ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО ЭЛЕМЕНТА
HEAT EXCHANGE ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD OF HEAT EXCHANGE ELEMENT

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к конструкции теплообменных элементов, труб и к способу их изготовления, и может быть использовано в различных отраслях техники, связанных с процессами теплообмена.
Известна теплообменная труба, содержащая турбулизатор, выполненный в виде цилиндрической спирали, один конец которой соединен с завихрителем в виде шарика (п. РФ №1753797). Ограниченность применения данного устройства вызвана необходимостью только вертикального расположения трубы и сложностью изготовления, связанного с достаточно точным исполнением элементов турбулизатора. Кроме того, данное устройство требует высоких скоростей теплоносителя, особенно газов.
Известна теплообменная труба некруглого сечения с турбулизатором, выполненным в виде ленты с перфорированными углублениями и с краями, изогнутыми по профилю трубы (п. РФ №512365). Устройство имеет невысокую эффективность теплообмена, поскольку пограничный слой разрушается только на половине стенки трубы. Для выполнения данной конструкции требуется специализированное оборудование, прокатный стан, штамповочные прессы, оснастка.
Известна теплообменная труба с турбулизирующей вставкой, выполненной в виде волнообразной пластины, причем волны пластины выполнены с длиной, превышающей в 24-36 раз их высоту, которая составляет 0,16-0,22 эквивалентного диаметра проточной части (а.с. СССР №614315). Недостатком данного решения является сложность изготовления. Кроме того, ограниченность применения вызвана строго вертикальным расположением трубы, вызванная необходимостью вертикального расположения турбулизатора.
Известен теплообменный элемент, содержащий трубу с продольными плавниковыми ребрами, выбранный заявителем в качестве прототипа (п. РФ №2013748). Плавниковые ребра образованы внешней оболочкой, контактирующей с трубой. Оболочка выполнена из полосы с внутренними периодическими поперечными просечками. Сложность в изготовлении и большая металлоемкость (плавник охватывает трубу) ограничивает применение данного устройства. Невысокая эффективность теплообмена обусловлена отсутствием турбулизатора внутри трубы и наличием достаточно высокого сопротивления теплопередачи от стенки трубы к плавникам (происходит сначала нагрев поверхности плавника, прилегающей к трубе, а потом нагрев самого плавника). Кроме того, ухудшение теплоотдачи связано с появлением коррозии между поверхностью трубы и охватывающей поверхностью плавника.
Известен способ изготовления теплообменных труб, включающий получение плоскоовальной трубы из исходной круглой трубы посредством обработки давлением с одновременным выдавливанием выступов на внутренней поверхности трубы путем обжатия в валках (п. РФ №2137053). Способ изготовления достаточно сложен и дорог. При данном способе требуется последующее обжатие трубы в валках, приводящее к сложной деформации трубы и, как следствие, к снижению надежности за счет возможного нарушения герметичности.
Известен способ изготовления теплообменной трубы с размещенной внутри вставкой, включающий изготовление вставки с переменным поперечным сечением и установку вставки в трубу с образованием между вставкой и трубой конфузорно-диффузорных участков, причем вставку выполняют из двух идентичных частей из ленты с коническими полуобечайками разной длины, при этом ленты жестко скрепляются одна с другой (п. РФ №1758386). Технологически сложное изготовление вставки и крепление ее внутри трубы ограничивают применение данной конструкции.
Известен способ изготовления теплообменного элемента, содержащего трубу с плавниковыми ребрами, выбранный заявителем в качестве прототипа (macp.web.tstu.ru/09/09_01305_00.html). Способ включает изготовление трубы известным способом и приваривание к наружной поверхности трубы с противоположных сторон двух плоских продольных ребер. Недостатком данного способа является повышенная трудоемкость изготовления, обусловленная необходимостью приварки ребер (плавников) к гладкой трубе. Применение сложного оборудования, его высокая стоимость, а также необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала не обеспечивают широкого использования данного способа. Кроме того, не исключаются коробление трубы и ее прожог при приварке ребер к трубам.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции теплообменного элемента и способа его изготовления, повышение технологичности и экономичности изготовления теплообменного элемента при увеличении интенсивности теплообмена.
В теплообменном элементе, содержащем трубу с продольными плавниковыми ребрами, согласно изобретению труба состоит из двух симметричных половин с ребрами с обеих сторон, с возможностью соединения этих половин посредством сварки по ребрам, а внутри трубы с упором своими углами в стенки трубы установлен турбулизатор, представляющий собой волнообразную ленту с длиной волны, превышающей в 5-10 раз их высоту, которая составляет 0,4-0,7 от условного диаметра трубы.
