RU2039337C1

RU2039337C1 - Heat exchanging pipe

Info

Publication number: RU2039337C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Ильич Гомон; Генрих Александрович Дрейцер; Феликс Петрович Кирпичников; Раиса Александровна Навродская
Original assignee: Владимир Ильич Гомон; Генрих Александрович Дрейцер; Феликс Петрович Кирпичников; Раиса Александровна Навродская
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1995-07-09

Abstract

FIELD: heat exchanging engineering. SUBSTANCE: heat exchanging pipe has lateral outer ribs 2 and turbulizers 5 constructed as alternating projections made on the inner surface. The values of relative pitch of the turbulizers and pitch of the ribs are not the same and relate as 1.25-8.0. EFFECT: enhanced efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в теплообменной аппаратуре, применяемой в энергетике, химии и других отраслях народного хозяйства. The invention relates to heat exchange devices and can be used in heat exchange equipment used in energy, chemistry and other sectors of the economy.

Известны теплообменные трубы с наружным оребрением, у которых внутренняя поверхность трубы выполнена со спиральными выступами с заостренными кромками, а промежутки между ними имеют форму полусфер [1]
Недостатком такой трубы является невозможность достижения оптимальной эффективности из-за отсутствия увязки между геометрией и, следовательно, теплоэнергетической эффективностью снаружи трубы и геометрией и соответственно теплоэнергетической эффективностью внутри трубы, что приводит либо к увеличению гидравлического сопротивления внутри трубы, либо к уменьшению теплотехнической эффективности снаружи трубы, а следовательно, к общему снижению ее эффективности.Known heat exchange tubes with external fins, in which the inner surface of the pipe is made with spiral protrusions with pointed edges, and the spaces between them are in the form of hemispheres [1]
The disadvantage of such a pipe is the inability to achieve optimal efficiency due to the lack of coordination between the geometry and, therefore, the heat energy efficiency outside the pipe and the geometry and, accordingly, the heat energy efficiency inside the pipe, which either leads to an increase in hydraulic resistance inside the pipe or to a decrease in heat engineering efficiency outside the pipe, and consequently, to a general decrease in its effectiveness.

Известна также теплообменная труба с поперечными наружными ребрами, стенка которой выполнена постоянной толщины с чередующимися выступами и впадинами, у которой ребра своими основаниями установлены внутри выступов и имеют одинаковый с ним профиль в виде трапеции, направленной меньшим основанием к оси трубы [2]
Недостатком такой трубы является однозначность соответствия расположения турбулизатора и ребра, что приводит к явному увеличению гидравлического сопротивления внутри трубы и, следовательно, к снижению ее эффективности.A heat exchange tube with transverse outer ribs is also known, the wall of which is made of constant thickness with alternating protrusions and depressions, in which the ribs are installed inside the protrusions with their bases and have the same profile with it in the form of a trapezoid directed by a smaller base to the pipe axis [2]
The disadvantage of such a pipe is the unambiguous correspondence of the location of the turbulator and the ribs, which leads to a clear increase in hydraulic resistance inside the pipe and, therefore, to a decrease in its efficiency.

Наиболее близким к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является теплообменная труба с поперечными ребрами снаружи и спиральными выступами внутри, размещенными с шагом, равным 0,25-0,45 внутреннего диаметра трубы и с разной высотой смежных выступов внутри трубы, которые отличаются в два раза [3]
Достоинством данной конструкции по сравнению с предыдущими является попытка частичной оптимизации геометрии турбулизаторов внутри трубы. Однако и в ней отсутствует увязка между геометрией наружных ребер и геометрией внутренних турбулизаторов, что уменьшает ее эффективность, в особенности в условиях охлаждения парогазовой смеси ниже температуры точки росы содержащихся в этой смеси водяных паров, когда образуется значительное число конденсата. Этот конденсат заполняет пространство между ребрами и при недостаточно хорошо организованном его удалении повышает температуру ребра трубы, а следовательно, снижает его эффективность. В определенных случаях это может привести к повышению температуры ребра выше точки росы, т.е. к неэффективному сухому теплообмену.The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a heat exchange pipe with transverse ribs on the outside and spiral protrusions inside, placed with a step equal to 0.25-0.45 of the inner diameter of the pipe and with different heights of adjacent protrusions inside the pipe, which differ in two times [3]
The advantage of this design compared to the previous ones is an attempt to partially optimize the geometry of the turbulators inside the pipe. However, there is no correlation between the geometry of the outer ribs and the geometry of the internal turbulators, which reduces its effectiveness, especially when the vapor-gas mixture is cooled below the dew point of the water vapor contained in this mixture, when a significant amount of condensate forms. This condensate fills the space between the ribs and when not well organized removes it increases the temperature of the pipe ribs, and therefore reduces its effectiveness. In certain cases, this can lead to an increase in rib temperature above the dew point, i.e. to inefficient dry heat transfer.

