообмен с частями потока, непосредственно контактирующими с теплообменной поверхностью трубы, что затрудняет теплоперенос к части потока вблизи центра ленты.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в интенсификации теплообмена в каналах различного поперечного сечения (например, в трубах, межтрубных каналах и др.) при одно- и многофазных течениях, в том числе при кипении, за счет интенсификации массообмена между различными частями потока.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для интенсификации теплообмена в каналах различного поперечного сечения, выполненном в виде скрученной плоской ленты, на поверхности скрученной ленты установлены ребра под углом к оси ленты и с шагом относительно друг друга.
Ребра расположены по направлению или против направления скручивания ленты.
Ребра выполнены в виде проволоки, навитой на ленту с выступом ребер над боковыми торцами ленты.
Ребра выполнены в виде проволоки, навитой на ленту, на боковых торцах ленты имеются пазы, в которые заглублены ребра.
Ребра выполнены в виде проволоки, навитой на ленту через отверстия в ленте.
Ребра расположены поочередно по направлению и против направления скручивания ленты.
Каждое ребро выполнено в виде шеврона.
Наличие на скрученной ленте ребер, установленных под углом к ее оси, позволяет смещать часть теплоносителя, движущегося вдоль центровой части самой ленты, непосредственно к теплообменной поверхности канала, в который вставлена скрученная лента, а также дискретно турбулизировать поток и, как следствие, интенсифицировать тепломассообмен в канале.
Техническое решение позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности канала, в который вставлена скрученная лента, а в случае парожидкостных течений (например, при кипении) также увеличить количество жидкости на теплообменной поверхности и существенно продлить бескризисную область теплообмена.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 - скрученная лента с ребрами на ее поверхности, расположенными под углом к оси ленты против направления ее скручивания;
фиг.2 - скрученная лента с ребрами на ее поверхности, расположенными под углом к оси ленты по направлению ее скручивания;
фиг.3 - вид в аксонометрии скрученной ленты с ребрами на ее поверхности, расположенными под углом к оси ленты против направления ее скручивания;
фиг.4 - скрученная лента с ребрами в виде проволоки, навитой на ленту под углом к оси ленты по направлению ее скручивания с выступом ребер над боковыми торцами ленты;
фиг.5 - скрученная лента с ребрами в виде проволоки навитой на ленту под углом к оси ленты по направлению ее скручивания, при этом на боковых торцах ленты имеются пазы, в которые заглублены ребра;
фиг.6 - скрученная лента с ребрами в виде проволоки навитой на ленту через отверстия в ленте под углом к оси ленты по направлению ее скручивания;
фиг.7 - скрученная лента с ребрами на ее поверхности, расположенными под углом к оси ленты поочередно по направлению и против направления ее скручивания;
фиг.8 - скрученная лента с шевронными ребрами на ее поверхности.
Устройство для интенсификации теплообмена в каналах различного поперечного сечения состоит из скрученной плоской ленты 1 с боковыми торцами 2 и дискретно расположенных на ленте ребер 3 под углом к ее оси по направлению или против направления скручивания ленты 1. Ребра 3 могут быть закреплены на ленте 1 пайкой, сваркой, клейкой, выполнены в виде навитой на ленту 1 проволоки, а также другим способом. Ребра 3 могут занимать всю ширину ленты, либо ее часть. Ребра 3 могут располагаться с некоторым шагом как по всей длине ленты 1, так и на некотором ее участке. Высота, ширина и форма поперечного сечения ребер могут быть постоянными или переменными по их длине.
При установке в канал скрученной ленты 1 с ребрами 3 на ее поверхности, расположенными под углом к оси ленты 1 против направления или по направлению ее скручивания (фиг.1, 2), часть потока, движущаяся "вдоль центровой части ленты 1, будет смещаться под воздействием ребер 3, соответственно, либо к передней, либо к задней по потоку образующей ленты 1 и далее к теплообменной поверхности канала, что будет интенсифицировать процессы тепломассообмена.
