RU2039335C1 - Heat exchanging pipe - Google Patents
Heat exchanging pipe Download PDFInfo
- Publication number
- RU2039335C1 RU2039335C1 SU5054104A RU2039335C1 RU 2039335 C1 RU2039335 C1 RU 2039335C1 SU 5054104 A SU5054104 A SU 5054104A RU 2039335 C1 RU2039335 C1 RU 2039335C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipe
- profile
- protrusion
- arc
- turbulators
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в теплообменной аппаратуре, применяемой в энергетике, строительстве, химии, криогенной технике и других отраслях народного хозяйства. The invention relates to heat exchange devices and can be used in heat exchange equipment used in energy, construction, chemistry, cryogenic technology and other sectors of the economy.
Известна теплообменная труба с кольцевыми турбулизаторами канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности, у которой выступы имеют высоту, в 1,25-2,5 раза меньшую глубины канавок [1] У таких труб в большинстве диапазонов чисел Рейнольдса, относительных значений шагов и высот выступа рост гидравлического сопротивления опережает рост теплоотдачи на существенную величину за счет относительно заостренной формы поперечного профиля турбулизатора, что снижает ее эффективность. Known heat exchange pipe with annular turbulators grooves on the outer surface and the corresponding protrusions on the inner surface, in which the protrusions have a height 1.25-2.5 times less than the depth of the grooves [1] Such pipes in most ranges of Reynolds numbers, relative values steps and heights of the protrusion, the increase in hydraulic resistance outstrips the increase in heat transfer by a significant amount due to the relatively pointed shape of the transverse profile of the turbulator, which reduces its effectiveness.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является теплообменная труба с канавками и соответствующими им выступами на наружной и внутренней поверхностях, размещенных с заданным шагом вдоль трубы и разделенных гладкими участками, причем каждая канавка (выступ) соединена с соответствующим гладким участком отрезком прямой, расположенным к продольной оси трубы с уклоном, составляющим у наружной канавки не менее чем 2:1, а у внутренней не более 1:2 [2] Однако попытка улучшить его форму лишь с помощью регламентации величины уклона линии соединения вершины выступа с гладким участком трубы без учета влияния шага турбулизатора и их глубины является недостаточной. The closest in technical essence and the achieved result to the proposed one is a heat exchange pipe with grooves and corresponding protrusions on the outer and inner surfaces placed with a given step along the pipe and separated by smooth sections, each groove (protrusion) connected to the corresponding smooth section by a straight line segment. located to the longitudinal axis of the pipe with a slope of at least 2: 1 at the outer groove and no more than 1: 2 at the inner groove [2] However, an attempt to improve its shape only with the help of mentation magnitude bias line protrusion peaks compound with a smooth pipe section without influence turbulator pitch and their depth is insufficient.
При обтекании потоком прямоугольного выступа турбулизатора перед ним и за ним образуются две в общем случае несимметричные вихревые зоны, содержащие в зависимости от формы выступа и его размеров три области: трехмерную, характеризующуюся наличием одного или нескольких вихрей с осями, перпендикулярными к боковым стенкам, двухмерную с наличием двухмерного вихря и трехмерную нестационарную область. На верхней границе трехмерной зоны имеет место максимальная выработка турбулентности; здесь же больших значений достигает турбулентное касательное напряжение. Затраты энергии потока на преодоление гидравлического сопротивления уступа расходуются на поддержание вихревых зон и в итоге на увеличение турбулентности потока. When a turbulent rectangular protrusion flows around the stream, two generally asymmetric vortex zones are formed in front of and behind it, depending on the shape of the protrusion and its size, three regions: three-dimensional, characterized by the presence of one or more vortices with axes perpendicular to the side walls, two-dimensional with the presence of a two-dimensional vortex and a three-dimensional non-stationary region. At the upper boundary of the three-dimensional zone, there is a maximum generation of turbulence; here, turbulent shear stress reaches large values. The energy costs of the flow to overcome the hydraulic resistance of the ledge are spent on maintaining the vortex zones and, as a result, on increasing the turbulence of the flow.
При плавной форме выступа интенсивность выработки турбулентности выше, а размеры вихревых зон значительно меньше, что уменьшает гидравлические потери при том же уровне турбулентности в пристенной области. Более того при определенной плавности профиля выступов перед ними и после них могут не образовываться двухмерные вихри, а выработка турбулентности определяется в основном системой трехмерных вихрей, которые образуются при повороте набегающего на выступ потока. При такой структуре потока требуется значительно меньше затрат энергии. With a smooth protrusion shape, the intensity of turbulence generation is higher, and the size of the vortex zones is much smaller, which reduces hydraulic losses at the same level of turbulence in the near-wall region. Moreover, with a certain smoothness of the profile of the protrusions in front of and after them, two-dimensional vortices may not form, and the generation of turbulence is determined mainly by a system of three-dimensional vortices, which are formed when the flow incident on the protrusion is turned. With this flow structure, significantly less energy is required.