Цель изобретения повышение эффективности конденсации водяных паров путем установления оптимальной связи между геометрией оребрения снаружи трубы и геометрией кольцевых турбулизаторов внутри трубы. The purpose of the invention is to increase the efficiency of condensation of water vapor by establishing the optimal connection between the geometry of the fins on the outside of the pipe and the geometry of the ring turbulators inside the pipe.

В теплообменной трубе с поперечными наружными ребрами и турбулизаторами в виде чередующихся выступов на внутренней поверхности поставленная цель достигается тем, что величины относительного шага турбулизаторов и относительного шага ребер неравны и соотносятся между собой как (t_т/D):(t_р/D_н) 1,5-5, где t_т шаг турбулизаторов; t_р шаг ребер; D внутренний диаметр трубы, D_н наружный диаметр трубы у основания оребрения.In a heat exchange tube with transverse outer ribs and turbulators in the form of alternating protrusions on the inner surface, the goal is achieved by the fact that the values of the relative step of the turbulators and the relative step of the ribs are unequal and are related to each other as (t _t / D) :( t _p / D _n ) 1,5-5, where t _t step turbulators; t _p step of the ribs; D the inner diameter of the pipe, D _{n the} outer diameter of the pipe at the base of the fin.

Максимальная эффективность теплообменной трубы обычно достигается при равенстве коэффициентов теплоотдачи внутри и снаружи трубы и естественно высоком абсолютном уровне их значений. Оребрение способствует выравниванию коэффициентов теплоотдачи, как бы увеличивая теплоотдачу с наружной, т.е. с газовой стороны. The maximum efficiency of the heat exchange pipe is usually achieved when the heat transfer coefficients are equal inside and outside the pipe and a naturally high absolute level of their values. The fins help to equalize the heat transfer coefficients, as if increasing the heat transfer from the outside, i.e. from the gas side.

Коэффициент оребрения зависит как от высоты ребер, так и от их шага. С увеличением высоты ребра падает его эффективность из-за изменения температуры по мере удаления от его основания. В данном случае температура повышается, а это приводит не только к снижению получения явного количества теплоты за счет уменьшения разности температур, но и за счет того, что температура части ребра может быть выше температуры точки росы, что приводит к режиму без конденсации (сухому режиму). Уменьшение шага приводит к увеличению коэффициента оребрения. Но, начиная с определенного значения шага, в условиях конденсации начинают влиять капиллярные силы, способствующие торможению (задержанию) жидкости (конденсата) между ребрами, а следовательно, увеличивая его температуру и фактически уменьшая поверхность нагрева теплообменной трубы. Кроме того, важно и соответствующее значение коэффициента теплоотдачи внутри трубы, от которого зависит температура ребра, а следовательно, и количество сконденсированных водяных паров и соответственно коэффициент теплопередачи и эффективность теплообменной трубы. Оптимальное соотношение геометрии кольцевых турбулизаторов внутри труб и ребер снаружи труб позволяет, во-первых, приблизить значения коэффициентов теплоотдачи снаружи и внутри труб друг к другу и, во-вторых, снизить температуру ребер, способствуя тем самым увеличению конденсации водяных паров, и создать условия для эффективной эвакуации (удаления) конденсата вопреки действию капиллярных сил, что в комплексе существенно увеличивает эффективность теплообменной трубы в условиях глубокого охлаждения газов, содержащих водяные пары. The finning coefficient depends on both the height of the ribs and their pitch. With an increase in the height of the rib, its efficiency decreases due to a change in temperature with distance from its base. In this case, the temperature rises, and this leads not only to a decrease in the apparent amount of heat due to a decrease in the temperature difference, but also due to the fact that the temperature of a part of the rib can be higher than the dew point temperature, which leads to a non-condensing mode (dry mode) . A decrease in pitch leads to an increase in the finning coefficient. But, starting from a certain value of the step, under conditions of condensation, capillary forces begin to affect the braking (retention) of the liquid (condensate) between the ribs, and therefore, increasing its temperature and actually reducing the heating surface of the heat exchanger pipe. In addition, the corresponding value of the heat transfer coefficient inside the pipe, on which the temperature of the rib depends, and therefore the amount of condensed water vapor and, accordingly, the heat transfer coefficient and the efficiency of the heat transfer pipe, is also important. The optimal ratio of the geometry of the ring turbulators inside the pipes and the ribs outside the pipes allows, firstly, to bring the values of the heat transfer coefficients outside and inside the pipes to each other and, secondly, to reduce the temperature of the ribs, thereby contributing to an increase in condensation of water vapor, and create conditions for effective evacuation (removal) of condensate in spite of the action of capillary forces, which in combination significantly increases the efficiency of the heat exchange pipe under conditions of deep cooling of gases containing water vapor.