При выполнении оребрения ленты 1 в виде проволоки круглого или другого сечения, навитой на ленту под углом к оси ленты 1 (фиг.4-6), навивка проволоки осуществляется по направлению или против направления скручивания ленты. При навивке по направлению скручивания ленты обеспечивается плотное прилегание проволоки ко всей поверхности ленты без дополнительного крепления другими способами.
При плотной установке в цилиндрическую трубу устройства в виде скрученной ленты 1 с оребрением в виде проволоки, навитой на ленту под углом к оси ленты с выступом ребер над боковыми торцами ленты (фиг.4), между торцами 2 ленты 1 и поверхностью трубы всегда будет образовываться зазор, равный толщине проволоки, что будет способствовать дополнительному массообмену и теплообмену между двумя половинами канала, разделенными лентой.
При плотной установке в цилиндрическую трубу устройства в виде скрученной ленты 1 с ребрами 3 в виде проволоки, навитой на ленту через специальные пазы 4 на ее боковых торцах 2 (фиг.5), или в виде проволоки, навитой на ленту 1 через отверстия в ленте 1 (фиг.6), зазор между лентой 1 и стенками трубы становится меньше высоты ребер 3 либо исключается, что будет способствовать уменьшению, либо исключению массообмена между двумя половинами канала, разделенными лентой, и более интенсивному массообмену и теплообмену в каждой половине канала, образованной лентой и стенками канала.
При использовании устройства в виде скрученной ленты 1 с ребрами 3 на ее поверхности, расположенными под углом к оси ленты поочередно по направлению и против направления ее скручивания (фиг.7), часть потока, движущаяся вдоль центровой части ленты 1, будет смещаться то к передней, то к задней по потоку образующей ленты 1, что будет приводить к дополнительному возмущению потока и интенсификации теплообмена.
При использовании устройства с шевронными ребрами на поверхности ленты при движении потока слева направо (фиг.8) часть потока, движущаяся вдоль центровой части ленты 1, будет смещаться, разветвляясь, к обеим образующим ленты, что будет способствовать более равномерному омыванию стенок канала вблизи обеих образующих и более равномерному распределению интенсивности теплоотдачи по поверхности канала.
Устройство для интенсификации теплообмена в каналах различного поперечного сечения работает следующим образом. Устройство вставляется в канал (трубу, межтрубное пространство и др.) вдоль его оси с зазором или без зазора между устройством и стенками канала. При взаимодействии с таким устройством одно- или многофазный теплоноситель разделяется на две части и закручивается, что способствует его интенсивному перемешиванию. Возникающие при закрутке массовые силы также способствуют при многофазном течении смещению части более плотной фазы к стенкам канала, что интенсифицирует теплообмен, например, при кипении. Часть потока, движущаяся вблизи центровой части скрученной ленты, набегает на установленные под некоторым углом к оси ленты ребра и смещается вдоль них в зависимости от угла расположения ребер либо к передней, либо к задней по потоку образующей ленты и далее непосредственно на теплообменную поверхность, что способствует дополнительной интенсификации тепломассообмена в канале. В случае, например, парожидкостного течения при кипении некоторая часть жидкой фазы, которая всегда концентрируется вблизи оси ленты (в области с наименьшим гидравлическим сопротивлением), под действием ребер переносится непосредственно к теплообменной поверхности канала, что приводит к росту теплоотдачи и увеличению бескризисной области теплообмена. Взаимодействие потока с ребрами на стенке также приводит к его дополнительной турбулизации и повышению теплоотдачи.
Описанное выше устройство для интенсификации теплообмена в каналах различного поперечного сечения просто в изготовлении и позволяет увеличить тепломассообмен в каналах различного поперечного сечения (трубах, межтрубных пространствах и др.) при одно- и многофазных течениях. Устройство позволяет создавать новые высокоэффективные теплообменные устройства различного назначения и сравнительно просто провести модернизацию существующего теплообменного оборудования, например кожухотрубных испарителей.