PL210933B1 - Pęczek żebrowy wymiennika ciepła - Google Patents

Abstract

Pęczek żebrowy (1) wymiennika ciepła składa się, z co najmniej dwóch rur (2), których osie są prostopadłe do kierunku (K) przepływu czynnika omywającego, w którym co najmniej jedna z rur (2) wyposażona jest, w co najmniej dwa zasadniczo naprzeciwległe wzdłużne żebra zewnętrzne (3, 4), których powierzchnie boczne są zasadniczo równoległe do kierunku (K) przepływu czynnika omywającego. Dla zmniejszenia ciężaru pęczka żebrowego (1), przy zachowaniu sprawności wymiennika ciepła, w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej ożebrowanej rury (2) pęczka żebrowego (1) grubość (G3) żebra napływowego (3) jest większa od grubości (G4) żebra spływowego (4) i/lub wysokość (H3) żebra napływowego (3) jest mniejsza od wysokości (H4) żebra spływowego (4). Korzystne jest zwłaszcza, żeby stosunek grubości (G3) do wysokości (H3) żebra napływowego (3) wynosił od 1,1 do 1,5 stosunku grubości (G4) do wysokości (H4) żebra spływowego (4).

Description

Przedmiotem wynalazku jest pęczek żebrowy wymiennika ciepła składający się z co najmniej dwóch rur, których osie są zasadniczo prostopadłe do kierunku przepływu czynnika omywającego, w którym co najmniej jedna z rur wyposaż ona jest w co najmniej dwa zasadniczo naprzeciwległe wzdłużne żebra zewnętrzne, których powierzchnie boczne są zasadniczo równoległe do kierunku przepływu czynnika omywającego.

Powszechnie znane są wymienniki ciepła zawierające pęczki żebrowe o różnej konfiguracji przestrzennej i różnych formach użebrowania.

Ożebrowane rury wymiany ciepła, mające płytowe żebra równoległe zarazem do osi wzdłużnej rury jak i kierunku przepływu czynnika omywającego przedstawiono na przykład w japońskim opisie patentowym JP 62252895. Rurowe wymienniki ciepła, których rury są wyposażone w dwa naprzeciwległe żebra wzdłużne o jednakowej geometrii, gdzie czynnik omywający także przepływa zasadniczo równolegle do osi rur wymiennika, przedstawiono na przykład w zgłoszeniu patentowym GB 644442.

Dla zwiększenia współczynnika wymiany ciepła rury mającej żebra w postaci promieniowo nacinanych pierścieni, której oś jest prostopadła do kierunku przepływu czynnika omywającego, w opisie patentowym JP 10238983 ujawniono rozwiązanie, w którym głębokość nacięć tych pierścieni po stronie napływowej jest różna od głębokości nacięć po stronie spływowej, a w szczególności zmienia się symetrycznie w zależności od kąta mierzonego względem kierunku przepływu czynnika omywającego rurę, przy czym najmniejszą głębokość mają wycięcia od strony napływu czynnika omywającego zaś największą głębokość mają żebra po stronie przeciwnej.

Celem wynalazku jest dostarczenie nowego typu pęczka żebrowego wymiennika ciepła, który byłby lżejszy od znanych pęczków żebrowych przy zachowaniu takiej samej sprawności wymiennika.

Wynalazcy nieoczekiwanie odkryli, że wartość współczynnika wnikania ciepła, który zależy między innymi od prędkości, kierunku i temperatury przepływu czynnika omywającego, jest większa dla żebra napływowego od odpowiadającej jej wartości dla żebra spływowego. W większości przebadanych przez wynalazców układów wartość współczynnika wnikania ciepła dla żebra napływowego zawierała się w zakresie od 1.2 do 1.5 wartości współczynnika wnikania ciepła dla żebra spływowego. W przypadku zastosowania rur mających takie same naprzeciwległe, wzdłużne żebra zewnętrzne, sprawność żebra napływowego była niższa od sprawności żebra spływowego w przybliżeniu o 5 do 10%.

