CZ306476B6 - Žebrovaná trubka s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média - Google Patents

Abstract

Žebrovaná trubka (1) s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média sestávající z vícero podélných žeber uspořádaných v pravidelných odstupech po vnějším obvodu trubky, kdy jsou žebra (2) opatřena řeznými liniemi kolmými k ose trubky (1) a začínajícími na volné hraně žeber (2), v jejichž sousedství jsou vytvořeny alespoň po jedné straně řezné linie alespoň po části výšky žebra (2) od roviny žebra (2) odklopitelné oblasti (5) tvořící cípy, přičemž vždy dva cípy vzniklé z jedné řezné linie se vykloní vždy do opačné strany od roviny žebra (2).

Description

Žebrovaná trubka s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média

Oblast techniky

Vynález se týká nového typu podélného žebrování pro trubky používané v oblasti výměny tepla. Trubky osazené těmito novými žebry budou použitelné zejména v trubkových výměnících tepla s podélně obtékanými trubkami. Hlavní oblast využití těchto žeber bude v případech aplikací výměny tepla technických plynů a jejích směsí, kdy je dosahován malý součinitel přestupu tepla na vnější straně trubek a kde je potřeba intenzifikovat přestup tepla, případně zvětšit plochu výměny tepla.

Dosavadní stav techniky

Pro zlepšení přestupu tepla (resp. zvýšení plochy výměny tepla) při podélném obtékání trubek ve výměnících tepla se používají zejména přímá podélná žebra. Taková žebrování jsou představena např. ve spise US 2,355,621, US 1,920800, US 1935,412, DE835612 nebo DE1065864. Ty sice zvětšují plochu výměny tepla a pomáhají tak v přestupu tepla, ale nezvyšují turbulentní tok média, který by zvýšil i součinitel přestupu tepla. Variantou jsou žebra ve tvaru ploché sinusoidy představená ve spise US 2,322,284 nebo hadovitě zahnutá jak je tomu ve spise US 2,905,477. Ale ani zde nedochází ke zvýšení turbulence toku média.

Ve spise US 2006/0048921 AI jsou představeny ploché pásy s v průřezu čtvercovými trubkovitými rovnými nebo zvlněnými průchody pro výměník tepla, kdy jsou stěny průchodů v pravidelných odstupech os sebe proraženy po délce otvory v různém tvaru a to buď zcela, nebo se ponechá proražená část jednou stranou ulpět na původním materiálu a oddělené část se vyhne mimo plochu stěny, takže tvoří křidélko vyčnívající proti proudu média, což zvyšuje turbulenci. Řezná linie je např. tvaru půlkruhu nebo elipsy, čtverce, hranolu apod.

Ze spisu US 2,537,797 je rovněž známo řešení, kdy jsou trubky opatřeny průrazy v plechu a to ze tří stran pomyslného čtverce a čtverce jsou ohnuty dovnitř, kdy tvoří rozrážecí křidélka uchycená čtvrtou neoddělenou stranou na trubce a to také způsobuje turbulence v proudu uvnitř trubky.

Ze spisu US 2006/0175047 AI jsou ploché trubky opařeny přímkovými průrazy s oboustrannými krátkými průrazy v podstatě v kolmém směru na přímky průrazů, což umožní vytvořit otvor v trubce opatřený dvěma jedním směrem od plochy trubky a proti sobě orientovanými křidélky, která zvýší turbulenci.

Cílem vynálezu je představit nový typ žebrování trubek, který by umožnil podstatně zvýšit turbulence toku média tekoucího podélně po vnějším obvodu trubek a který by byl i výrovně jednoduchý.

Podstata vynálezu

Tento nedostatek odstraňuje do značné míry nový typ podélného žebrování podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že žebra jsou opatřena řeznými liniemi kolmými k ose trubky a začínajícími na volné hraně žeber, v jejichž sousedství jsou vytvořeny alespoň po jedné straně řezné linie a alespoň po části výšky žebra od roviny žebra odklopitelné úseky tvořící cípy, přičemž vždy dva cípy vzniklé z jedné řezné linie se vykloní vždy do opačné strany od roviny žebra.

Ve výhodném provedení je řezná linie ve tvaru obráceného písmene „T“, postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž část řezu je paralelní s osou trubky a část je na ni kolmá, přičemž po stranách této kolmé části řezu vzniknou od přímé roviny žebra odklonitelné ob

- 1 CZ 306476 B6 lasti a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne tvarový žebrový segment a příčně proudově průchozí, nicméně podélně stále kompaktní žebro.

