RU2039335C1 - Heat exchanging pipe - Google Patents

Heat exchanging pipe Download PDF

Info

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
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Ильич Гомон
Генрих Александрович Дрейцер
Александр Сергеевич Мякочин
Original Assignee
Владимир Ильич Гомон
Генрих Александрович Дрейцер
Александр Сергеевич Мякочин
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 Владимир Ильич Гомон, Генрих Александрович Дрейцер, Александр Сергеевич Мякочин filed Critical Владимир Ильич Гомон
Priority to SU5054104 priority Critical patent/RU2039335C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2039335C1 publication Critical patent/RU2039335C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: heat exchanging engineering. SUBSTANCE: heat exchanging pipe has ring turbulizers-grooves 1 and answered ring turbulizers- projections 2 of smooth profile. The turbulizers are made up as two arcs: first streamwise arc 3 and second streamwise arc 4 which are conjugated at the top 5 of projection 2. The arcs have smooth parts 6 between the turbulizers. The radius of the first arc 3 is differ from the radius of the second arc 4. The optimal range of the radii is presented in the invention description. EFFECT: improved design. 2 dwg

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 +

Figure 00000002

R2/D 0,25 (1 d/D)(1+A2 2) с интервалом значений
для
Figure 00000003
2,0 +
Figure 00000004
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 +
Figure 00000002

R 2 / D 0.25 (1 d / D) (1 + A 2 2 ) with an interval of values
for
Figure 00000003
2.0 +
Figure 00000004
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

Figure 00000005

Учитывая, что высота выступа равна полуразности значений диаметров трубы в месте выступа d и на гладком участке D, можно записать
h
Figure 00000006
0,5D
Figure 00000007
1-
Figure 00000008

Тогда предыдущее выражение преобразовывается к виду
A
Figure 00000009
Figure 00000010

(а)
Возводя в квадрат обе части полученного уравнения и решив его относительно R, получают
R 0,25 · D
Figure 00000011
1-
Figure 00000012
A2 + 1
Figure 00000013

(b) или в относительных величинах
Figure 00000014
0,25
Figure 00000015
1-
Figure 00000016
A2 + 1
Figure 00000017

(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
Figure 00000005

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
Figure 00000006
0,5D
Figure 00000007
1-
Figure 00000008

Then the previous expression is converted to
A
Figure 00000009
Figure 00000010

(a)
By squaring both sides of the resulting equation and solving it with respect to R, we get
R 0.25 D
Figure 00000011
1-
Figure 00000012
A 2 + 1
Figure 00000013

(b) or in relative terms
Figure 00000014
0.25
Figure 00000015
1-
Figure 00000016
A 2 + 1
Figure 00000017

(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=

Figure 00000018
Figure 00000019

Тогда Rмакс можно определить из выражения
Figure 00000020
0,25
Figure 00000021
1-
Figure 00000022
+ 1
Figure 00000023

Минимальное значение R определяется конструктивно-технологическими возможностями:
Rminrн+δ где δ- толщина стенки трубы.A max =
Figure 00000018
Figure 00000019

Then R max can be determined from the expression
Figure 00000020
0.25
Figure 00000021
1-
Figure 00000022
+ 1
Figure 00000023

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-grooves 1 and their corresponding annular turbulators, protrusions 2 of a smooth profile, consisting of two circular arcs: the first along the flow 3 and the second along the flow 4, conjugated at the upper point (top) 5 of the protrusion 2, as well as smooth sections 6 between the 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 stream 3 and the second along the stream 4, l of the hemichord of the circular arc (for the arc of the first along the flow ll 1 , for the second along the flow ll 2 ), h height of the turbulence protrusion at the junction point of the arcs; d the diameter of the pipe in place of the turbulator; D the diameter of the pipe in place of a smooth section; δ is the pipe wall thickness; r is the radius of the arc of the circle forming the turbulizer-groove (respectively, the arcs of the turbulizer-protrusions r 1 and r 2 ).

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 turbulator 3, made in the form of a circular arc of radius R 1 , and then passes through the upper point (top) 5 of the protrusion 2 and washes the back part of the profile of the turbulator 4, made in the form of an arc of a circle of radius R 2 . Moreover, due to a certain (smooth) configuration of the protrusion profile corresponding to the claimed optimal range of values of R 1 and R 2 , separation zones are formed in front of and after the turbulator, in which there are no visible two-dimensional vortices. When the incident flow turns onto a smoothly defined protrusion, a system of three-dimensional vortices arises (it is possible to form a system of three-dimensional vortices in combination with a small vortex behind the protrusion), which determines the increased generation of turbulence at the upper boundary of the vortex zone. The absence of two-dimensional vortices reduces the hydraulic (aerodynamic) resistance inside the heat exchange tube, since the additional energy of the averaged flow is spent only on maintaining the specified system of vortices. At the same time, the intensification of heat transfer (an increase in the heat transfer coefficient) can outstrip the increase in hydraulic (aerodynamic) resistance.

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)

ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА с кольцевыми турбулизаторами-канавками несимметричного поперечного профиля и соответствующими им кольцевыми турбулизатора-выступами на внутренней поверхности, причем упомянутый профиль образован двумя сопряженными между собой в экстремальной точке участками, один из которых выполнен в виде дуги кривой линии и расположен первым по ходу теплоносителя, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности теплообменной трубы путем уменьшения гидравлического сопротивления, участки профиля турбулизатора-выступа выполнены в виде дуг окружностей разного радиуса, причем интервал оптимальных величин значений радиусов определяется из следующих зависимостей:
Figure 00000024

Figure 00000025

Figure 00000026

Figure 00000027

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:
Figure 00000024

Figure 00000025

Figure 00000026

Figure 00000027

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.
SU5054104 1992-07-08 1992-07-08 Heat exchanging pipe RU2039335C1 (en)

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)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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