Как показывают расчеты, величину теплового потока q в теплообменной трубе с поперечными ребрами снаружи трубы и кольцевыми турбулизаторами внутри трубы (в применяемом диапазоне относительных шагов от 0,20 до 1,0) можно представить в виде графика зависимости q от соотношения значений относительных шагов ребер и турбулизаторов при оптимальных, поддающихся расчетам остальных параметров турбулизаторов и ребер (например, относительная высота турбулизаторов и высота ребра). Результаты расчетов приведены на графике (фиг. 2). As the calculations show, the value of the heat flux q in a heat exchange pipe with transverse ribs outside the pipe and ring turbulators inside the pipe (in the applicable range of relative steps from 0.20 to 1.0) can be represented as a graph of q versus the ratio of the values of the relative steps of the ribs and turbulizers with optimal, calculable other parameters of the turbulators and ribs (for example, the relative height of the turbulators and the height of the ribs). The calculation results are shown in the graph (Fig. 2).

Меньший предел по соотношению на этом графике определен исходя из технологоэнергетических (экономических) соображений. Минимальное относительное значение шага турбулизаторов внутри трубы с учетом энергетической эффективности, а также технологичности изготовления не превышает t_т/D_н 0,2. Для минимальных значений внутреннего диаметра основных труб, практически используемых в ребристых трубах, D 10 мм, абсолютное значение шага турбулизаторов 2 мм. Эта величина совпадает практически с предельными возможностями изготовления оребренных труб по шагу, т.е. также 2 мм. Таким образом, соотношение абсолютных значений шагов турбулизаторов и ребер очень близко к t_т/t_р 1,0. Однако в пересчете на относительные величины шагов 1,2-1,25 это соотношение приближается к минимальному значению 1,2-1,25. Например, для трубы внутренним диаметром D 10 мм и толщиной стенки 1 мм t_т/D 2/12 0,166≈0,17. При этом значение диаметра трубы у основания ребер составит как минимум D_н12 + 3 15 мм. Тогда t_р/D_н 0,13. Соотношение (t_т/D)/(t_р/D_н) 1,248≈1,25.A smaller limit on the ratio in this graph is determined on the basis of technological energy (economic) considerations. The minimum relative value of the step of the turbulators inside the pipe, taking into account the energy efficiency, as well as the manufacturability of the production does not exceed t _t / D _n 0.2. For the minimum values of the inner diameter of the main pipes, which are practically used in ribbed pipes, D 10 mm, the absolute value of the step of the turbulators is 2 mm. This value coincides practically with the limiting possibilities of manufacturing finned tubes in steps, i.e. also 2 mm. Thus, the ratio of the absolute values of the steps of the turbulators and the ribs is very close to t _t / t _p 1,0. However, in terms of relative values of steps 1.2-1.25, this ratio approaches the minimum value of 1.2-1.25. For example, for a pipe with an inner diameter of D 10 mm and a wall thickness of 1 mm, t _t / D 2/12 0.166≈0.17. The value of the diameter of the pipe at the base of the ribs will be at least D _n 12 + 3 15 mm Then t _p / D _n 0.13. The ratio (t _t / D) / (t _p / D _n ) 1,248≈1,25.

На графике ордината, соответствующая значению (t_т/D)/(t_р/D_н) 1,25, составляет около 90% максимального значения теплового потока. Такая же величина снижения теплового потока по сравнению с максимальным значением q принята и для ограничения значений величины (t_т/D)/(t_р/D_н) c большей стороны. Полученное значение составляет 8,2≈8,0. Эти пределы и выбраны границами заявленного интервала.On the ordinate graph, the corresponding value (t _t / D) / (t _p / D _n ) 1.25 is about 90% of the maximum heat flux. The same value of the decrease in heat flux compared with the maximum value of q is accepted and to limit the values of (t _t / D) / (t _p / D _n ) from the larger side. The resulting value is 8.2≈8.0. These limits are selected by the boundaries of the declared interval.

Не выявлено известных технических решений, которым отличительные признаки заявляемого объекта придавали бы свойства, идентичные свойствам, придаваемым заявляемому объекту. There are no known technical solutions to which the distinguishing features of the claimed object would impart properties identical to those attached to the claimed object.

На фиг. 1 схематически изображена теплообменная труба с поперечными наружными ребрами и кольцевыми турбулизаторами на внутренней поверхности трубы, у которой величины шага кольцевых турбулизаторов и шага ребер соотносятся между собой как (t_т/D)/(t_р/D_н) 1,5-5; на фиг. 2 приведен график зависимости теплового потока в теплообменной трубе от соотношения (t_т/D)/(t_р/D_н).In FIG. 1 schematically shows a heat exchange pipe with transverse outer ribs and annular turbulators on the inner surface of the pipe, in which the step values of the annular turbulators and the step of the ribs are related to each other as (t _t / D) / (t _p / D _n ) 1,5-5; in FIG. 2 shows a graph of the dependence of the heat flux in the heat exchange pipe on the ratio (t _t / D) / (t _p / D _n ).

