Opis patentowy opublikowano: 1986 11 29 134131 Int Cl F28F I/40 Twórcy wynalazku: Tadeusz Bes, Pawel Cieslinski, Ferdynand Dembecki Uprawniony z patentu: Politechnika Poznanska, Poznan /Polska/ RURKA WYMIENNIKA CIEPLA Z WKLADEM TURBULIZUJACYM Frzedmiotem wynalazku jeat rurka prostoosiowa wymiennika ciepla z wkladem turbulizujacym nieruchomym, umieszczonym^* niej trwale lub wymiennie, przeznaczona do róznego rodzaju wymienników ciepla, w szczególnosci do rekuperatorów plaszczowo- rurowych, dla zwiekszenia intensywnosci wnikania ciepla w ich przestrzeni wewnatrz rurkowej dzieki wprowadzeniu zaburzen turbulentnych do strumienia czynnika grzewczego.Znane i stosowane sa rurki prostoosiowe wymienników ciepla z róznego rodzaju wkladami turbulizujacymi, najczesciej w postaci spiral, slimaków, skreconych tasm, ukladów plaskich plytek lub pierscieni, tworzacych rózne katy z kierunkiem wektora predkosci czynnika. Wklad intensyfikujacy proces wymiany ciepla w wymiennikach plasz¬ czowo-rurowych typu rura w rurze, wedlug patentu PRL nr 76 962, kl.F 28 D,7/10, charakteryzuje sie tym, ze stanowi go co najmniej jeden pret 2ub plaskownik zwiniety srubowo, do którego przymocowane sa nieruchomo w dowolnych odstepach elementy kieru¬ jace. Elementy te maja postac plytek, korzystnie prostokatnych* Wklad turbulizujacy w tym rozwiazaniu usztywniony jest pretami, do których przymocowane sa obrotowo rolki toczne, toczace sie po wewnetrznej powierzchni rury. W rozwiazaniu wedlug patentu PRL 85 700 kl.F 28 F,9/00 plaszczowy wymiennik cieple do plynów ma rure z wkladem turbulizujacym, który stanowi pret z zestawem siatek o wymiarach oczek od 0,02 do 0,1 srednicy wewnetrznej rury, rozmieszczonych na precie w odleglosciach od dwóch srednic oczka siatki do wymiaru wewnetrznej srednicy rury wymiennika. Znana jest równiez wedlug patentu PRL nr 100 607, kl.F 28 F,1/10 rura o rozwinietej powierzchni wewnetrznej przeznaczona glównie do plaszczowo-rurowych wymienników ciepla. Wyposazo¬ na jest ona we wkladke o ksztalcie promienisto-gwiazdkowym charakteryzujaca sie tym, ze wkladka ta sklada sie z dwu symetrycznych wzgledem siebie zestawów elementów ko¬ rytkowych, wlozonych jedne w drugie, przy czym w kazdym zestawie elementy korytkowe maja rózne katy rozchylenia scianek bocznych. Elementy korytkowe o mniejszym kacie2 134 131 rozchylenie umieszczone sa w elementach korytkowych o wiekszym kacie rozchylenia scianek. Dodatkowo w osi rury osadzona jest srednicowo plaska przegroda rozdzielajaca dw© symetryczne zestawy elementów korytkowych.Znany jest równiez ze zgloszenia w UP PRL ze nr P-212 126, kl.F 28 F turbulizator przeplywu umieszczony wewnatrz rury o przekroju kolowym. Stanowi go spiralnie skreco¬ na tasma o powierzchni sfalowanej. Grzbietowe krawedzie spirali przylegaja do wewnetrz¬ nej powierzchni rury. Przedstawione rozwiazania turbulizatorów umieszczonych wewnatrz rur wymiennika intensyfikuja wnikanie ciepla jedynie dzieki skladowej wektora rotacji plynu w kierunku przenoszonego strumienia ciepla. Pozostale skladowe nie maja wplywu na intensywnosc wymiany ciepla a najczesciej ja zmniejszaja. Przy stosowaniu opisa¬ nych turbulizatorów znaczna czesc dostarczonej do ukladu energii mechanicznej ulega dysypacjii nie ma wplywu na wzrost intensywnosci wnikania ciepla. Znane sa równiez rury z turbulizatorami w postaci wirujacej spirali lub smigielek turbinkowych, wpra¬ wianych w ruch przez strumien czynnika. Niektóre rury maja przyspawane do powierzchni wewnetrznej róznego rodzaju elementy turbulizujace - druty lub zebra plaskie, glad¬ kie lub perforowane, z nacieciami róznie usytuowanymi wzgledem kierunku przeplywu.Konstrukcje te meja jednak zbyt niski stopien intensyfikacji wnikania cieple, wynika¬ jacy zarówno z niewystarczajacych zawirowan jak i braku silnych skladowych promienio¬ wych predkosci przeplywu. Wada ich jest równiez zlozona operacja mocowania wewnatrz rury jak i sam proces wytwarzania wkladów, których produkcja wymaga drogiego oprzy¬ rzadowania.Rurka wymiennika, ciepla z wkladem turbulizujacym nieruchomym, umieszczonym trwale lub wymiennie wzdluz jej osi, w rozwiazaniu wedlug wynalazku ma wklad turbuli- zujacy dzielacy wnetrze rurki na