В известной конструкции определенная плавность достигается лишь при набегании потока на турбулизатор, после чего имеет место глубокая впадина с вихревой зоной, более значительной чем даже в описанной уже конструкции теплообменной трубы по [1] В такой зоне кроме нежелательных двухмерных вихрей возможно образование также и одинокого вихря на две впадины, что, как уже указывалось, приводит к нецелесообразному (неадекватному) росту гидравлического сопротивления. In the known construction, a certain smoothness is achieved only when the flow runs onto the turbulator, after which there is a deep hollow with a vortex zone, more significant than even in the heat exchange tube design described above according to [1] In this zone, in addition to undesirable two-dimensional vortices, a lone vortex can also be formed into two depressions, which, as already indicated, leads to an inexpedient (inadequate) increase in hydraulic resistance.
Цель изобретения повышение эффективности теплообменной трубы за счет уменьшения ее гидравлического (аэродинамического) сопротивления. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the heat transfer pipe by reducing its hydraulic (aerodynamic) resistance.
В теплообменной трубе с кольцевыми турбулизаторами-канавками снаружи и соответствующими им кольцевыми турбулизаторами-выступами внутри эта цель достигается тем, что образующийся при продольном разрезе трубы поперечный профиль турбулизатора-выступа выполнен состоящим из двух дуг окружностей, сопряженных в верхней точке (вершине) выступа-турбулизатора, причем передняя по отношению к движущемуся потоку дуга выполнена радиусом R1, а дальняя радиусом R2, а интервал оптимальных величин значений радиусов определяется из зависимостей
R1/D 0,25(1-d/D)(1+A1 2) c интервалом значений для A1= 1 +
R2/D 0,25 (1 d/D)(1+A2 2) с интервалом значений
для 2,0 + где D внутренний диаметр трубы в месте между турбулизаторами-выступами;
d внутренний диаметр трубы в месте расположения турбулизатора;
t шаг турбулизаторов.In a heat-exchange pipe with annular turbulators-grooves on the outside and corresponding annular turbulators-protrusions inside, this goal is achieved by the fact that the transverse profile of the turbulizer-protrusion formed during a longitudinal section of the pipe is made up of two circular arcs conjugated at the top point (top) of the protrusion-turbulator moreover, the front arc with respect to the moving flow is made with a radius R 1 , and the far one with a radius R 2 , and the interval of optimal values of the radii is determined from the dependencies
R 1 / D 0.25 (1-d / D) (1 + A 1 2 ) with an interval of values for A 1 = 1 +
R 2 / D 0.25 (1 d / D) (1 + A 2 2 ) with an interval of values
for 2.0 + where D is the inner diameter of the pipe in place between the turbulence protrusions;
d the inner diameter of the pipe at the location of the turbulator;
t step turbulators.
Выполненный по приведенному выше закону профиль турбулизатора является значительно более плавным, чем в прототипе и аналоге. Образующиеся при такой форме профиля отрывные зоны до и после турбулизатора состоят преимущественно только из трехмерных вихрей, определяющих повышенную выработку турбулентности на верхней границе вихревых зон. При этом двухмерные вихри, повышающие гидравлическое сопротивление, но мало влияющие на теплообмен, практически отсутствуют. Performed according to the above law, the profile of the turbulator is much smoother than in the prototype and analogue. Separation zones formed with this form of profile before and after the turbulizer consist mainly of only three-dimensional vortices, which determine the increased generation of turbulence at the upper boundary of the vortex zones. In this case, two-dimensional vortices that increase the hydraulic resistance, but have little effect on heat transfer, are practically absent.
Длину l полухорды любой из двух дуг окружности, формирующих профиль выступа, можно выразить через радиус окружности R и высоту выступа-турбулизатора h (по теореме Пифагора):
l
Учитывая, что высота выступа равна полуразности значений диаметров трубы в месте выступа d и на гладком участке D, можно записать
h 0,5D1-
Тогда предыдущее выражение преобразовывается к виду
A
(а)
Возводя в квадрат обе части полученного уравнения и решив его относительно R, получают
R 0,25 · D1- A2 + 1
(b) или в относительных величинах
0,25 1- A2 + 1
(c)
В пределе в трубе с кольцевыми турбулизаторами
lмакс 0,5t, где t шаг турбулизаторов, т.е.The length l of the semi-chord of any of the two circular arcs forming the protrusion profile can be expressed in terms of the radius of the circle R and the height of the protrusion-turbulator h (according to the Pythagorean theorem):
l
Given that the height of the protrusion is equal to the half-difference of the pipe diameters in the place of the protrusion d and on the smooth section D, we can write
h 0,5D 1-
Then the previous expression is converted to
A
(a)
By squaring both sides of the resulting equation and solving it with respect to R, we get
R 0.25 D 1- A 2 + 1
(b) or in relative terms
0.25 1- A 2 + 1
(c)
In the limit in a pipe with annular turbulators
l max 0,5t, where t is the step of the turbulators, i.e.
