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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr, das insbesondere für einen Heizofen geeignet ist. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner einen Cracking-Ofen, der das Wärmeübertragungsrohr verwendet.
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Stand der Technik
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Cracking-Öfen, die Hauptausstattung in der petrochemischen Industrie, werden hauptsächlich zum Erwärmen von Kohlenwasserstoffmaterial verwendet, um eine Cracking-Reaktion zu erreichen, was eine große Energiemenge benötigt. Die Fourier-Gleichung besagt q / A = –k dt / dy wobei q die übertragene Wärme ist, A das Wärmeübertragungsgebiet darstellt, k für den Wärmeübertragungskoeffizienten steht und dt/dy der Temperaturgradient ist. Unter Betrachtung eines in der petrochemischen Industrie verwendeten Cracking-Ofens als ein Beispiel, wenn das Wärmeübertragungsgebiet A (welches durch die Kapazität des Cracking-Ofens bestimmt wird) und der Temperaturgradient dt/dy (welcher durch das Ofen-Schlangenmaterial und der Brennerkapazität bestimmt wird) bestimmt werden, ist die einzige Möglichkeit zum Verbessern der pro Gebietseinheit übertragenen Wärme q/A den Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten k zu verbessern, welcher Einflüssen der thermischen Beständigkeit des Hauptfluids, der thermischen Beständigkeit der Grenzschicht, usw., ausgesetzt ist.
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Gemäß der Grenzschichttheorie von Prandtl würde, wenn eine bestimmte Flüssigkeit entlang einer festen Wand strömt, eine extrem dünne Schicht des Fluids nahe zur Wandoberfläche an der Wand ohne Bewegung angebracht sein. Mit anderen Worten ist die Geschwindigkeit des an der Wandfläche angebrachten Fluids, welches die Grenzschicht bildet, Null. Obwohl diese Grenzschicht sehr dünn ist, ist die Wärmebeständigkeit hiervon ungewöhnlich groß. Wenn Wärme durch die Grenzschicht gelangt, kann sie schnell auf das Hauptfluid übertragen werden. Deshalb könnte, falls die Grenzschicht auf irgendeine Weise dünner gemacht werden kann, die übertragene Wärme effektiv erhöht werden.
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Im Stand der Technik ist ein Ofenrohr eines in der petrochemischen Industrie allgemein verwendeten Cracking-Ofens üblicherweise wie folgt aufgebaut. Auf der einen Seite ist eine Rippe an der Innenfläche einer, mehrerer oder aller Regionen vom Einlassende zum Auslassende entlang der Axialrichtung der Ofenschlange im Cracking-Ofen vorgesehen, und erstreckt sich spiralförmig an der Innenfläche der Ofenschlange entlang einer Axialrichtung hiervon. Obwohl die Rippe das Fluid verwirbeln kann, um die Dicke der Grenzschicht zu minimieren, würde die Verkokung, die an der Innenfläche hiervon ausgebildet wird, kontinuierlich die Rolle der Rippe im Laufe der Zeit schwächen, so dass die Funktion zum Reduzieren der Grenzschicht hiervon kleiner wird. Auf der anderen Seite sind eine Vielzahl von Rippen, die voneinander beabstandet sind, an der Innenfläche des Ofenrohrs vorgesehen. Diese Rippen können ebenso die Dicke der Grenzschicht reduzieren. Allerdings, nachdem die Verkokung an der Innenfläche des Ofenrohrs erhöht wird, werden diese Rippen in ähnlicher Weise weniger effektiv werden.
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Demnach ist es in diesem technischen Gebiet wichtig, die Wärmeübertragungselemente zu verbessern, um die Wärmeübertragungswirkung der Ofenschlange zu verbessern.
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Gegenstand der Erfindung
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Um das obige technische Problem im Stand der Technik zu lösen, stellt die vorliegende Offenbarung ein Wärmeübertragungsrohr bereit, das gute Übertragungswirkungen besitzt. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner einen das Wärmeübertragungsrohr verwendenden Cracking-Ofen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung offenbart sie ein Wärmeübertragungsrohr mit einem an einer Innenwand des Rohrs angeordneten, verdrillten Umlenkelement, wobei sich das verdrillte Umlenkelement spiralförmig entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs erstreckt und mit einem nicht durchgehenden Spalt versehen ist, der sich entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs von einem Ende zum anderen Ende des verdrillten Umlenkelements erstreckt.