jednakowe komory, tworzace kanal o powtarzajacym sie przemiennie profilu. Wklad stanowia równolegle rzedy plaskich zastawek majacych postac figur geometrycznych, których przynajmniej dwa boki sa prostolinijne i wzajemnie prostopadle, a jeden z pozostalych ma zarys luku o promieniu w przyblizeniu równym promieniowi wewnetrznemu rurki. Zastawki w danym rzedzie leza w jednej plaszczyznie prostopadlej do osi rurki i tworza jednolita calosc przestrzenna z prostopadla do nich, wycieta z blaszanej tasmy, plaska, szkieletowa konstrukcja nosna, o szerokosci dopasowanej do wewnetrznej srednicy rurki. Wzgledem siebie zastawki sa odgiete w prze¬ ciwnych kierunkach, naprzemianlegle w dan^m rzedzie i przemiennie na kazdym kolejnym poprzecznym pasku plaskiej szkieletowej konstrukcji nosnej, przy czym w danym rze¬ dzie kazda zastawka me odpowiednio z danym paskiem poprzecznym jedna krawedz wspólna.Odmiana konstrukcji wedlug wynalazku jest rurka wymiennika ciepla z wkladem turbulizujacym, którego szkieletowa konstrukcja nosna ma postac drabinki. Na kazdym poprzecznym pasku tej konstrukcji odgiete sa dwie zastawki o luku scietym prostopad¬ le do tej drabinki, przy czym sciecie to jest równolegle do krawedzi obydwu zastawek, które to krawedzie leza na jednej prostej przechodzacej przez srodek szerokosci drabin¬ ki. Inna odmiana konstrukcji wedlug wynalazku jest rozwiazanie, w którym szkieletowa konstrukcja nosna ma postac podluznego paska ozebrowanego obustronnie jednakowymi poprzecznymi paskami, tworzacymi z nim katy proste. Na kazdym z poprzecznych pasków odgieta jest zastawka w ksztalcie wycinka kola o kacie wierzcholkowym 90°. Zastawki odgiete sa w przeciwnych kierunkach wzgledem siebie, neprzemianlegle w danym rzedzie i przemiennie na kazdym kolejnym pasku poprzecznym* Jeszcze inna odmiane konstruk¬ cji wedlug wynalazku etanowi rozwiazanie, w którym szkieletowa konstrukcja nosna ma postac drabinki, na której kazdym poprzecznym pasku odgiete sa trzy plaskie zastawki.Dwie skrajne zastawki odgiete sa w kierunku przeciwnym do zastawki srodkowej i maja luki sciete prostopadle do drabinki, przy czym sciecie to jest równolegle do tych Tcrawedzi obydwu zastawek skrajnych, które leza na prostych bedacych przedluzeniem równoleglych krawedzi zastawki srodkowej.134 131 3 Konstrukcje wedlug wynalazku sa proste w wykonaniu i powoduja bardzo intensywne zmieszanie i zaburzenie przeplywajacego czynnika. Dzieki komorom utworzonym przez na¬ przemianlegle odgiete zastawki w danym rzedzie i przemiennie na kazdym kolejnym pasku poprzecznym konstrukcji nosnej, strumien przeplywajacego czynnika rozszczepiany jest przemiennie na co najmniej dwie lub trzy strugi o falistym kierunku przeplywu, które splataja sie wzajemnie srubowo na calej dlugosci rury. Przemienny profil kanalu za¬ pewnie falisty przeplyw czynnika o strumieniu przemiennie rozszerzajacym sie i zwe¬ zajacym sie. Uzyskany w ten sposób wysoki stopien turbulencji strumienia czynnika zwieksza wspólczynnik wnikania ciepla do przestrzeni przejmujacej cieplo* Rozszcze¬ pione strugi czynnika dzieki uksztaltowaniu wkladu turbulizujacego wedlug wynalazku meja przeciwnie skierowane promieniowe skladowe predkosci przeplywu, wywolujace bar¬ dzo intensywne zaburzenia czynnika, co w konsekwencji zwieksza ilosc przekazywanego ciepla* Przy zastosowaniu rurki z wkladem turbulizujacym wedlug wynalazku w rekupe- retorach pleszczowo-rurowych, wzrasta w sposób znaczny wydajnosc tych wymienników ciepla. Wklad turbulizujacy moze byc mocowany trwale lub wymiennie, w zaleznosci od warunków pracy wymiennika. Niski koszt i prostota konstrukcji stanowia dodatkowa za¬ lety opisanych konstrukcji.Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykladowym wykonaniu na rysunku, na którym f ig. 1 przedstawia rurke wymiennika cieple z wkladem turbulizujacym z konstrukcja nos¬ na drabinkowa i dwiema zastawkami w rzedzie, fig.2 rurke z wkladem, którego konstruk¬ cja nosna jest ozebrowanym paskiem podluznym z dwiema zastawkami w rzedzie, w posta¬ ci wycinków kola o kacie wierzcholkowym 90°, a fig.3 rurke z konstrukcja drabinkowa i trzema zastawkami w jednym rzedzie. Rurka 1 wymiennika ciepla ma wklad turbulizu¬ jacy nieruchomy, umieszczony trwale lub wymiennie wzdluz jej osi. Wklad turbulizuja¬ cy dzieli wnetrze rurki 1 na jednakowe komory, tworzace kanal o powtarzajacym sie przemiennie profilu. Wklad ten stanowia równolegle rzedy plaskich zastawek 21, po dwie w rzedzie, przy czym zastawki te w danym rzedzie leza w jednej plaszczyznie pro¬ stopadlej do osi rurki 1 i tworza jednolita calosc przestrzenna z prostopadla do nich, wycieta z blaszanej tasmy, plaska, szkieletowa konstrukcja nosna 31• Konstruk¬ cja ta ma postac drabinki o szerokosci dopasowanej do wewnetrznej srednicy rurki.Zastawki 21 wzgledem siebie sa odgiete w przeciwnych kierunkach, prostopadle do kon¬ strukcji nosnej 31, naprzemianlegle w danym rzedzie i przemiennie na kazdym kolejnym poprzecznym pasku 41 drabinkowej konstrukcji, przy czym odpowiednio z danym paskiem 41 kazda z zastawek 21 w danym rzedzie ma jedna wspólna krawedz 51• Ogólnie zastawki maja postac figur geometrycznych, których przynajmniej dwa boki sa prostolinijne i wzajemnie prostopadle, a jeden z pozostalych ma zarys luku o promieniu w przybli¬ zeniu równym promieniowi wewnetrznemu rurki 1. Zastawki 21 maja luk sciety prostopad¬ le do konstrukcji nosnej 31, przy czym sciecie to jest jednoczesnie równolegle do tych krawedzi obydwu zastawek 21, które leza na jednej prostej przechodzacej przez srodek szerokosci drabinki.W innym wykonaniu szkieletowa konstrukcja nosna 32 ma postac podluznego paska 6 ozebrowanego obustronnie poprzecznymi paskami 42, tworzacymi z nim katy proste. Na kazdym z poprzecznych pasków 42 odgieta jest zastawka 22 w ksztalcie wycink8 kola o kacie wierzcholkowym 90°, przy czym z danym paskiem 42 zastawka 22 na wspólna kra¬ wedz 52. Jeszcze inna odmiana konstrukcyjna jest przykladowe wykonanie rurki wymien - nika ciepla wedlug wynalazku, w którym konstrukcja nosna 33 wkladu turbulizujacego ma postac drabinki. Na kazdym poprzecznym pasku 43 drabinki odgiete sa trzy zastawki, dwie skrajne zastawki 23e i jedna srodkowa zastawka 23b. Zastawki 23a skrajne odgie¬ te sa w danym rzedzie w kierunku przeciwnym do srodkowej zastawki 23 b. Zastawki4 134 131 23a maja luki sciete prostopadle do drabinkowej konstrukcji nosnej 33, przy czym sciecie to jest równolegle do tych krawedzi obydwu skrajnych zastawek 23a, które le¬ za na prostych bedacych przedluzeniem równoleglych krawedzi srodkowej zastawki 23b.Z danym poprzecznym paskiem 43 kazda z zastawek 23ai 23b ma jedna wspólna krawedz 53. PLThe patent description was published: 1986 11 29 134131 Int Cl F28F I / 40 Inventors: Tadeusz Bes, Pawel Cieslinski, Ferdynand Dembecki The holder of the patent: Politechnika Poznanska, Poznan / Poland / TUBE OF HEAT EXCHANGER WITH TURBULIZING INSERT a fixed turbulence insert, placed ^ * permanently or interchangeably, intended for various types of heat exchangers, in particular for shell and tube recuperators, to increase the intensity of heat penetration into their space inside the tubular due to the introduction of turbulent disturbances into the heating medium stream. straight-axis tubes of heat exchangers with various types of turbulating inserts, most often in the form of spirals, snails, twisted tapes, arrangements of flat plates or rings, forming different angles with the direction of the velocity vector of the medium. The contribution that intensifies the heat exchange process in tube-in-tube shell-and-tube exchangers, according to the Polish People's Republic patent No. 76 962, class F 28 D, 7/10, is characterized by the fact that it is made of at least one rod or flat bar coiled in a screw, to which the guide elements are fixed at any distances. These elements have the form of plates, preferably rectangular * The turbulence insert in this solution is stiffened with rods to which rolling rollers are rotatably attached, which roll on the inner surface of the pipe. In the solution according to the PRL patent 85 700 class F 28 F, 9/00 the mantle heat exchanger for fluids has a pipe with a turbulating insert, which is a rod with a set of meshes with the mesh size from 0.02 to 0.1 pipe internal diameter, arranged on bars at the distances from two mesh diameters to the internal diameter of the exchanger tube. It