Aмакс=
Тогда Rмакс можно определить из выражения
0,25 1- + 1
Минимальное значение R определяется конструктивно-технологическими возможностями:
Rminrн+δ где δ- толщина стенки трубы.A max =
Then R max can be determined from the expression
0.25 1- + 1
The minimum value of R is determined by the design and technological capabilities:
R min r n + δ where δ is the pipe wall thickness.
Учитывая, что rн≈0,5δ,
Rмин 0,5δ + δ= 1,5δ
Более плавный выступ возможен лишь при R>Rмин.Given that r n ≈0.5δ,
R min 0.5δ + δ = 1.5δ
A smoother protrusion is possible only at R> R min .
Область оптимальных значений R1 и R2 находится в пределах между Rмин и Rмакс и определена на основании изучения результатов исследования структуры потока за выступами с профилями различной плавности.The range of optimal values of R 1 and R 2 is between R min and R max and is determined on the basis of studying the results of studying the flow structure behind protrusions with profiles of different smoothness.
Как показали проведенные исследования и анализ, оптимальные области значений R1 и R2 лежат в пределах заявляемых выражений.As shown by studies and analysis, the optimal range of values of R 1 and R 2 lie within the claimed expressions.
На фиг. 1 показан отрезок теплообменной трубы, продольный разрез; на фиг. 2 а, б результаты сравнительных исследований аэродинамического и гидравлического сопротивлений труб с кольцевыми турбулизаторами, выполненных по изобретению и применяемых на практике в настоящее время. In FIG. 1 shows a section of a heat exchanger pipe, a longitudinal section; in FIG. 2 a, b the results of comparative studies of the aerodynamic and hydraulic drag of pipes with annular turbulators, made according to the invention and currently used in practice.
Теплообменная труба имеет кольцевые турбулизаторы-канавки 1 и соответствующие им кольцевые турбулизаторы выступы 2 плавного профиля, состоящие из двух дуг окружности: первой по ходу потока 3 и второй по ходу потока 4, сопряженных в верхней точке (вершине) 5 выступа 2, а также гладкие участки 6 между турбулизаторами. The heat exchange tube has annular turbulators-
На фиг. 1 R1 и R2 радиусы дуг окружностей соответственно первой по ходу потока 3 и второй по ходу потока 4, l полухорда дуги окружности (для дуги первой по ходу потока l l1, для второй по ходу потока ll2), h высота турбулизатора-выступа в точке сопряжения дуг; d диаметр трубы в месте турбулизатора; D диаметр трубы в месте гладкого участка; δ- толщина стенки трубы; r- радиус дуги окружности, образующей турбулизатор-канавку (соответственно дугам турбулизаторов-выступов r1 и r2).In FIG. 1 R 1 and R 2 are the radii of the arcs of circles, respectively, of the first along the
Труба работает следующим образом. The pipe works as follows.
При движении теплоносителя внутри теплообменной трубы, т.е. поперек турбулизаторов-выступов 2, поток жидкости (газа) омывает вначале переднюю по потоку часть профиля турбулизатора 3, выполненного в виде дуги окружности радиусом R1, а затем переходит через верхнюю точку (вершину) 5 выступа 2 и омывает заднюю по потоку часть профиля турбулизатора 4, выполненного в виде дуги окружности радиусом R2. При этом благодаря определенной (плавной) конфигурации профиля выступа, соответствующей заявляемой оптимальной области значений R1 и R2, образуются отрывные зоны перед турбулизатором и после него, в которых отсутствуют видимые двухмерные вихри. При повороте набегающего потока на плавно очерченный выступ возникает система трехмерных вихрей (возможно образование системы из трехмерных вихрей в сочетании с небольшим вихрем за выступом), которая и определяет повышенную выработку турбулентности на верхней границе вихревой зоны. Отсутствие двухмерных вихрей снижает гидравлическое (аэродинамическое) сопротивление внутри теплообменной трубы, так как дополнительная энергия осредненного потока расходуется лишь на поддержание указанной системы вихрей. При этом интенсификация теплообмена (рост коэффициента теплоотдачи) может опережать рост гидравлического (аэродинамического) сопротивления.When the heat carrier moves inside the heat exchanger pipe, i.e. across the turbulizer-protrusions 2, the flow of liquid (gas) first washes the upstream part of the profile of the
Как следует из фиг. 2, гидравлическое и аэродинамическое сопротивление в трубах, профиль турбулизаторов, в которых выполнен по заявляемым рекомендациям (А 2,1--7,41) как на воздухе, так и на воде на 25-35% ниже, чем в трубах с профилем турбулизаторов, характеристики которых находятся вне заявляемых пределов (А1,79-2,0). При этом коэффициент теплоотдачи практически остается без изменений. As follows from FIG. 2, the hydraulic and aerodynamic drag in the pipes, the profile of the turbulators, in which, according to the claimed recommendations (A 2.1--7.41), both in air and in water is 25-35% lower than in pipes with a profile of turbulators , the characteristics of which are outside the claimed limits (A1.79-2.0). In this case, the heat transfer coefficient remains virtually unchanged.