Istotą wynalazku jest pęczek żebrowy wymiennika ciepła składający się z co najmniej dwóch rur, których osie są zasadniczo prostopadłe do kierunku przepływu czynnika omywającego, w którym co najmniej jedna z rur wyposażona jest w co najmniej dwa zasadniczo naprzeciwległe wzdłużne żebra zewnętrzne, których powierzchnie boczne są zasadniczo równoległe do kierunku przepływu czynnika omywającego, charakteryzujący się tym, że w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej ożebrowanej rury pęczka grubość żebra napływowego jest większa od grubości żebra spływowego i/lub wysokość żebra napływowego jest mniejsza od wysokości żebra spływowego.

Korzystne jest, aby co najmniej jedno żebro miało postać zasadniczo prostokątnej, płaskiej płytki.

Korzystne jest, aby stosunek grubości do wysokości żebra napływowego wynosił od 1.1 do 1.5 stosunku grubości do wysokości żebra spływowego.

W szczególności korzystne jest, aby wysokości żeber były równe, zaś grubość żebra napływowego wynosiła korzystnie od 1.1 do 1.5 grubości żebra spływowego.

Alternatywnie korzystne jest, aby grubości żeber były równe, zaś wysokość żebra napływowego wynosiła od 0.7 do 0.9 wysokości żebra spływowego.

Dzięki zmniejszeniu różnicy pomiędzy sprawnością żeber napływowych i spływowych, pęczek żebrowy według wynalazku umożliwia zoptymalizowanie zużycia materiału z jakiego wykonane jest ożebrowanie.

Pozwala to na zmniejszenie ciężaru ożebrowania przy zachowaniu niezmienionej sprawności wymiennika. Jest to szczególnie ważne w przypadku wykorzystania wynalazku do modernizacji istniejących wymienników, których konstrukcje wsporcze zostały najczęściej zaprojektowane do podtrzymywania nieożebrowanych pęczków rurowych. Przykładową operacją tego typu może być modernizacja podgrzewacza wody zasilającej kotła energetycznego, podwieszonego na stropie ciągu konwekcyjnego kotła za pomocą rur wieszakowych. W takim przypadku znaczne zwiększenie ciężaru pęczka wynikające z zainstalowania dodatkowego użebrowania o typowej, symetrycznej konstrukcji mogłoby prowadzić do konieczności przeprojektowania i przebudowy wielu podzespołów kotła. Natomiast

PL 210 933 B1 zastosowanie lżejszego ożebrowania według wynalazku umożliwia prostą i tanią modernizację takiego wymiennika.

Dodatkową zaletą wynalazku jest także zmniejszenie drgań pęczka, wynikające z asymetrii użebrowania utrudniającej powstanie zjawisk rezonansowych.

Wynalazek zaprezentowano w korzystnym przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny fragmentu przykładowego pęczka żebrowego według wynalazku o ukł adzie przestawnym.

Przedstawiony na rysunku fig. 1 pęczek żebrowy 1 wymiennika ciepła, zainstalowany na przykład w kanale spalin kotła energetycznego, składa się z sześciu równoległych rur 2 rozmieszczonych w ukł adzie przestawnym o podział ce poprzecznej D z przesunię ciem pionowym W wynoszą cym pół podziałki pionowej P pęczka żebrowego 1.

Każda z rur 2 pęczka żebrowego 1 jest wyposażona w ożebrowanie wzdłużne utworzone z żebra napływowego 3 i żebra spływowego 4. Żebra 3 i 4 mają formę prostokątnych, metalowych płytek o grubościach odpowiednio G3 i G4 i wysokościach wynoszących odpowiednio H3 i H4, przyspawanych do zewnętrznej powierzchni rur 2 pęczka żebrowego 1. Współpłaszczyznowe naprzeciwległe żebra 3 i 4 leżą w płaszczyźnie równoległej do kierunku K przepływu czynnika omywającego pęczek 1 wymiennika.

