CZ309413B6 - Helical heat exchanger with variable flow area - Google Patents

Helical heat exchanger with variable flow area Download PDF

Info

Publication number
CZ309413B6
CZ309413B6 CZ2010-270A CZ2010270A CZ309413B6 CZ 309413 B6 CZ309413 B6 CZ 309413B6 CZ 2010270 A CZ2010270 A CZ 2010270A CZ 309413 B6 CZ309413 B6 CZ 309413B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
tubes
section
helices
heat
heat exchanger
Prior art date
Application number
CZ2010-270A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2010270A3 (en
Inventor
Jindřich Tesař
Jindřich Ing. Tesař
Original Assignee
Jindřich Ing. Tesař
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jindřich Ing. Tesař filed Critical Jindřich Ing. Tesař
Priority to CZ2010-270A priority Critical patent/CZ309413B6/en
Publication of CZ2010270A3 publication Critical patent/CZ2010270A3/en
Publication of CZ309413B6 publication Critical patent/CZ309413B6/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels

Abstract

In a helical heat exchanger with a variable flow surface, the heat exchange surface is formed by a system of connected parallel pipes, twisted into counter-rotating or parallel helices (1) in one or more layers, located in a casing pipe (2). One heat-carrying medium (A) flows inside the spiral tubes, the other medium (B) flows outside these tubes, in the jacket tube. The overall flow cross-section of the helix tubes is not constant along their entire length, as is usual, but changes in a certain part of it, at point (C). The flow cross-section is changed by changing the number of tubes in the helices at a certain point of the helices through which the heat-carrying medium flows, or by changing the inner diameter of the helix tubes, or both. In essence, it is a double heat exchanger, where there are two helical exchangers in series in a single common shell. The first of the exchangers is used for steam condensation, the second for cooling the condensate formed from this steam.

Description

Šroubovicový výměník tepla s proměnnou průtočnou plochouHelical heat exchanger with variable flow area

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká šroubovicového výměníku tepla, u kterého dochází k předávání tepla z kondenzujících par první kapaliny do kapaliny druhé. V zásadě se tedy jedná o kondenzátor, u kterého je požadováno ohřívání druhé kapaliny kondenzačním teplem par kapaliny první. Pro výměníky tohoto druhu se vžil název - výměník tepla pára - voda. Výměníky j sou běžně užívány od energetiky, teplárenství a průmysl, až po domácnosti, tedy všude tam, kde se jedná o ohřívání kapaliny teplem kondenzující páry.The invention relates to a helical heat exchanger in which heat is transferred from the condensing vapors of the first liquid to the second liquid. In principle, it is therefore a condenser in which the second liquid is required to be heated by the heat of condensation of the vapor of the first liquid. For exchangers of this type, the name - steam-water heat exchanger was adopted. Heat exchangers are commonly used in the energy, heating and industrial sectors, as well as in households, i.e. everywhere where a liquid is heated by the heat of condensing steam.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