Таким образом, применение трубы с профилем турбулизатора, выполненным по предлагаемому закону, позволяет существенно увеличить ее эффективность за счет снижения гидравлического сопротивления. Thus, the use of a pipe with a turbulator profile, made according to the proposed law, can significantly increase its efficiency by reducing hydraulic resistance.
Claims (1)
где D внутренний диаметр трубы на участке между выступами;
d минимальный внутренний диаметр трубы в зоне экстремальной точки профиля выступа;
t шаг турбулизаторов.HEAT EXCHANGE PIPE with annular turbulators-grooves of an asymmetric transverse profile and their corresponding annular turbulizer-protrusions on the inner surface, moreover, the said profile is formed by two sections conjugated at an extreme point, one of which is made in the form of an arc of a curve line and is located first along the coolant, characterized in that, in order to increase the efficiency of the heat transfer pipe by reducing hydraulic resistance, sections of the profile of the turbulator-protrusion in made in the form of arcs of circles of different radius, and the interval of optimal values of the values of the radii is determined from the following relationships:
where D is the inner diameter of the pipe in the area between the protrusions;
d minimum internal diameter of the pipe in the region of the extreme point of the protrusion profile;
t step turbulators.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5054104 RU2039335C1 (en) | 1992-07-08 | 1992-07-08 | Heat exchanging pipe |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5054104 RU2039335C1 (en) | 1992-07-08 | 1992-07-08 | Heat exchanging pipe |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2039335C1 true RU2039335C1 (en) | 1995-07-09 |
Family
ID=21609236
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5054104 RU2039335C1 (en) | 1992-07-08 | 1992-07-08 | Heat exchanging pipe |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2039335C1 (en) |
-
1992
- 1992-07-08 RU SU5054104 patent/RU2039335C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Авторское свидетельство СССР N 612142, кл. F 28F 1/42, опублик. 1978. * |
2. Авторское свидетельство СССР N 1071921, кл. F 28F 1/42, опублик. 1984. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5026232A (en) | Boundary layer devices | |
IE59880B1 (en) | Gas turbine engine casing with reduced surface drag | |
JP5539352B2 (en) | Channel system | |
US20070000651A1 (en) | An enhanced heat transfer tube with discrete bidirectionally inclined ribs | |
JPH08291988A (en) | Structure of heat exchanger | |
JPS6334393B2 (en) | ||
RU2039335C1 (en) | Heat exchanging pipe | |
Ma et al. | Numerical simulation study on the effect of spindle-shaped louver fins on heat transfer performance of wasp-waisted tube radiator | |
US20090090423A1 (en) | Method of forming a current that generates Tornado Like Jets (TLJ) embedded into the flow, and the surface for its implementation | |
SU591684A2 (en) | Corrugated insert for plate heat exchanger | |
CN211626218U (en) | H-shaped finned tube with turbulent flow cavity structure | |
RU2031348C1 (en) | Heat exchange surface | |
RU2675733C1 (en) | Heat exchanging surface | |
RU2502930C2 (en) | Double-pipe stream heat exchanger | |
CN212006886U (en) | Tube fin, heat exchanger and air conditioner | |
CN2716789Y (en) | An improved air preheater | |
JPS61280395A (en) | Heat transfer tube | |
RU2807858C1 (en) | Heat exchange surface for intensification of heat transfer of turbulent heat-transfer medium flow | |
US3847186A (en) | Corrugated conduit | |
SU1725062A1 (en) | Heat exchange pipe | |
RU2044248C1 (en) | Finned heat-exchange tube | |
RU2150644C1 (en) | Heat exchanger | |
CN2305644Y (en) | Irregular double metal finned pipe | |
JPS6341296A (en) | Hydrodynamic wall surface | |
CN211400925U (en) | Heat exchange tube, heat exchanger and air conditioner |