Dla uzyskania w przybliżeniu jednakowej sprawności żebra napływowego 3 i spływowego 4 możliwe jest zróżnicowanie odpowiednich wymiarów użebrowania przedstawionego na rysunku fig. 1.

Efekt wyrównania sprawności żeber osiąga się w wyniku modyfikacji polegającej na zróżnicowaniu grubości żeber i/lub ich wysokości w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej rury 2 pęczka żebrowego 1, a w szczególności na zwiększeniu grubości G3 żebra napływowego 3 w stosunku do grubości G4 żebra spływowego 4 i/lub zmniejszeniu wysokości H3 żebra napływowego 3 w stosunku do wysokości H4 żebra spływowego 4.

W szczególności zmniejszenie wysokości i/lub zwiększenie grubości ż ebra napływowego 3 powoduje, że żebro to uzyskuje lepsze właściwości przewodzenia strumienia cieplnego w porównaniu z żebrem spływowym 4, przez co wzrasta jego sprawność.

Przykładowe wymiary pęczka żebrowego pokazanego na rysunku fig. 1, o podziałce pionowej P = 120 mm i podziałce poziomej D = 75 mm przedstawiono w poniższych) przykładach:

P r z y k ł a d 1

Żebro	Grubość (G)	Wysokość (H)
napływowe (3)	4 mm	30 mm
spływowe (4)	3 mm	30 mm

P r z y k ł a d 2

Żebro	Grubość (G)	Wysokość (H)
napływowe (3)	4 mm	27 mm
spływowe (4)	4 mm	33 mm

P r z y k ł a d 3

Żebro	Grubość (G)	Wysokość(H)
napływowe (3)	3.5 mm	27 mm
spływowe (4)	3 mm	33 mm

Przedstawiona powyżej liczba, struktura oraz względne położenie rur tworzących pęczek podgrzewacza oraz liczba posiadanych przez nie żeber mogą być oczywiście dowolne i dostosowane w szczególnoś ci do miejsca zainstalowania podgrzewacza. Dla znawców dziedziny wynalazku oczywistym będzie ponadto, że efekt wyrównania sprawności żebra napływowego i spływowego będzie obserwowalny także w przypadku zastosowania innego rodzaju ożebrowania, na przykład ożebrowania z większą liczbą żeber, bądź zastosowania żeber, których przekrój poprzeczny będzie zróżnicowany wzdłuż osi wzdłużnej rury pęczka żebrowego.

Claims (4)

1. Pęczek żebrowy wymiennika ciepła składający się z co najmniej dwóch rur, których osie są zasadniczo prostopadłe do kierunku przepływu czynnika omywającego, w którym co najmniej jedna z rur wyposażona jest w co najmniej dwa zasadniczo naprzeciwległe wzdłuż ne żebra zewnętrzne, których powierzchnie boczne są zasadniczo równoległe do kierunku przepływu czynnika omywającego, znamienny tym, że w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej ożebrowanej rury (2) pęczka żebrowego (1) grubość (G3) żebra napływowego (3) jest większa od grubości (G4) żebra spływowego (4) i/lub wysokość (H3) żebra napływowego (3) jest mniejsza od wysokości (H4) żebra spływowego (4).

2. Pęczek żebrowy według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jedno żebro (3, 4) ma postać zasadniczo prostokątnej, płaskiej płytki.

3. Pęczek żebrowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosunek grubości (G3) do wysokości (H3) żebra napływowego (3) wynosi od 1.1 do 1.5 stosunku grubości (G4) do wysokości (H4) żebra spływowego (4).

4. Pęczek żebrowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że grubości (G3, G4) żeber (3, 4) są równe, zaś wysokość (H3) żebra napływowego (3) wynosi od 0.7 do 0.9 wysokości (H4) żebra spływowego (4).