U stávajících šroubovicových výměníků teplaje teplosměnná plocha tvořena soustavou na obou koncích paralelně propojených trubek, stočených do protiběžných nebo souběžných šroubovic v jedné nebo více vrstvách, kdy je celý takto vytvořený svazek šroubovic umístěný v plášťové trubce. Jedno teplonosné médium proudí uvnitř trubek šroubovic, druhé médium vně těchto trubek - v plášťové trubce. Trubky, ze kterých jsou šroubovice vytvořeny, mají po celé své délce konstantní průřez. V některých případech se nejedná o kruhový průřez trubek, jindy bývají trubky úmyslně tvarované (různě formované - zmačknuté) Vzhledem k tomu, že hydraulický odpor šroubovic je výrazně větší než hydraulický odpor v plášti, je obvyklé, že pára o dostatečném tlaku je přiváděna do trubek šroubovic, kde kondenzuje a ohřívaná kapalina proudí vně trubek, v plášti. Rychlost proudění kondenzující páry v trubkách šroubovic je vysoká, vzhledem k velkému měrnému objemu páry. Proudění páry je proto turbulentní, s velkým součinitelem přestupu tepla mezi párou a trubkou. Po jejím zkondenzování je ale rychlost proudění kondenzátu zhruba o dva až tři řády menší, než byla rychlost páry. Součinitel přestupu tepla mezi kondenzátem a vnitřním povrchem trubek šroubovic je přitom silně závislý na rychlosti proudění kondenzátu. Pn malých rychlostech kondenzátu není proudění turbulentní, ale laminámí, s malým součinitelem přestupu tepla. Ochlazování kondenzátu při jeho proudění je proto také pomalé a malý součinitel přestupu teplaje potom nutné vykompenzovat velikostí teplosměnné plochy, kde k ochlazování kondenzátu dochází, aby bylo vychlazení kondenzátu dostatečné.In the case of existing helical heat exchangers, the heat exchange surface is formed by a system of parallel connected pipes at both ends, twisted into counter-rotating or parallel helices in one or more layers, where the entire bundle of helices created in this way is located in the casing pipe. One heat-carrying medium flows inside the spiral tubes, the other medium flows outside these tubes - in the casing tube. The tubes from which the helices are made have a constant cross-section along their entire length. In some cases it is not a circular cross-section of the tubes, other times the tubes are deliberately shaped (differently shaped - crimped) Since the hydraulic resistance of the helices is significantly greater than the hydraulic resistance in the shell, it is usual that steam of sufficient pressure is supplied to the tubes spirals, where it condenses and the heated liquid flows outside the tubes, in the shell. The flow rate of the condensing steam in the spiral tubes is high, due to the large specific volume of the steam. The steam flow is therefore turbulent, with a large heat transfer coefficient between the steam and the pipe. After its condensation, however, the condensate flow rate is approximately two to three orders of magnitude lower than the steam rate. The heat transfer coefficient between the condensate and the inner surface of the spiral tubes is strongly dependent on the condensate flow rate. At low condensate velocities, the flow is not turbulent, but laminar, with a small heat transfer coefficient. The cooling of the condensate during its flow is therefore also slow and the small heat transfer coefficient must then be compensated by the size of the heat exchange surface, where the condensate is cooled, so that the condensate cooling is sufficient.

Pro dostatečné vychlazení kondenzátu potom slouží, u stávajících výměníků, většina celkové teplosměnné plochy. Tato část teplosměnné plochy ale zároveň také tvoří rozhodující část hydraulického odporu celého výměníku na té jeho straně, kde proudí ohřívaná kapalina. Právě velikost hydraulického odporu u protékající ohřívané kapaliny je limitujícím faktorem pro jeho množství, ale tím i pro tepelný výkon výměníku.In the case of existing exchangers, the majority of the total heat exchange surface is then used for sufficient cooling of the condensate. This part of the heat exchange surface also forms a decisive part of the hydraulic resistance of the entire exchanger on the side where the heated liquid flows. It is the hydraulic resistance of the flowing heated liquid that is the limiting factor for its quantity, but also for the thermal performance of the exchanger.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

U šroubovicového výměníku tepla s proměnnou průtočnou plochou, je teplosměnná plocha tvořena soustavou paralelně propojených trubek kruhového průřezu, stočených do protiběžných nebo souběžných šroubovic v jedné nebo více vrstvách, umístěných v plášťové trubce. Kondenzující páry teplonosného média A proudí uvnitř trubek šroubovic, ohřívané médium B vně těchto trubek, v plášťové trubce. Celkový průtočný průřez trubek šroubovic není po celé jejich délce konstantní, jak je obvyklé, ale v určité jeho části, v místě C, se změní.In a helical heat exchanger with a variable flow surface, the heat exchange surface is formed by a system of parallel connected tubes of circular cross-section, twisted into counter-rotating or parallel helices in one or more layers, located in a casing tube. Condensing vapors of the heat-carrying medium A flow inside the tubes of the spirals, the heated medium B outside these tubes, in the casing tube. The overall flow cross-section of the helix tubes is not constant along their entire length, as is usual, but changes in a certain part of it, at point C.