is also known according to the Polish People's Republic patent No. 100 607, class F 28 F, 1/10 a pipe with a developed internal surface intended mainly for shell and tube heat exchangers. It is equipped with an insert with a radial-star shape, characterized by the fact that the insert consists of two symmetrical sets of groove elements inserted one into the other, with each set of trough elements having different angles of the side walls. . Trough elements with a smaller flare angle are placed in trough elements with a greater flare angle. Additionally, a flat diagonal partition separating two symmetrical sets of trough elements is embedded in the pipe axis. It is also known from the application in the Polish People's Republic of Poland, No. P-212 126, class F 28 F, a flow turbulizer placed inside the circular pipe. It is a spiral wound belt with a wavy surface. The dorsal edges of the helix rest against the inner surface of the tube. The presented solutions of turbulators placed inside the exchanger pipes intensify the heat penetration only due to the component of the fluid rotation vector in the direction of the transferred heat stream. The other components do not affect the heat exchange intensity and most often they reduce it. When the described turbulators are used, a significant part of the mechanical energy supplied to the system dissipates and has no influence on the increase in the intensity of heat penetration. Tubes with turbulators in the form of a rotating spiral or of a turbine propeller driven by a fluid stream are also known. Some pipes have various types of turbulating elements welded to the inner surface - wires or flat, smooth or perforated ribs, with incisions differently positioned in relation to the direction of flow. These structures, however, have too low intensification of heat penetration, resulting from both insufficient swirls and and the absence of strong radial flow velocity components. Their disadvantage is also the complex operation of mounting inside the pipe and the process of producing the inserts, the production of which requires expensive equipment. dividing the inside of the tube into equal chambers, creating a channel with an alternating pattern. The insert consists of parallel rows of flat valves in the form of geometric figures, at least two sides of which are rectilinear and mutually perpendicular, and one of the remaining sides has an arc outline with a radius approximately equal to the internal radius of the tube. The valves in a given row lie in one plane perpendicular to the tube axis and form a uniform spatial whole with perpendicular to them, cut from a sheet of metal tape, a flat, skeletal structure, with a width adjusted to the inner diameter of the tube. Relatively to each other, the valves are bent in opposite directions alternately in a given row and alternately on each successive transverse strip of the flat skeleton support structure, with each valve having one edge in common with a given transverse stripe. According to the invention, there is a heat exchanger tube with a turbulence insert, the supporting skeleton of which is in the form of a ladder. On each transverse strip of this structure, two tumblers with an arc cut perpendicular to the ladder are bent, the cut being parallel to the edge of the two tumblers, which edges lie on one straight line passing through the middle of the ladder width. Another variation of the structure according to the invention is that in which the supporting skeleton structure has the form of an elongated strip ribbed on both sides with the same transverse stripes, forming right angles with it. Each of the transverse strips has a valve bent in the shape of a circle segment with the apex angle of 90 °. The valves are bent in opposite directions relative to each other, alternately in a given row and alternately on each successive transverse bar. Yet another variation of the construction according to the invention is an ethane solution in which the skeleton structure has the form of a ladder, on which each transverse bar is bent three flat The two extreme valves are bent in the opposite direction to the central valve and have gaps perpendicular to the ladder, with the cut parallel to these Tcraweds of the two extreme valves that lie on straight extensions of the parallel edges of the central valve. 