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Bei dem Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Offenbarung kann mit der Anordnung des verdrillten Umlenkelements ein Fluid entlang des verdrillten Umlenkelements strömen und sich in eine sich drehende Strömung wandeln. Eine Tangentialgeschwindigkeit des Fluids zerstört die Grenzschicht, um den Zweck der Verbesserung der Wärmeübertragung zu erreichen. Ferner reduziert die Anordnung des Spalts den Widerstand des Fluids im Wärmeübertragungsrohr, was weiter den Druckverlust des Fluids reduziert. Darüber hinaus geht der Spalt nicht hindurch, d. h., das verdrillte Umlenkelement ist immer noch ein integrales Stück, bei dem sich beide der zwei Seitenkanten hiervon mit dem Wärmeübertragungsrohr verbinden, wodurch die Stabilität des verdrillten Umlenkelements beim Auftreffen des Fluids erhöht wird.
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In einer Ausführungsform weist das verdrillte Umlenkelement einen Verdrillwinkel von zwischen 90° bis 1080° auf. Wenn der Verdrillwinkel relativ klein ist, sind sowohl der Druckabfall des Fluids als auch die Tangentialgeschwindigkeit des sich drehenden Fluids beide klein. Deshalb hat das Wärmeübertragungsrohr eine geringe Wirkung. Wenn der Verdrillwinkel größer wird, würde die Tangentialgeschwindigkeit der sich drehenden Strömung ansteigen, so dass die Wirkung des Wärmeübertragungsrohrs verbessert würde, jedoch wird sich der Druckabfall des Fluids erhöht werden. Wenn der Verdrillwinkel von 120° bis 360° reicht, fallen die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs und der Druckabfall des Fluids beide in geeignete Bereiche. Das Verhältnis der axialen Länge des verdrillten Umlenkelements zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs liegt in einem Bereich von 1:1 bis 10:1. Wenn dieses Verhältnis relativ klein ist, ist die Tangentialgeschwindigkeit der sich drehenden Strömung relativ groß, so dass das Wärmeübertragungsrohr eine hohe Kapazität aufweist, jedoch der Druckabfall des Fluids relativ groß ist. Sobald der Wert des Verhältnisses schrittweise ansteigt, würde die Tangentialgeschwindigkeit der sich drehenden Strömung kleiner werden, und somit würde die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs verringert, jedoch würde der Druckabfall des Fluids kleiner werden. Wenn dieses Verhältnis von 2:1 bis 4:1 reicht, würden sowohl die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs als auch der Druckabfall des Fluids in entsprechende geeignete Bereiche fallen. Das verdrillte Umlenkelement mit einer solchen Größe versieht das Fluid im Wärmeübertragungsrohr mit einer ausreichenden Tangentialgeschwindigkeit, um die Grenzschicht zu zerstören, so dass eine bessere Wärmeübertragungswirkung erreicht werden kann, und es wäre eine kleinere Tendenz dafür, dass Koks an der Wärmeübertragungswand ausgebildet wird.
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In einer Ausführungsform fällt das Gebietsverhältnis des Spalts zum verdrillten Umlenkelement innerhalb einen Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1. Wenn dieses Verhältnis relativ klein ist, hat das verdrillte Umlenkelement eine große Umleitungswirkung für das Fluid, so dass die Wärmeübertragungswirkung des Rohrs gut ist, jedoch ist der Druckabfall des Fluids ebenso groß. Wenn dieses Verhältnis größer wird, würde die Umleitungswirkung des verdrillten Umlenkelements zum Fluid und der Druckabfall des Fluids kleiner werden, jedoch würde die Wärmeübertragungswirkung ebenso entsprechend schlechter werden. Wenn dieses Verhältnis innerhalb des Bereichs von 0,6:1 bis 0,8:1 bleibt, erreichen sowohl die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs als auch der Druckabfall des Fluids geeignete Bereiche. Zusätzlich hat das Fluid, bei dem das Gebietsverhältnis innerhalb des obigen Bereichs ist, einen geringen Druckabfall und das verdrillte Umlenkelement hat eine hohe Beständigkeit für ein Auftreffen. In einer Ausführungsform hat der Spalt eine Konturlinie einer sanften Kurve, was eine Strömung der Fluide erleichtert, einen Widerstand hiervon reduziert und ferner einen Druckabfall des Fluids reduziert. In einer besonderen Ausführungsform umfasst die sanfte Kurve zwei identische Kurvensegmente, die mittensymmetrisch bezüglich einer Mittenlinie des Wärmeübertragungsrohrs sind. In einer Ausführungsform liegt das Verhältnis der Breite eines Startendes des Spalts zu einem Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs in einem Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1, bevorzugt von 0,6:1 bis 0,8:1, wobei sich jedes der Kurvensegmente vom Startende zum