RU2095720C1

RU2095720C1 - High-temperature heat-exchange tube

Info

Publication number: RU2095720C1
Application number: RU95117674A
Authority: RU
Inventors: А.В. Сударев; Б.В. Сударев; В.Б. Сударев; А.А. Кондратьев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ТАРК"
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1995-10-18
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: transport engineering. SUBSTANCE: heat-exchanger tube contains filling made from balls laid spirally and limited by fixed permeable washers. Outer surface of hollow balls-turbulators made from alumina boronitride ceramics is provided with relief in form of hemispherical dimples. Balls are located on wire spiral made from heat-resistant material and secured on permeable washers limiting the filling; on one washer it is secured by means of extension spring. EFFECT: enhanced reliability. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в транспортных энергетических установках, преимущественно с высокотемпературным газовым теплоносителем. The invention relates to a power system and can be used in transport power plants, mainly with high-temperature gas coolant.

Известна теплообменная труба с интесификаторами теплообмена, выполненными в виде неподвижной засыпки сплошных шаров одинакового диаметра, расположенных между ограничивающими их проницаемыми пластинами или сетками; диаметр шаров составляет 0,15 0,25 внутреннего диаметра трубы [1]
При работе теплоноситель омывает шары, турбулизируется, вытесняется шарами к стенке и движется возле нее с большей скоростью, чем в центре трубы, вследствие увеличения локальной порозности шаровой засыпки [2] Увеличению интенсивности теплообмена между стенкой трубы и теплоносителем способствует рост его пристенной скорости и повышение эффективности теплопроводности газового потока при наличии засыпки [3]
При указанном соотношении диаметров шара d и внутреннего диаметра трубы D для неподвижной засыпки, выполненной из сплошных металлических или керамических шаров, достигается наибольший теплосъем при минимальном градиенте температур по радиусу трубы. Это способствует повышению компактности и снижению возникающих в сплошных шарах засыпки термических напряжений.Known heat exchange pipe with heat exchange enhancers, made in the form of a fixed bed of solid balls of the same diameter, located between the permeable plates bounding them or grids; the diameter of the balls is 0.15 0.25 of the inner diameter of the pipe [1]
During operation, the coolant washes the balls, is turbulized, displaced by the balls to the wall and moves near it with a greater speed than in the center of the pipe, due to an increase in the local porosity of the ball filling [2] An increase in the rate of heat transfer between the pipe wall and the coolant contributes to an increase in its wall velocity and an increase in efficiency thermal conductivity of the gas stream in the presence of backfill [3]
With the indicated ratio of the diameters of the ball d and the inner diameter of the pipe D for a fixed bed made of solid metal or ceramic balls, the greatest heat removal is achieved with a minimum temperature gradient along the radius of the pipe. This helps to increase compactness and reduce thermal stresses that arise in solid spheres of backfill.

В рассматриваемой конструкции шары засыпки неподвижны, что существенно ограничивает возможности интенсификации теплообмена, и выполнены сплошными, что и приводит к высоким термическим напряжениям, требует снижать относительный диаметр шара в засыпке. In the design under consideration, the filling balls are stationary, which significantly limits the possibility of intensifying heat transfer, and are solid, which leads to high thermal stresses and requires a reduction in the relative diameter of the ball in the filling.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплобменная труба, содержащая засыпку из шаров одинакового диаметра, абсолютная величина которого больше внутреннего радиуса трубы, уложенных по спирали и ограниченных проницаемыми пластинами или сетками [4]
При работе трубы теплоноситель течет между шарами. Шары турбулизируют поток теплоносителя, закручивают его и оттесняют его к стенке. Увеличение относительного диаметра d/D шара более 0,5 позволяет повысить энергетическую эффективность теплообменной трубы за счет снижения ее гидравлического сопротивления (а.с. СССР N 1698614, таблица).Closest to the technical nature of the present invention is a heat exchange pipe containing a filling of balls of the same diameter, the absolute value of which is greater than the inner radius of the pipe, laid in a spiral and bounded by permeable plates or grids [4]
When the pipe is working, the coolant flows between the balls. Balls turbulence the coolant flow, swirl it and push it against the wall. An increase in the relative diameter d / D of the ball of more than 0.5 makes it possible to increase the energy efficiency of the heat exchanger pipe by reducing its hydraulic resistance (AS USSR N 1698614, table).

Однако при движении в трубе высокотемпературного теплоносителя сплошные шары относительно большого диаметра (d/D > 0,5) находятся в области высоких градиентов температур, обуславливающих такие термические напряжения, которые способны вызвать их разрушение и потерю работоспособности трубы в целом. However, when a high-temperature coolant moves in a pipe, solid balls of relatively large diameter (d / D> 0.5) are in the region of high temperature gradients that cause such thermal stresses that can cause their destruction and loss of pipe performance as a whole.