V dalším výhodném provedení je řezná linie ve tvaru rovného neúplného řezu postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž po stranách tohoto řezu vzniknou od přímé roviny žebra odklonitelné oblasti a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne tvarový žebrový segment a příčně proudově průchozí, nicméně podélně stále kompaktní žebro.

V jiném výhodném provedení je řezná linie ve tvaru rovného úplného řezu až k trubce, postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž po stranách tohoto řezu vzniknou od přímé roviny žebra odklonitelné oblasti a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne tvarový žebrový segment.

V dalším výhodném provedení je řezná linie tvaru rovného neúplného řezu postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž délka řezu je směrem k trubce rozdílná, řezy o různé délce se střídají a po stranách těchto řezů vzniknou od přímé roviny žebra odklonitelné oblasti a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne tvarový žebrový segment a příčně proudově průchozí, nicméně podélně stále kompaktní žebro.

Všechny představené typy žebrování přispívají jednak ke zvýšení plochy výměny tepla, ale vzhledem i ke tvaru žebrování také k turbulizaci proudění a tím ke zvýšení součinitele přestupu tepla, což je podstatou patentovaného řešení nových typů žeber.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, na kterých obr. 1 představuje první provedení žebrování podle vynálezu, obr. 2 představuje druhé provedení žebrování podle vynálezu, obr. 3 představuje třetí provedení žebrování podle vynálezu, obr. 4 představuje čtvrté provedení žebrování podle vynálezu a obr. 5 představuje páté provedení žebrování podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 představuje první provedení žebrované trubky ] podle vynálezu. U této varianty jsou přímá podélná žebra 2 uspořádána na trubce 3. V tomto případě je jich dvanáct a jsou vytvořena přiměřeným technologickým postupem podle tloušťky žebra následovně: žebra 2 mají základnu 4, tedy nepřerušovaný pás materiálu, kterým jsou upevněna na trubce 3. Na detailu na obr. 1 je vidět, že je žebro v pravidelných rozestupech rozříznuto a vznikne řezná linie 7 ve tvaru obráceného písmene „T“ postupně opakovaný na každém podélném přímém žebru. Část řezné linie 7 je paralelní s osou trubky 3 a část je na ni kolmá. A právě po stranách této kolmé části řezné linie 7 vzniknou od přímé roviny žebra 3 odklonitelné oblasti 5 a následným ohnutím těchto oblastí 5 střídavě do opačného směru vznikne tvarový žebrový segment 6 a vznikne příčně proudově průchozí, nicméně podélně stále kompaktní žebro 3. Podle výšky základního podélného žebra 3 použitého pro výrobu nového typu žebrování lze samozřejmě nový typ žebrování vyrábět s nižší či vyšší výškou tvarových žebrových segmentů 6. Použití nižších či vyšších žeber z daného materiálu se řídí viskozitou obtékající pracovní látky a její teplotou, dle obvyklých pravidel a poznatků sdílení tepla o navrhování zvětšených povrchů „na míru“ konkrétní aplikaci výměny tepla. V neposlední řadě lze také v rámci zvolené výšky žebra kombinovat delší a kratší řezy ve tvaru obráceného písmene „T“ pro optimalizaci potřebné intenzity přenosu tepla.

Obr. 2 představuje druhé provedení žebrované trubky la podle vynálezu. U této varianty jsou podélná žebra 2 vyrobena přiměřeným technologickým postupem podle tloušťky žebra 2 řeznou linií ve tvaru rovného neúplného řezu 7 - tj. může ale i nemusí přitom být zachována společná základna 4 neboli „pata“ podélného žebra 2. Toto je první varianta žeber 2 - provedení žeber se

-2CZ 306476 B6 společnou „patou“, která vznikla vyhnutím odklonitelné oblasti 5 žeber střídavě vždy do opačného směru.