Auslaufende des Spalts erstreckt. Das Verhältnis der x-Achsenkomponenten der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs reicht von 0,05:1 bis 0,95:1, das Verhältnis der y-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs reicht von 0,05:1 bis 0,95:1, und das Verhältnis der z-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs reicht von 1:1 bis 10:1. Wenn das Verhältnis der z-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs relativ klein ist, ist die Tangentialgeschwindigkeit des sich drehenden Fluids groß, so dass die Wärmeübertragungswirkung gut ist, jedoch ist der Druckabfall des Fluids ebenso groß. Sobald dieses Verhältnis größer wird, würden sowohl die Tangentialgeschwindigkeit des sich drehenden Fluids als auch der Druckabfall des Fluids kleiner werden, jedoch würde auch die Wärmeübertragungswirkung entsprechend schlechter werden. Wenn dieses Verhältnis innerhalb des Bereichs von 2:1 bis 4:1 bleibt, erreichen die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs und der Druckabfall des Fluids geeignete Bereiche. Die auf diese Weise ausgebildete Spaltkonturlinie hat beste hydrodynamische Wirkungen, d. h., ein Minimum des hydraulischen Drucks wird erzeugt und ein Maximum der Auftreffbeständigkeit des verdrillten Umlenkelements wird erreicht.
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In einer Ausführungsform gibt es zwei Spalte, die sich von verschiedenen Enden des verdrillten Umlenkelements zueinander entlang der Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs ohne Überkreuzen erstrecken. Das Gebietsverhältnis des stromaufwärtigen Spalts zum stromabwärtigen Spalt liegt in einem Bereich von 20:1 bis 0,05:1. Wenn das Verhältnis relativ groß ist, sind sowohl der Druckabfall des Fluids als auch die Tangentialgeschwindigkeit des sich drehenden Fluids klein, so dass die Wärmeübertragungswirkung gering ist. Wenn das Verhältnis kleiner wird, würde die Tangentialgeschwindigkeit des sich drehenden Fluids größer werden, und die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs würde verbessert, jedoch würde der Druckabfall des Fluids erhöht werden. Wenn dieses Verhältnis innerhalb des Bereichs von 2:1 bis 0,5:1 bleibt, erreichen sowohl die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs als auch der Druckabfall des Fluids geeignete Bereiche. Ferner ist der stromabwärtige Spalt zum Absenken einer Beständigkeit des Fluids geeignet, um den Druckabfall abzusenken. Darüber hinaus ist die Anordnung eines stromaufwärtigen Spalts und eines stromabwärtigen Spalts vorteilhaft zum Verringern des Gewichts des verdrillten Umlenkelements, wodurch die Anordnung und Verwendung hiervon erleichtert wird.
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In einer Ausführungsform ist das verdrillte Umlenkelement mit einer Vielzahl von Ausnehmungen versehen. Sowohl axial als auch radial strömende Fluide können durch die Ausnehmungen strömen, d. h., diese Ausnehmungen können die Strömungsrichtungen der Fluide verändern, um eine Turbulenz im Wärmeübertragungsrohr zu verbessern, wodurch die Grenzschicht zerstört wird und der Zweck des Verbesserns der Wärmeübertragung erreicht wird. Zusätzlich können Fluide von unterschiedlichen Richtungen einfach durch diese Ausnehmungen gelangen und stromabwärts strömen, wodurch ein Widerstand zur Strömung der Fluide reduziert wird und ein Druckabfall reduziert wird. Koksstücke, die in den Fluiden getragen werden, können ebenso durch diese Ausnehmungen gelangen, um sich stromabwärts zu bewegen, was den Ausstoß dieser Koksstücke erleichtert. In einer bevorzugten Ausführungsform erreicht das Verhältnis eines Axialabstands zwischen den Mittenlinien der zwei benachbarten Ausnehmungen zu einer axialen Länge des verdrillten Umlenkelements von 0,2:1 bis 0,8:1.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung offenbart sie einen Cracking-Ofen, der zumindest ein, bevorzugt 2 bis 10 der Wärmeübertragungsrohre gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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In einer Ausführungsform werden eine Vielzahl der Wärmeübertragungsrohre in der Strahlerschlange entlang einer Axialrichtung hiervon derart angeordnet, dass sie voneinander beabstandet sind, wobei das Verhältnis eines Beabstandungsabstands zum Durchmesser des Wärmeübertragungsrohrs in einem Bereich von 15:1 bis 75:1 reicht, bevorzugt von 25:1 bis 50:1. Die Vielzahl der Wärmeübertragungsrohre, die voneinander beabstandet sind, verändert das Fluid kontinuierlich in der Strahlerschlange von einer Kolbenströmung in eine sich drehende Strömung, wodurch die Wärmeübertragungseffizienz verbessert wird.