Изображенная на фиг. 1 теплообменная труба имеет стенку с наружной поверхностью 1, выполненной в виде ребер 2 и межреберного пространства 3 и внутренней поверхностью 4, выполненной с кольцевыми турбулизаторами 5 в виде чередующихся выступов. Depicted in FIG. 1, the heat exchange tube has a wall with an outer surface 1 made in the form of ribs 2 and intercostal space 3 and an inner surface 4 made with annular turbulators 5 in the form of alternating protrusions.

Теплообменная труба работает следующим образом. Охлаждаемый теплоноситель в виде парогазовой смеси, содержащей до 15% водяных паров, движется поперек теплообменной трубы, соприкасаясь непосредственно с ребрами 2. Внутри трубы поперек турбулизаторов 5 движется охлаждаемый теплоноситель вода, которая воспринимает теплоту, переданную через ребра 2 и стенки трубы парогазовой смесью. При этом парогазовая смесь охлаждается и при определенных температурах охлаждающей воды и геометрии трубы осуществляется охлаждение ее ниже значения температуры, при котором происходит конденсация водяных паров и выпадение их в виде капель в межреберное пространство 3 трубы, откуда они затем удаляются благодаря гравитационным силам и их соотношению с действующими капиллярными силами, которые стремятся удержать жидкость в межреберном пространстве 3. The heat transfer pipe operates as follows. The cooled heat carrier in the form of a gas-vapor mixture containing up to 15% water vapor moves across the heat exchange pipe in contact with the ribs 2. Inside the pipe, the cooled heat carrier moves water across the turbulators 5, which receives the heat transferred through the ribs 2 and the pipe wall with the gas-vapor mixture. In this case, the gas-vapor mixture is cooled and, at certain temperatures of the cooling water and the pipe geometry, it is cooled below the temperature at which water vapor condenses and drops in the form of droplets into the intercostal space 3 of the pipe, from where they are then removed due to gravitational forces and their ratio with acting capillary forces that tend to retain fluid in the intercostal space 3.

Как следует из фиг. 2 в теплообменной трубе, выполненной по заявляемым рекомендациям (t_т/D)/(t_р/D_н) 1,25.8, достигается величина теплового потока на уровне не ниже 90% от максимального во всем практически применяемом диапазоне шагов турбулизаторов t_т/D (0,2-1,0).As follows from FIG. 2 in a heat exchange pipe made according to the claimed recommendations (t _t / D) / (t _p / D _n ) 1.25.8, the heat flux is reached at a level of not less than 90% of the maximum in the entire practically applied range of steps of t _t / D turbulators (0.2-1.0).

Благодаря заявляемому интервалу оптимальных соотношений относительных значений шагов ребер и турбулизаторов при оптимальных значениях остальных геометрических параметров оребрения и турбулизаторов достигается, во-первых, максимальный коэффициент теплопередачи, а следовательно, максимальный тепловой поток через теплообменную трубу, который определяется эффективным соотношением коэффициентов теплоотдачи с обеих сторон теплообменной трубы, во-вторых, при этом максимальном значении коэффициента теплопередачи достигается снижение по сравнению с прототипом температуры ребер, способствующее более интенсивной конденсации содержащихся в газах водяных паров и нормальная эвакуация полученного конденсата, что в комплексе повышает эффективность теплообменной трубы. Due to the claimed interval of optimal ratios of the relative values of the steps of the ribs and turbulators at the optimal values of the remaining geometric parameters of the fins and turbulators, firstly, the maximum heat transfer coefficient is achieved, and therefore, the maximum heat flux through the heat exchange pipe, which is determined by the effective ratio of heat transfer coefficients on both sides of the heat exchange pipe, secondly, with this maximum value of the heat transfer coefficient, a reduction is achieved compared with the prototype of the temperature of the ribs, contributing to a more intense condensation of the water vapor contained in the gases and the normal evacuation of the resulting condensate, which in combination increases the efficiency of the heat transfer pipe.

Claims

HEAT EXCHANGE PIPE with transverse ribs and turbulators in the form of alternating protrusions on the inner surface of the pipe, the relative pitch of which is different from the relative pitch of the ribs, characterized in that, in order to increase the efficiency of condensation of water vapor, the ratio of the pitch of the turbulators to the inner diameter of the pipe is 1.25 8 0 ratio of the step of the ribs to the outer diameter of the pipe.