Na obr. 3 je třetí provedení žebro váné trubky 1b s provedením druhé varianty žeber 2 bez společné „paty“ kdy vzniklá žebra 2 mají segmenty 6 s odklonitelnými oblastmi 5 vyhnutými střídavě vždy do opačného směru. Tady jsou žebra 2 opatřena řeznou linií 7 ve tvaru rovného úplného řezu. Oproti provedení žeber z obr. 1 přináší toto provedení žeber buď snížení intenzity turbulence (provedení dle obr. 2) nebo naopak zvýšení intenzity turbulence obtékajícího média (provedení dle obr. 3) a tedy další zvýšení součinitele přestupu tepla a následné zvýšení tepelného výkonu výměníku tepla, je-li hodnota součinitele přestupu tepla u média na straně žeber mnohem nižší než u média uvnitř trubek, tedy součinitel přestupu tepla na této straně je tzv. řídicí. Provedení dle obr. 3 tak lze doporučit v aplikacích výměny tepla v těch případech, kdy zvýšení přestupu tepla dosahované typem žeber z předchozího příkladu na obr. 1 by mohlo být například z požadovaných intenzifikačních důvodů nepostačující či z různých důvodů stále ještě nevyhovující. Naopak provedení žeber dle obr. 2 lze doporučit tehdy, je-li zvýšení přestupu tepla dosahované typem žeber z předchozího příkladu na obr. 1 příliš velké a kdy může být například překračováno omezení na dovolenou tlakovou ztrátu obtékající pracovní látky. V tom případě je provedení dle obr. 2 vhodnou kompromisní volbou, která zajistí vhodnou úroveň intenzifikaci přestupu tepla při udržení tlakové ztráty obtékající pracovní látky na dostatečně nízké úrovni.

Provedení žeber lze optimalizovat „na míru“ potřebám výměny tepla, lze tedy v tomto příkladě (podobně jako v příkladu na obr. 2 a 3) žebrování vyrábět s kratší či delší délkou řezných linií 7 ve tvaru rovných neúplných řezů 8, 9, které se mohou pravidelně střídat. To je vidět na čtvrtém provedení žebrované trubky 1c na obr. 4. Vzniklé odklonitelné oblasti 5 s nižší či vyšší výškou (dle použité výšky výchozího materiálu podélného žebra), menší či větší hloubkou řezu apod. Lze tak obdržet velké množství různých variant těchto provedení. Tato varianta modifikovaného žebrování je kombinací varianty příkladů z obr. 1 a 3 nebo 2 a 3 - jedná se tedy o modifikované žebrování současně užívající vyhnutí okrajů (příklad na obr. 1 nebo 2) s vyhnutým proraženým tvarem (příklad na obr. 3). Tedy v případě delších nařezaných „T“ úseků (obr. 1) s nižšími či vyššími žebry nebo v případě delších rovných vyhnutých částí (obr. 2 a 3), kdy lze do těchto tvarovaných úseků podélných žeber realizovat proražení částí ve tvaru půlkruhu (nebo půl elipsy) a jejich vyhnutí vystřídané vždy do příslušného směru což je vidět na obr. 5. Tímto řešením lze vzájemně kombinovat výhody jednotlivých příkladů provedení nového typu žebrování „na míru“ specifickým či speciálním aplikacím výměny tepla.

Pro ilustraci lze uvést další páté žebrované trubky Ida to provedení kombinující různou hloubku zářezu žeber se společnou základnou 4 či „patou“ znázorněné na obr. 5. U této varianty jsou v podélných žebrech proraženy řezné linie 7 ve tvaru půlkruhu nebo půlelipsy a ty vyhnuty střídavě vždy do opačného směru vzhledem k proudění obtékajícího média - viz obr. 5 šipka a. Zatímco provedení žeber z příkladů 1 a 2 je možno aplikovat v případě obtékání žeber médii, které nemají tendenci k zanášení žebrovaných povrchů, lze toto žebrování tvořené z vystřídaných půlkruhových nebo poloeliptických profilů použít i pro aplikace výměny tepla, kdy pracovní médium obtékající takový žebrovaný povrch může vykazovat mírnou tendenci k zanášení teplosměnného povrchu. Navíc toto provedení žeber umožňuje v případě potřeby zvýšit výkon takového výměníku tepla pouhým „přepnutím“ směru toku pracovní látky podél žebrovaného povrchu - viz obr. 5 šipka b. Změnou směru toku média podél žebrovaného povrchu totiž dojde k dalšímu razantnímu zvýšení turbulence proudícího média díky jeho toku „proti srsti“ žebrovaného povrchu a tím k podstatnému zvýšení součinitele přestupu tepla. Navíc v případě médií s mírnou tendencí k zanášení se přepnutí směru toku média projeví také v čisticím efektu, kdy zvýšená turbulence opačného směru toku média podél žebrovaného povrchu způsobí rozrušování případných ulpělých nánosů a jejich odstraňování resp. odnášení z teplosměnného povrchu.

Trubky s novým typem podélného žebrování tedy budou vloženy uvnitř válcového pláště, v němž budou na koncích uchyceny do kruhových desek (tzv. trubkovnic), tedy budou uchyceny v plášti standardním způsobem užívaným u výměníků tepla se svazkem trubek v plášti. Tím vzniká, po

-3 CZ 306476 B6 uzavření pláště koncovými víky, trubkový výměník tepla, obsahující pro výměnu tepla dva prostory (oddělené stěnou trubek) - prostor pro jednu pracovní látku, která bude proudit uvnitř trubky (resp. uvnitř trubek svazku) a prostor pro druhou pracovní látku, která bude proudit podél vnějšího, tj. žebrovaného, povrchu trubky, resp. podél svazku žebrovaných trubek.