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Im Kontext der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff „Kolbenströmung” idealerweise, dass sich Fluide miteinander in der Strömungsrichtung mischen, jedoch keinesfalls in der radialen Richtung. In der Praxis allerdings kann lediglich eine angenäherte Kolbenströmung als eine absolute Kolbenströmung erreicht werden.
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Verglichen mit dem Stand der Technik bietet die vorliegende Offenbarung die folgenden Aspekte. Zunächst verändert die Anordnung des verdrillten Umlenkelements im Wärmeübertragungsrohr das entlang dem verdrillten Umlenkelement strömende Fluid in ein sich drehendes Fluid, wodurch die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids verbessert wird, die Grenzschicht zerstört wird und der Zweck des Verbesserns der Wärmeübertragung erreicht wird. Als nächstes ist das verdrillte Umlenkelement mit einem nicht durchgehenden Spalt versehen, der sich entlang der Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs vom einen Ende zum anderen Ende des verdrillten Umlenkelements erstreckt. Der Spalt verringert eine Beständigkeit der Fluide im Wärmeübertragungsrohr, wodurch der Druckabfall des Fluids verringert wird. Ferner geht der Spalt nicht hindurch, d. h., das verdrillte Umlenkelement ist tatsächlich ein integrales Stück, wobei zwei Seitenkanten hiervon beide mit dem Wärmeübertragungsrohr verbunden sind, was die Stabilität des verdrillten Umlenkelements beim Auftreffen des Fluids verbessert. Zusätzlich kann die Vielzahl der am Umlenkelement vorgesehenen Ausnehmungen die Strömungsrichtung des Fluids verändern, um die Turbulenz im Wärmeübertragungsrohr zu verstärken und das Ziel des Verbesserns der Wärmeübertragung zu erreichen. Darüber hinaus reduzieren diese Ausnehmungen ferner den Widerstand im Strom des Fluids, so dass der Druckabfall weiter abgesenkt wird. Zusätzlich können sich im Fluid getragene Koksstücke ebenso durch diese Ausnehmungen stromabwärts bewegen, was den Ausstoß der Koksstücke verbessert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung im Detail mit Blick auf spezifische Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, von denen
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1 schematisch eine Seitenansicht eines Wärmeübertragungsrohrs mit einem verdrillten Umlenkelement gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
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2 und 3 schematisch perspektivische Ansichten einer ersten Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen,
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4 bis 6 schematisch Querschnittsansichten von A-A, B-B und C-C von 1 unter Verwendung des verdrillten Umlenkelements von 2 zeigen,
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7 und 8 schematisch eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen,
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9 schematisch eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
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10 schematisch eine perspektivische Ansicht eines verdrillten Umlenkelements gemäß dem Stand der Technik zeigt, und
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11 schematisch eine Strahlerschlange eines Cracking-Ofens zeigt, der das Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet.
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In den Zeichnungen wird die gleiche Komponente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Zeichnungen sind nicht gemäß einem tatsächlichen Maßstab gezeichnet.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend mit Blick auf die Zeichnungen weiter illustriert.
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Wärmeübertragungsrohrs 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Wärmeübertragungsrohr 10 ist mit einem verdrillten Umlenkelement 11 versehen, welches ein Fluid einbringt, damit es drehbar strömt. Das verdrillte Umlenkelement 11 erstreckt sich spiralförmig entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10. Der Aufbau des verdrillten Umlenkelements 11 ist schematisch in den 2, 3, 7, 8 und 9 gezeigt und wird nachfolgend erklärt.