В способе изготовления теплообменного элемента, включающем получение трубы с продольными плавниковыми ребрами, согласно изобретению трубу получают методом гибки из полосы в виде двух симметричных половин с продольными ребрами с обеих сторон и с последующим соединением этих половин посредством сварки по этим ребрам, а внутрь трубы с упором своими углами в стенки трубы устанавливают турбулизатор, выполненный из ленты, изогнутой в виде волны.
Труба с продольными плавниковыми ребрами обеспечивает улучшенную теплоотдачу от стенки трубы к нагреваемой среде за счет более развитой поверхности теплообмена и наличия плавников. Турбулизатор обеспечивает увеличение интенсивности теплоотдачи за счет разрушения неподвижного слоя теплоносителя в виде жидкости или газа около стенок трубы. Кроме этого, улучшается лучистая теплоотдача от теплоносителя к стенке трубы в случае, если теплоноситель имеет высокую температуру порядка 400-800°С за счет разогрева турбулизатора, степень черноты которого выше, чем степень черноты теплоносителя, например дымовые газы. Предлагаемая длина волны и высота волны ленты выбираются из условия эффективного разрушения неподвижного слоя жидкости около стенок трубы. Размеры длины волны и высоты волны ленты меньше размеров, представленных в формуле, приводят к утяжелению конструкции. Увеличение данных размеров больше представленного диапазона приводит к ухудшению указанных условий, а именно не обеспечивается работоспособность конструкции за счет недостаточного разрушения пристенного слоя среды. Таким образом, предлагаемые размеры величины волны обеспечивают работоспособность теплообменного элемента и интенсификацию процесса теплообмена.
Выполнение плавниковой трубы из двух частей, соединенных посредством сварки по плавниковым ребрам, осуществляется на стандартном оборудовании и поэтому технологично в изготовлении. Сварка по плавникам обеспечивает надежное соединение без прожогов и большого коробления трубы за счет высокой жесткости плавников. Выполнение плавниковой трубы из двух частей с последующей сваркой по ребрам значительно технологичнее и экономичнее, чем приварка ребер к трубе в прототипе (в прототипе осуществляется сварка самой трубы и приварка двух ребер, а в предлагаемом к защите решении только два сварных шва по ребрам). Выполнение турбулизатора из ленты путем сгибания ее в виде волны, с размерами, представленными выше, достаточно легкая операция, не требующая дополнительных средств, поскольку толщина ленты может быть незначительной, например 0,5 мм. Изготовление предлагаемого теплообменного элемента достаточно дешевое, не требует каких-то дополнительных затрат, т.е. отвечает требованию экономичности.
Предлагаемая конструкция теплообменного элемента и способ его изготовления объединены единым изобретательским замыслом.
Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».
Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция теплообменного элемента; на фиг.2 - теплообменный элемент в разрезе по А-А на фиг.1.
Теплообменный элемент содержит трубу 1, состоящую из двух симметричных половин 2 и 3 с плавниковыми ребрами 4. Внутри трубы установлен турбулизатор 5, выполненный из ленты с волнообразным изгибом. Длина волны выполнена в пределах, превышающих в 5-10 раз высоту волны, которая составляет 0,4-0,7 от условного диаметра трубы. Условный диаметр трубы зависит от площади поперечного сечения и составляет .
Трубу 1 изготавливают следующим образом. На стандартном листогибочном прессе из полос осуществляют гибку двух симметричных половин 2 и 3 с плавниковыми ребрами 4 с двух сторон. Труба 1 и соответственно части 2 и 3 могут быть разной конфигурации: круглой, овальной, квадратной, ромбической, прямоугольной и т.д. Далее соединяют половины 2 и 3 с помощью аппарата для контактной шовной сварки по плавниковым ребрам 4. Внутрь трубы 1 вставляют турбулизатор 5, который получен из ленты путем изгиба в кондукторе. Турбулизатор 5 устанавливается внутрь трубы 1 с упором своими углами в стенки трубы 1.
При протекании внутри трубы 1 теплоносителя в виде горячих дымовых газов теплопередача интенсифицируется благодаря наличию внутри нее турбулизатора 5. Это происходит за счет возникновения вихрей в теплоносителе, которые снижают толщину пристеночного ламинарного слоя, кроме того, турбулизатор, нагреваясь в потоке теплоносителя, является источником лучистой тепловой энергии, а поскольку степень черноты турбулизатора выше чем дымовых газов, то улучшается лучистая теплопередача от теплоносителя к стенке трубы. Снаружи теплопередача улучшается за счет продольных длавников 4, которые, нагреваясь, являются дополнительной поверхностью теплообмена.
Предлагаемое конструктивное решение теплообменного элемента, по сравнению с существующими, достаточно простое и технологичное в изготовлении, является экономичным и удобным в эксплуатации при сохранении достаточной эффективности теплообмена.