Nový typ žebrování trubek pro podélné obtékání spočívá v provedení tvaru žebra tak, aby bylo dosaženo zvýšení turbulence média obtékajícího takovouto žebrovanou trubku. Toto zlepšení turbulence má za následek požadované zvýšení součinitele přestupu tepla při mírném zvýšení tlakové ztráty.

Průmyslová využitelnost:

Využitelnost nového návrhu žebrovaných trubek je zejména ve výměnících tepla v aplikacích, kdy médium proudící na vnější straně trubek má menší součinitel přestupu tepla než médium proudící v trubkovém prostoru (typicky v procesních a energetických aplikacích typu „plynkapalina“). Prezentovaný nový typ žeber neslouží jen ke zvýšení plochy výměny tepla (jako běžně existující hladká podélná přímá žebra), ale díky svému tvaru mají významný pozitivní vliv na turbulenci obtékajícího média a tím na zvýšení jeho součinitele přestupu tepla. Přispívají tedy významným způsobem ke zvýšení výkonu výměníku tepla při zmenšení jeho velikosti resp. redukci velikosti jeho teplosměnné části. Průmyslová využitelnost tohoto nového typu žebrování se tak nachází především v oblasti procesních a energetických zařízení, kde je požadováno řešení výměny tepla plynných médií a směsí s vysokými teplotními spády při nízké tlakové ztrátě, jako jsou plynové a paroplynové okruhy, využití odpadního tepla plynných proudů apod., kdy je potřeba realizovat technické řešení výměníku tepla s minimálními rozměry a hmotností takového zařízení, které bude současně kompaktní konstrukce s určitou odolností proti zanášivým procesům a bude u něj možno dosáhnout nízkých tlakových ztrát plynných pracovních látek účastnících se výměny tepla.

Claims (5)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Žebrovaná trubka s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média sestávající z vícero podélných žeber uspořádaných v pravidelných odstupech po vnějším obvodu trubky, vyznačující se tím, že žebra (2) jsou opatřena řeznými liniemi kolmými k ose trubky (1) a začínajícími na volné hraně žeber (2), v jejichž sousedství jsou vytvořeny alespoň po jedné straně řezné linie alespoň po části výšky žebra (2) od roviny žebra (2) odklopitelné oblasti tvořící cípy, přičemž vždy dva cípy vzniklé z jedné řezné linie se vykloní vždy do opačné strany od roviny žebra (2).

2. Žebrovaná trubka s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média podle nároku 1, vyznačující se tím, že řezná linie je ve tvaru obráceného písmene „T“, postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž část řezu je paralelní s osou trubky (3) a část je na ni kolmá, přičemž po stranách této kolmé části řezu vzniknou od přímé roviny žebra (3) odklonitelné oblasti (5) a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne tvarový žebrový segment (6) a příčně proudově průchozí, nicméně podélně stále kompaktní žebro (3).

3. Žebrovaná trubka s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média podle nároku 1, vyznačující se tím, že řezná linie je ve tvaru rovného neúplného řezu (7) postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž po stranách tohoto řezu vzniknou od přímé roviny žebra (3) odklonitelné oblasti (5) a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne

-4CZ 306476 B6 tvarový žebrový segment (6) a příčně proudově průchozí, nicméně podélně stále kompaktní žebro (3).

4. Zebrovaná trubka s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média podle nároku 1, vyznačující se tím, že řezná linie je ve tvaru rovného úplného řezu (7) až k trubce, postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž po stranách tohoto řezu vzniknou od přímé roviny žebra (3) odklonitelné oblasti (5) a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne tvarový žebrový segment (6).

5. Zebrovaná trubka s podélnými žebry pro zvýšení schopnosti turbulence média podle nároku 1, vyznačující se tím, že řezná linie je tvaru rovného neúplného řezu (7) postupně opakovaná na každém podélném přímém žebru, přičemž délka řezu je směrem k trubce rozdílná, řezy o různé délce se střídají a po stranách těchto řezů vzniknou od přímé roviny žebra (3) odklonitelné oblasti (5) a to střídavě do opačného směru, čímž vznikne tvarový žebrový segment (6) a příčně proudově průchozí, nicméně podélně stále kompaktní žebro (3).