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2 und 3 zeigen schematisch perspektivische Ansichten einer ersten Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements 11 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das verdrillte Umlenkelement 11 weist einen Verdrillwinkel zwischen 90° und 1080° auf. Das Verhältnis der axialen Länge des verdrillten Umlenkelements zu einem Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs fällt in einen Bereich von 1:1 bis 10:1. Das verdrillte Umlenkelement 11 ist mit einem Spalt 12 versehen, der sich entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10 von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende des verdrillten Umlenkelements 11 erstreckt, ohne das verdrillte Umlenkelement 11 vollständig zu durchdringen. Im Allgemeinen kann der Spalt 12 als eine U-förmige Gestalt verstanden werden. In diesem Zustand reicht das Gebietverhältnis des Spalts 12 zum verdrillten Umlenkelement 11 von 0,05:1 bis 0,95:1.
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Die axiale Länge des verdrillten Umlenkelements 11 kann als ein „Abstand” bezeichnet werden, und das Verhältnis des „Abstands” zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs kann als ein „Verdrillverhältnis” bezeichnet werden. Der Verdrillwinkel und das Verdrillverhältnis würden beide den Drehgrad des Fluids im Wärmeübertragungsrohr 10 beeinflussen. Wenn das Verdrillverhältnis bestimmt ist, wird, je größer der Verdrillwinkel wird, desto höher die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids sein, jedoch würde der Druckabfall des Fluids ebenso entsprechend höher werden. Das verdrillte Umlenkelement 11 ist ausgewählt als mit einem Verdrillverhältnis und einem Verdrillwinkel, der es dem Fluid im Wärmeübertragungsrohr 10 ermöglicht, eine ausreichend hohe Tangentialgeschwindigkeit zu besitzen, um die Grenzschicht zu zerstören, so dass eine gute Wärmeübertragungswirkung erreicht werden kann. In diesem Fall kann eine geringere Tendenz dafür erreicht werden, dass Koks an der Innenwand des Wärmeübertragungsrohrs ausgebildet wird, und der Druckabfall des Fluids so gesteuert werden, dass er in einem akzeptablen Bereich ist. Durch Anordnen des Spalts 12 am verdrillten Umlenkelement 11 ist das Kontaktgebiet des Fluids des verdrillten Umlenkelements 11 signifikant reduziert, wodurch der Widerstand des Fluids im Wärmeübertragungsrohr 10 und der Druckabfall des Fluids reduziert werden. Zusätzlich ist der Spalt 12 nicht hindurchgehend, d. h., das verdrillte Umlenkelement ist tatsächlich ein integrales Stück, wobei zwei Seitenkanten hiervon mit dem Wärmeübertragungsrohr 10 verbunden sind, was die Stabilität des verdrillten Umlenkelements 11 im Wärmeübertragungsrohr 10 verbessert.
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2 und 3 zeigen eine Konturlinie des Spalts 12 des verdrillten Umlenkelements 11 als eine sanfte Kurve, was die Beständigkeit des Fluids reduzieren kann, wodurch der Druckabfall des Fluids reduziert wird. Die sanfte Kurve kann so verstanden werden, dass sie zwei identische Kurvensegmente 13 und 13' umfasst, die mittensymmetrisch bezüglich einer Mittenlinie des Wärmeübertragungsrohrs 10 sind. Mit diesem Verständnis besitzt der Spalt 12 die folgenden technischen Merkmale. Das Verhältnis der Breite eines Startendes des Spalts 12 zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 10 liegt in einem Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1, wobei sich das Kurvensegment 13 (welches zur Erklärung als ein Beispiel genommen wird) von einem Startende 14 zu einem Auslaufende 15 des Spalts 12 erstreckt. Das Verhältnis der x-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs reicht vom 0,05:1 bis 0,95:1, das Verhältnis der y-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs reicht von 0,05:1 bis 0,95:1, und das Verhältnis der z-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs reicht von 1:1 bis 10:1. In der vorliegenden Offenbarung betreffen die Begriffe „x-Achse”, „Y-Achse” und „z-Achse” entsprechend eine Durchmesserrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10, die Richtung senkrecht zum Zeichnungsblatt und die Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10. Der Spalt 12 in dieser Gestalt besitzt die beste hydrodynamische Wirkung, d. h., der Spalt 12 dieser Form erzeugt den kleinsten Fluiddruckabfall und die höchste Beständigkeit für ein Auftreffen des verdrillten Umlenkelements 11.