V první části teplosměnné plochy, kde dochází ke kondenzaci páry, je celkový průtočný průřez paralelně propojených trubek výrazně větší než v druhé části teplosměnné plochy, kde proudí z páry vzniklý kondenzát. Výrazné zmenšení průtočného průřezu pro druhou část teplosměnné plochy, vede ke zvýšení rychlosti proudícího kondenzátu, a to vede k tomu, že je proudění turbulentní, s vysokým součinitelem přestupu tepla.In the first part of the heat exchange surface, where the steam condenses, the total flow cross-section of the parallel connected pipes is significantly larger than in the second part of the heat exchange surface, where the condensate formed from the steam flows. A significant reduction of the flow cross-section for the second part of the heat exchange surface leads to an increase in the speed of the flowing condensate, and this leads to the fact that the flow is turbulent, with a high heat transfer coefficient.

- 1 CZ 309413 B6- 1 CZ 309413 B6

Ke změně průtočného průřezu dojde tak, že se změní počet trubek kruhového průřezu ve šroubovicích, nebo se změní vnitřní průměr trubek kruhového průřezu, případně obojí. Vhodná poloha místa C na šroubovicích se nalezne nejlépe na matematickém modelu výměníku.The flow cross-section is changed by changing the number of circular cross-section tubes in the spirals, or by changing the inner diameter of the circular cross-section tubes, or both. The appropriate position of point C on the helices is best found on the mathematical model of the exchanger.

Na vynález je možné nahlížet také tak, že se jedná o zdvojený výměník tepla, kdy v jediném společném plášti jsou dva šroubovicové výměníky zařazené do série. První z výměníků slouží pro kondenzaci páry, druhý pro ochlazování kondenzátu vzniklého z páry. Každý z těchto výměníků je navržen tak, aby co nejlépe splňoval daný požadavek.The invention can also be viewed as a double heat exchanger, where there are two helical exchangers connected in series in a single common shell. The first of the exchangers is used for condensing the steam, the second for cooling the condensate formed from the steam. Each of these exchangers is designed to best meet the given requirement.

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Na obr. 1 je schematický nákres výměníku podle vynálezu.Fig. 1 is a schematic drawing of the exchanger according to the invention.

Příklad uskutečnění vynálezuAn example of the implementation of the invention

Výměník tepla podle vynálezu má v plášťové trubce 2 teplosměnnou plochu tvořenou soustavou paralelně propojených trubek kruhového průřezu, stočených do protiběžných nebo souběžných šroubovic 1 v jedné nebo více vrstvách. V místě C dochází ke zmenšení celkového průtočného průřezu šroubovic, tvořených trubkami kruhového průřezu.The heat exchanger according to the invention has a heat exchange surface in the jacket pipe 2 formed by a system of parallel connected pipes of circular cross-section, twisted into counter-rotating or parallel helices 1 in one or more layers. At point C, the total flow cross-section of the helices, formed by tubes of circular cross-section, decreases.