Кроме того, при d/D > 0,15 увеличивается пристенная зона с высокой порозностью, поэтому несколько снижается коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к теплоносителю, что приводит к необходимости при неизменных диаметре трубы и передаваемом тепловом потоке увеличить длину трубы. In addition, at d / D> 0.15, the wall zone with high porosity increases, therefore, the heat transfer coefficient from the pipe wall to the coolant decreases slightly, which leads to the need to increase the pipe length with constant pipe diameter and transmitted heat flux.

Указанные особенности снижают надежность и компактность трубы. These features reduce the reliability and compactness of the pipe.

Целью изобретения является повышение надежности и энергетической эффективности теплообмена трубы. The aim of the invention is to increase the reliability and energy efficiency of heat transfer pipe.

Поставленная цель достигается тем, что высокотемпературная теплообменная труба содержит засыпку из шаров, имеющих на внешней поверхности рельеф в виде полусферических лунок, выполненных полыми из алюмоборонитридной керамики, размещенных на проволочной спирали из жаростойкого материала, закрепленной на неподвижных проницаемых шайбах, на одной из которых узел крепления спирали включает пружину растяжения, расположенную в зоне более низкой температуры теплоносителя. This goal is achieved in that the high-temperature heat exchange tube contains a backfill of balls having a relief on the outer surface in the form of hemispherical holes made hollow of aluminum-boron nitride ceramics, placed on a wire spiral made of heat-resistant material, mounted on fixed permeable washers, on one of which there is an attachment unit the spiral includes a tension spring located in the zone of lower coolant temperature.

В такой теплообменной трубе теплоноситель омывает расположенные на проволочной спирали шары, турбулизируется, закручивается и отбрасывается шарами к стенке трубы, движется вдоль нее с большей скоростью, чем в центре трубы, из-за закрутки и увеличения локальной порозности шаровой засыпки вблизи стенки. Рельеф в виде лунок на внешней поверхности шаров способствует снижению их гидравлического сопротивления [5]
Применение не сплошных, а полых шаров в засыпке вследствие утонения стенок сферических оболочек снижает возникающие в них термические напряжения (Самсонов Ю. А. Прочность судовых ядерных реакторов. Л. Судостроение, 1970, стр. 147,148), повышает надежность работы высокотемпературной теплообменной трубы при тепловых ударах, связанных с изменением режима работы энергетической установки.In such a heat exchange tube, the heat carrier washes the balls located on the wire spiral, is turbulized, twisted and discarded with balls to the pipe wall, moves along it with a higher speed than in the center of the pipe, due to twisting and increase in local porosity of the ball filling near the wall. The relief in the form of holes on the outer surface of the balls helps to reduce their hydraulic resistance [5]
The use of not continuous, but hollow balls in the backfill due to thinning of the walls of the spherical shells reduces the thermal stresses arising in them (Samsonov Yu. A. Strength of ship nuclear reactors. L. Sudostroenie, 1970, p. 147.148), increases the reliability of the high-temperature heat exchange pipe during heat shocks associated with a change in the operation mode of a power plant.

Размещение шаров на проволочной спирали, наличие пружинного крепления и вибрация шаров, вызываемая неизбежными пульсациями давления в закрученном потоке теплоносителя, приводят к механическому утонению и разрушению шарами его пристенного слоя, что способствует росту теплоотдачи [6]
Рост теплоотдачи и снижение гидравлического сопротивления приводят к увеличению энергетической эффективности теплообменной трубы. Этому же способствует применение для изготовления шаров высокотеплопроводной алюмоборонитридной керамики.The placement of balls on a wire spiral, the presence of a spring mount and the vibration of the balls caused by inevitable pressure pulsations in the swirling coolant flow, lead to mechanical thinning and destruction of the wall layer by the balls, which contributes to the growth of heat transfer [6]
An increase in heat transfer and a decrease in hydraulic resistance lead to an increase in the energy efficiency of the heat exchange tube. The use of high-conductivity aluminoboronitride ceramics for the manufacture of balls also contributes to this.

Применение для изготовления полых шаров алюмо-боронитридной керамики, обладающей высокой теплопроводностью, повышает энергетическую эффективность за счет роста эквивалентной теплопроводности теплоносителя [3, с. 168] а также приводит к росту надежности работы теплообменной трубы за счет снижения градиента температуры в теле шаров и тем самым снижения термических напряжений в них при тепловых ударах. К повышению надежности приводит демпфирующее воздействие шаров на теплообменную трубу в целом. Application for the manufacture of hollow balls of aluminum-boronitride ceramics with high thermal conductivity, increases energy efficiency due to the growth of equivalent thermal conductivity of the coolant [3, p. 168] and also leads to an increase in the reliability of the heat transfer tube by reducing the temperature gradient in the body of the balls and thereby reducing thermal stresses in them during thermal shock. The damping effect of the balls on the heat exchange tube as a whole leads to an increase in reliability.

Использование полых шаров в засыпке существенно уменьшает массу теплообменной трубы и как сверхэффект снижение термических напряжений в теле шаров и повышение надежности трубы. The use of hollow balls in the filling significantly reduces the mass of the heat exchange pipe and, as a super-effect, reduces thermal stresses in the body of the balls and increases the reliability of the pipe.