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In der Tat kann das verdrillte Umlenkelement 11, das in 2 oder 3 gezeigt ist, als eine Trajektorienfläche verstanden werden, die durch Drehen einer Durchmesserlinie des Wärmeübertragungsrohrs 10 um einen Mittelpunkt hiervon und zur gleichen Zeit Verschieben dieses entlang der Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10 nach oben oder unten, gefolgt durch Kreuzen eines Spheroiden oder ähnlichem mit einer Trajektorienfläche und Entfernen des gekreuzten Abschnitts erhalten wird. Auf diese Weise umfasst das verdrillte Umlenkelement 11 eine Oberkante und eine Unterkante, die parallel zueinander sind, ein Paar verdrillter Seitenkanten, die stets in Kontakt mit der Innenwandfläche des Wärmeübertragungsrohrs 10 sind, und eine Konturlinie des Spalts. 4 bis 6 zeigen schematisch verschiedene Querschnitte des Wärmeübertragungsrohrs 10 an verschiedenen Positionen, von denen die verdrillte Art des verdrillten Umlenkelements 11 gesehen werden kann. Der Querschnitt des Spalts 12, wie in 4 angezeigt, ist größer als derjenige, der in 5 angezeigt wird, weil der Querschnitt A-A näher zu einer kleinen Achse des Spheroiden ist, welcher den Spalt 12 ausbildet. Das verdrillte Umlenkelement, wie in 6 angezeigt, besitzt keine Spalte, weil der Querschnitt C-C an einem Abschnitt des verdrillten Umlenkelements 11 angeordnet ist, der nicht durch den Spalt 12 durchdrungen wird.
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Obwohl 2 zeigt, dass der Spalt 12 des verdrillten Umlenkelements 11 derart angeordnet ist, dass eine Öffnung nach stromaufwärts weist und ein Oberende nach stromabwärts weist, kann der Spalt 12 tatsächlich ebenso derart angeordnet sein, dass das Oberende stromaufwärts weist und die Öffnung stromabwärts weist. In diesem Zustand wäre die Auftreffkraft vom Fluid am verdrillten Umlenkelement 11 signifikant reduziert, so dass die Beständigkeit für ein Auftreffen des verdrillten Umlenkelements 11 verbessert wäre.
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7 und 8 zeigen schematisch eine zweite Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements 11. Diese Ausführungsform ist ähnlich zu dem in 2 und 3 gezeigten verdrillten Umlenkelement 11. Der Unterschied dazwischen liegt lediglich darin, dass das verdrillte Umlenkelement 11 mit zwei Spalten 12 und 12' versehen ist, die sich entsprechend von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende des verdrillten Umlenkelements 11 zueinander erstrecken, jedoch voneinander beabstandet sind. Der stromabwärtige Spalt 12' kann den Widerstand des Fluids weiter reduzieren, um den Druckabfall hiervon zu reduzieren. Zusätzlich ist die Anordnung der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Spalte geeignet, um das Gewicht des verdrillten Umlenkelements 11 zu senken, was eine Anordnung und eine Verwendung des Wärmeübertragungsrohrs 10 erleichtert. Bevorzugt reicht das Gebietsverhältnis des stromaufwärtigen Spalts 12 zum stromabwärtigen Spalt 12' von 2:1 bis 0,5:1. In diesem Fall fällt das Verhältnis des Summengebiets der Spalte 12 und 12' zum Gebiet des verdrillten Umlenkelements 11 in einen Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1.
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9 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements 11. In dieser Ausführungsform ist das verdrillte Umlenkelement 11 mit einer Ausnehmung 41 derart versehen, dass das Fluid durch die Ausnehmung 41 gelangen kann und sanft stromabwärts strömen kann, wodurch der Druckverlust des Fluids weiter reduziert wird. In einer spezifischen Ausführungsform reicht das Verhältnis eines axialen Abstands zwischen zwei benachbarten Mittenlinien zu einer axialen Länge des verdrillten Umlenkelements 11 von 0,2:1 bis 0,8:1.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner einen Cracking-Ofen (in den Figuren nicht gezeigt), der das zuvor erwähnte Wärmeübertragungsrohr 10 verwendet. Ein Cracking-Ofen ist dem Fachmann wohlbekannt und wird deshalb hier nicht diskutiert. Eine Strahlerschlange 50 des Cracking-Ofens ist mit zumindest einem zuvor beschriebenen Wärmeübertragungsrohr 10 versehen. 11 zeigt schematisch drei Wärmeübertragungsrohre 10. Bevorzugt sind diese Wärmeübertragungsrohre 10 entlang der Axialrichtung in der Strahlerschlange derart vorgesehen, dass sie voneinander beabstandet sind. Zum Beispiel ist das Verhältnis eines Axialabstands der zwei benachbarten Wärmeübertragungsrohre 10 zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 10 in einem Bereich von 15:1 bis 75:1, bevorzugt von 25:1 bis 50:1, so dass sich das Fluid in der Strahlerschlange kontinuierlich von einer Kolbenströmung in eine sich drehende Strömung wandeln würde, wodurch die Wärmeübertragungseffizienz verbessert wird. Es ist anzumerken, dass, wenn es eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren gibt, das verdrillte Umlenkelement jeder dieser Wärmeübertragungsrohre 10 in einer wie in einer der 2, 7 und 9 gezeigten Art angeordnet sein kann.