V podstatě se jedná o zdvojený výměník tepla, kdy v jediném společném plášti jsou dva šroubovicové výměníky zařazené do série. První z výměníků slouží pro kondenzaci páry, druhý pro ochlazování kondenzátu vzniklého z páry.In essence, it is a double heat exchanger, where there are two helical exchangers connected in series in a single common shell. The first of the exchangers is used for condensing the steam, the second for cooling the condensate formed from the steam.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Výměníku podle vynálezu je možné použít ve všech aplikacích, kde jsou používány výměníky pára - voda. Vysokého součinitele přestupu tepla u kondenzátu proudícího v trubkách kruhového průřezu, je podle vynálezu dosaženo zmenšením celkové průtočné plochy trubek. Tím je dosaženo turbulentního proudění kondenzátu, a tedy i vysokého součinitele přestupu tepla i v té části výměníku, kde dochází k ochlazování kondenzátu. To umožní výrazné zmenšení celkové teplosměnné plochy, což vede k podstatnému snížení hydraulické ztráty na straně ohřívané vody. To dále umožní, při dodržení původní dovolené hydraulické ztráty, zvýšit množství ohřívané vody. Tím dojde ke zvýšení její rychlost a tím i zvětšení součinitele prostupu tepla. To vše vede k podstatnému rozměrovému zmenšení výměníku, při současném výrazném zvýšení jeho tepelného výkonu. Výměník podle vynálezu, při stejných teplotách páry, kondenzátu a ohřívané vody jako u stávajícího provedení výměníku, dosahuje extrémně vysokého měrného výkonu, až 400 kW na m2 teplosměnné plochy. Tak vysoký měrný výkon není možné dosáhnout žádným jiným dosud existujícím výměníkem pára-voda.The exchanger according to the invention can be used in all applications where steam-water exchangers are used. A high heat transfer coefficient for condensate flowing in pipes of circular cross-section is achieved according to the invention by reducing the total flow area of the pipes. This achieves a turbulent flow of condensate, and thus a high heat transfer coefficient even in the part of the exchanger where the condensate is cooled. This will enable a significant reduction of the total heat exchange surface, which leads to a substantial reduction of the hydraulic loss on the side of the heated water. This will further make it possible to increase the amount of heated water while maintaining the original permitted hydraulic loss. This will increase its speed and thereby increase the heat transfer coefficient. All this leads to a significant reduction in the dimensions of the exchanger, while at the same time significantly increasing its thermal performance. The exchanger according to the invention, at the same temperatures of steam, condensate and heated water as in the existing version of the exchanger, achieves an extremely high specific power, up to 400 kW per m 2 of heat exchange surface. Such a high specific power cannot be achieved by any other existing steam-water exchanger.

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Šroubovicový výměník tepla s proměnnou průtočnou plochou pro dosažení turbulentního proudění kondenzátu, tvořený soustavou trubek kruhového průřezu, stočených do jedné nebo několika vrstev vícechodých šroubovic (1), umístěných v plášťové trubce (2), vyznačující se tím, že část šroubovic (1), ve kterých již nedochází ke kondenzaci páry má změněný celkový průtočný průřez trubek tvořících šroubovice (1).1. A helical heat exchanger with a variable flow area for achieving turbulent flow of condensate, formed by a system of tubes of circular cross-section, twisted into one or several layers of multi-pass helices (1), located in a casing tube (2), characterized in that part of the helices (1 ), in which steam condensation no longer occurs, the overall flow cross-section of the tubes forming the helix (1) has changed. 2. Výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že změna celkového průtočného průřezu spočívá ve změně počtu trubek tvořících šroubovice (1) při zachování původního průměru, a tedy i kruhového průřezu trubek tvořících svazek šroubovic (1).2. Exchanger according to claim 1, characterized in that the change in the total flow cross-section consists in changing the number of tubes forming the helices (1) while maintaining the original diameter, and thus also the circular cross-section of the tubes forming the bundle of helices (1). 3. Výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že změna celkového průtočného průřezu spočívá ve změně vnitřního průměru trubek kruhového průřezu tvořících šroubovice (1) při zachování stejného počtu trubek ve svazku šroubovic (1).3. The exchanger according to claim 1, characterized in that the change in the total flow cross-section consists in changing the inner diameter of the circular cross-section tubes forming the helices (1) while maintaining the same number of tubes in the bundle of helices (1). 4. Výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že změna celkového průtočného průřezu spočívá ve zmenšení celkového průtočného průřezu trubek šroubovic tím, že je změněný, jak celkový počet trubek kruhového průřezu tvořících šroubovice (1), tak i jejich vnitřní průměr pn zachování jejich kruhového průřezu.4. Exchanger according to claim 1, characterized in that the change in the total flow cross-section consists in reducing the total flow cross-section of the spiral tubes by changing both the total number of circular cross-section tubes forming the spirals (1) and their inner diameter, while maintaining their circular cross-section.
CZ2010-270A 2010-04-08 2010-04-08 Helical heat exchanger with variable flow area CZ309413B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2010-270A CZ309413B6 (en) 2010-04-08 2010-04-08 Helical heat exchanger with variable flow area