134 131 3 Constructions according to The invention is simple to implement and causes very intense mixing and disturbance of the flowing agent. Due to the chambers formed by alternately bent valves in a given row and alternately on each successive transverse strip of the support structure, the flow of the flowing medium is alternately split into at least two or three streams with a wavy flow direction, which are threaded together helically along the entire length of the pipe. The alternating channel profile will provide an undulating flow of medium with an alternately widening and narrowing stream. The high degree of turbulence of the medium stream obtained in this way increases the coefficient of heat penetration into the space absorbing the heat. transferred heat * When the tube with the turbulence element according to the invention is used in tubular recuperators, the efficiency of these heat exchangers is significantly increased. The turbulence insert can be fixed permanently or interchangeably, depending on the working conditions of the exchanger. The low cost and simplicity of the structure constitute an additional advantage of the described structures. The subject of the invention is shown in an exemplary embodiment in the drawing, in which f and g. 1 shows a heat exchanger tube with a turbulence insert with a ladder structure and two valves in a row, Fig. 2 a tube with an insert, the supporting structure of which is a ribbed longitudinal strip with two valves in a row, in the form of segments of a circle with an angle top 90 °, and fig. 3 a tube with a ladder structure and three valves in one row. The heat exchanger tube 1 has a turbulence insert that is stationary, permanently or interchangeable along its axis. The turbulence cartridge divides the interior of the tube 1 into equal chambers, forming a channel with an alternating profile. This insert consists of parallel rows of flat valves 21, two in each row, while these valves in a given row lie in one plane perpendicular to the axis of the tube 1 and create a uniform spatial whole from perpendicular to them, cut from a sheet of tape, flat, skeletal load-bearing structure 31 • This structure has the form of a ladder with a width adjusted to the inner diameter of the tube. The tabs 21 are bent in opposite directions, perpendicular to the load-bearing structure 31, alternately in a given row and alternately on each successive transverse strip 41 of the ladder. In general, the valves have the form of geometric figures, at least two sides of which are rectilinear and mutually perpendicular, and one of the others has an arch outline with a radius of approximately The angle equal to the internal radius of the tube 1. The valves have a gap cut perpendicular to the and the carrier 31, the cut being parallel to the edges of the two valves 21, which lie on one straight line passing through the center of the ladder width. In another embodiment, the skeleton structure 32 is in the form of an elongated strip 6 ribbed on both sides by transverse strips 42 forming with it simple katy. On each of the transverse strips 42 a valve 22 is bent in the shape of a segment with an apical angle of 90 °, and with a given strip 42, the valve 22 is attached to the common edge 52. Yet another construction variant is an exemplary embodiment of a heat exchanger tube according to the invention wherein the supporting structure 33 of the turbulence cartridge is in the form of a ladder. On each transverse bar 43 of the ladder, three valves, two extreme valves 23e and one central valve 23b are bent. The end valves 23a are bent in a given row in the opposite direction to the medial valve 23b. The valves 134 131 23a have cut gaps perpendicular to the ladder-like structure 33, the cut being parallel to the edges of the two end valves 23a that lie on the straight lines which are an extension of the parallel edge of the central valve 23b. With a given transverse stripe 43, each of the valves 23a and 23b has one common edge 53. EN