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Nachfolgend werden spezifische Beispiele verwendet, um die Wärmeübertragungseffizienz und einen Druckabfall der Strahlerschlange 50 des Cracking-Ofens zu erklären, wenn das Wärmeübertragungsrohr 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet wird.
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Beispiel 1
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Die Strahlerschlange des Cracking-Ofens ist mit 6 Wärmeübertragungsrohren 10 mit verdrillten Umlenkelementen, wie in 2 gezeigt, versehen. Der Innendurchmesser jeder der Wärmeübertragungsrohre 10 beträgt 51 mm. Das Verhältnis der x-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs beträgt 0,6:1, das Verhältnis der y-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs beträgt 0,6:1, und das Verhältnis der z-Achsenkomponente der Krümmungsradiusveränderungsrate des Kurvensegments zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs beträgt 2:1. Die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' haben entsprechend einen Verdrillwinkel von 180° und ein Verdrillverhältnis von 2,5. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsrohren 10 ist 50 Mal größer als der Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs. Experimente haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungslast der Strahlerschlange 1.278,75 KW und der Druckabfall 70.916,4 Pa ist.
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Vergleichsbeispiel 1
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Die Strahlerschlange des Cracking-Ofens ist mit 6 Wärmeübertragungsrohren 50' gemäß dem Stand der Technik versehen. Die Wärmeübertragungsrohre 50' sind derart aufgebaut, dass sie mit einem verdrillten Umlenkelement 51' in einem Gehäuse des Wärmeübertragungsrohrs 50' versehen sind, wobei das verdrillte Umlenkelement 51' das Wärmeübertragungsrohr 50' in zwei Materialdurchgänge teilt, die nicht miteinander kommunizieren, wie in 10 gezeigt. Der Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 50' beträgt 51 mm. Das verdrillte Umlenkelement 51' hat einen Verdrillwinkel von 180° und ein Verdrillverhältnis von 2,5. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsrohren 50' ist 50 Mal größer als der Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 50'. Experimente haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungslast der Strahlerschlange 1.264,08 KW ist und der Druckabfall 71.140 PA ist.
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Mit Blick auf das obige Beispiel und das Vergleichsbeispiel kann abgeleitet werden, dass verglichen mit der Wärmeübertragungseffizienz einer Strahlerschlange im Cracking-Ofen, die das Wärmeübertragungsrohr gemäß dem Stand der Technik verwendet, die Wärmeübertragungseffizienz der Strahlerschlange im Cracking-Ofen, die das Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet, signifikant verbessert ist, und der Druckabfall ebenso verringert ist. Die obigen Merkmale sind für eine Kohlenstoffwasserstoff-Cracking-Reaktion sehr nützlich.
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Obwohl diese Offenbarung unter Bezugnahme auf bevorzugte Beispiele diskutiert wurde, erstreckt sie sich über speziell offenbarte Beispiele hinaus auf andere alternative Beispiele und/oder eine Verwendung der Offenbarung und ersichtliche Modifikationen und Äquivalente hiervon. Insbesondere können, solange es keine strukturellen Konflikte gibt, die in jedem einzelnen Beispiel der vorliegenden Offenbarung offenbarten technischen Merkmale miteinander auf jegliche Art kombiniert werden. Der Bereich der vorliegenden Offenbarung, der hier offenbart ist, sollte nicht durch die besonders offenbarten Beispiele, wie zuvor beschrieben, beschränkt sein, sondern umfasst jegliche und alle technische Lösungen, die dem Bereich der folgenden Ansprüche folgen.