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2010-270A CZ309413B6 (en) 2010-04-08 2010-04-08 Helical heat exchanger with variable flow area

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2010270A3 CZ2010270A3 (en) 2011-10-19
CZ309413B6 true CZ309413B6 (en) 2022-12-14

Family

ID=44786206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2010-270A CZ309413B6 (en) 2010-04-08 2010-04-08 Helical heat exchanger with variable flow area

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ309413B6 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109682236B (en) * 2018-12-25 2020-11-10 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 Anticorrosive boats and ships high temperature heat exchanger

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1078145B (en) * 1957-10-23 1960-03-24 Adam Elmer Dipl Ing Coiled pipe heat exchanger with several coiled pipes wound around a central support column
DE2345243A1 (en) * 1973-09-07 1975-03-27 Bertrams Ag Hch STEAM HEATED HEAT EXCHANGER
US4313491A (en) * 1978-06-30 1982-02-02 Molitor Industries, Inc. Coiled heat exchanger
DE3531784C1 (en) * 1985-09-06 1986-11-27 Hans Dr.h.c. 3559 Battenberg Vießmann Condensate heating boiler

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1078145B (en) * 1957-10-23 1960-03-24 Adam Elmer Dipl Ing Coiled pipe heat exchanger with several coiled pipes wound around a central support column
DE2345243A1 (en) * 1973-09-07 1975-03-27 Bertrams Ag Hch STEAM HEATED HEAT EXCHANGER
US4313491A (en) * 1978-06-30 1982-02-02 Molitor Industries, Inc. Coiled heat exchanger
DE3531784C1 (en) * 1985-09-06 1986-11-27 Hans Dr.h.c. 3559 Battenberg Vießmann Condensate heating boiler

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2010270A3 (en) 2011-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sheikholeslami et al. Heat transfer improvement in a double pipe heat exchanger by means of perforated turbulators
Zhnegguo et al. Experimental study on heat transfer enhancement of a helically baffled heat exchanger combined with three-dimensional finned tubes
Sheikholeslami et al. Heat transfer enhancement in an air to water heat exchanger with discontinuous helical turbulators; experimental and numerical studies
Quadir et al. Experimental investigation of the performance of a triple concentric pipe heat exchanger
Chen et al. Experimental investigation on performances of trisection helical baffled heat exchangers for oil/water–water heat transfer
Yang et al. Investigation on combined multiple shell-pass shell-and-tube heat exchanger with continuous helical baffles
CN107664449A (en) A kind of heat pipe of heat stepwise
Mohanty et al. Numerical analysis of double pipe heat exchanger using heat transfer augmentation techniques
CN107664450A (en) A kind of electric heating coil heat pipe
CN107664446A (en) A kind of heat pipe of intelligent temperature control
CN103868393A (en) Efficient heat exchange pipe
Khargotra et al. Performance investigation and comparison of different turbulator shapes in solar water heating collector system
Salimpour et al. Thermodynamic analysis and optimization of air-cooled heat exchangers
RU2674850C2 (en) Tube for heat exchanger with at least partially variable cross-section and heat exchanger equipped therewith
CN107664447A (en) A kind of heat pipe of heater caliber change
Geete et al. Thermodynamic analysis of designed and fabricated shell-and tube-type heat exchanger by DSTHE software: Kern method
KALIAPPAN et al. Thermal analysis of shell and tube heat exchanger
CN202813773U (en) Heat transfer structure provided with flow guide plate
CN202719901U (en) Multi-stage high-efficiency heat exchanger
CZ309413B6 (en) Helical heat exchanger with variable flow area
Zhang et al. Comparison of heat transfer and pressure drop for the helically baffled heat exchanger combined with three-dimensional and two-dimensional finned tubes
CN205209299U (en) Casing heat exchanger
Boda et al. Design and Development of Parallel-Counter Flow Heat Exchanger
CN208851215U (en) Using the water dispenser of microchannel round tube heat exchanger
CZ24559U1 (en) Heat-exchange apparatus with helically coiled conduits and variable cross-sectional area