Применение проволочной спирали с одной пружинной опорой упрощает технологический процесс сборки (разборки) теплообменной трубы и как "сверхэффект" интенсификация теплообмена и демпфирование собственных колебаний теплообменной трубы. The use of a wire spiral with one spring support simplifies the technological process of assembly (disassembly) of the heat exchange pipe and, as a "super effect", the intensification of heat transfer and damping of the natural vibrations of the heat exchange pipe.

Это новые свойства теплообменной трубы, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует признаку "существенные отличия". These are new properties of the heat exchange pipe, therefore, the proposed technical solution meets the sign of "significant differences".

На фиг. 1, 2 показаны продольный разрез теплообменной трубы и вид по стрелке A на фиг. 1; на фиг 3 конструктивное исполнение полого шара засыпки с рельефной поверхностью наружной стенки. In FIG. 1, 2 show a longitudinal section through a heat exchanger pipe and a view along arrow A in FIG. one; Fig. 3 embodiment of a hollow ball of backfill with a raised surface of the outer wall.

Высокотемпературная теплообменная труба содержит засыпку из шаров 1, имеющих на внешней поверхности 2 рельеф в виде полусферических лунок 3, выполненных полыми из алюмоборонитридной керамики, размещенных на проволочной спирали 4 из жаростойкого материала, закрепленной на неподвижных проницаемых шайбах 5, 6, на одной из которых узел крепления спирали 4 включает пружину растяжения 7, расположенную в зоне более низкой температуры теплоносителя. The high-temperature heat-exchange tube contains a backfill of balls 1 having a relief in the form of hemispherical holes 3 on the outer surface 2, made hollow of aluminum-boron nitride ceramics, placed on a wire spiral 4 of heat-resistant material, mounted on stationary permeable washers 5, 6, on one of which the unit the fastening of the spiral 4 includes a tension spring 7 located in the lower temperature zone of the coolant.

При работе теплоноситель поступает в трубу через неподвижную проницаемую шайбу 5, обтекает полые керамические шары 1, имеющие на внешней поверхности 2 рельеф в виде полусферических лунок 3, размещенные на проволочной спирали 4 из жаростойкого материала, закрепленной на неподвижных проницаемых шайбах 5, 6, на одной из которых узел крепления спирали включает пружину растяжения 7, турбулизируется, обеспечивает требуемый теплосъем и через шайбу 6 удаляется (стрелка 8) из теплообменной трубы. During operation, the coolant enters the pipe through a stationary permeable washer 5, flows around hollow ceramic balls 1 having a relief in the form of hemispherical holes 3 on the outer surface 2, placed on a wire spiral 4 made of heat-resistant material, mounted on fixed permeable washers 5, 6, on one from which the attachment point of the spiral includes a tension spring 7, is turbulized, provides the required heat removal and is removed through the washer 6 (arrow 8) from the heat exchange pipe.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет:
увеличить энергетическую эффективность теплообменной трубы за счет дополнительной интенсификации теплообмена при механическом разрушении пристенного слоя теплоносителя подвижными шарами засыпки и снижения гидравлического сопротивления при омывании рельефной наружной поверхности полых шаров;
повысить надежность работы теплообменной трубы за счет выполнения шаров полыми, уменьшения толщины стенок шаровых оболочек, снижения перепада температур в них и тем самым уменьшения термических напряжений в теле шаров, а также демпфирования ее собственных колебаний;
уменьшить массу теплообменной трубы;
упростить технологический процесс сборки (разборки) теплообменной трубы; повысить качество этого процесса.The proposed technical solution in comparison with the prototype allows you to:
to increase the energy efficiency of the heat exchanger pipe due to additional intensification of heat transfer during mechanical destruction of the wall layer of the coolant by moving filling balls and reducing hydraulic resistance when washing the embossed outer surface of hollow balls;
to increase the reliability of the heat transfer pipe by making the balls hollow, reducing the wall thickness of the spherical shells, reducing the temperature difference in them and thereby reducing thermal stresses in the body of the balls, as well as damping its own vibrations;
reduce the mass of the heat exchanger pipe;
to simplify the process of assembly (disassembly) of the heat transfer pipe; improve the quality of this process.

Claims

1. A high-temperature heat exchange tube containing a backfill of balls arranged in a spiral and bounded by fixed permeable washers, characterized in that, in order to increase reliability and energy efficiency, the balls have a hemispherical relief on the outer surface.

2. The pipe according to claim 1, characterized in that the balls are hollow.

3. The pipe according to claim 1, characterized in that the balls are placed on a wire spiral made of heat-resistant material, mounted on said washers.

4. The pipe according to claim 1, characterized in that the attachment point of the spiral on one of the washers includes a tension spring.

5. The pipe according to claim 1, characterized in that the balls are made of aluminoboronitride ceramics.