RU2096716C1

RU2096716C1 - Heat-exchange tube

Info

Publication number: RU2096716C1
Application number: RU95108114A
Authority: RU
Inventors: В.В. Олимпиев; И.А. Попов; А.Ю. Гортышов
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1997-11-20
Also published as: RU95108114A

Abstract

FIELD: heat-power engineering; chemical engineering and other industries. SUBSTANCE: heat-exchange tube 1 is fitted with axially located flexible tubular member 2 with extruded deformable circular projections 3 directed to flow. As a rule, flexible member 2 is arranged inside heat-exchange tube 1; it may be also fitted on the outside in case of longitudinal flow of heat-transfer agent around tube. Flexible tubular members 2 are in contact with heat-exchange tube 1 over its entire length. One end of flexible member 2 is rigidly fastened with wall of heat-exchange tube 1 and opposite end is fastened with heat-exchange tube 1 through device 4 which makes it possible to compress or extend flexible tubular member with circular projections. Pneumo- or hydrocylinder 5 or movable pair screw-nut 6 with vernier may be used for compression or extension, i.e. for performing function of device 4. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники. The present invention relates to the field of energy and can be used in transport, in chemical technology and other industries.

Известен теплообменник типа "труба в трубе", внутренняя труба которого выполнена в виде сильфона [1]
Недостатком данного устройства является невозможность изменения высоты выступов и глубины впадин для изменения интенсивности теплоотдачи.Known heat exchanger type "pipe in pipe", the inner pipe of which is made in the form of a bellows [1]
The disadvantage of this device is the inability to change the height of the protrusions and the depths of the troughs to change the intensity of heat transfer.

Известна теплообменная труба с кольцевыми канавками на наружной поверхности и соответствующими выступами на внутренней поверхности [2]
Недостатком данного устройства является невозможность изменения высоты выступов в соответствии с изменениями параметров потока в трубе в процессе работы теплообменного устройства.Known heat exchange pipe with annular grooves on the outer surface and the corresponding protrusions on the inner surface [2]
The disadvantage of this device is the inability to change the height of the protrusions in accordance with changes in the flow parameters in the pipe during operation of the heat exchange device.

Известна теплообменная труба, содержащая турбулизирующую вставку в виде спиральных секций, причем для регулирования интенсивности теплообмена путем изменения степени турбулизации потока по оси трубы размещен с возможностью продольного перемещения шток, а секции имеют форму конических спиралей, вершины которых закреплены на штоке, а основание у стенок трубы [3]
Недостатком данного устройства является высокое гидравлическое сопротивление вследствие турбулизации всего потока.A heat exchange tube is known that contains a turbulizing insert in the form of spiral sections, moreover, to control the intensity of heat transfer by changing the degree of turbulization of the flow along the pipe axis, the rod is longitudinally movable, and the sections are in the form of conical spirals whose vertices are fixed to the rod and the base is near the pipe walls [3]
The disadvantage of this device is the high hydraulic resistance due to turbulization of the entire flow.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройстве (прототипом) является теплообменная труба с размещенной внутри нее спиральной лентой, один конец которой жестко закреплен на стенке трубы, причем для интенсификации и регулирования процесса теплообмена она снабжена устройством для изменения шага закрутки ленты [4]
Недостатком данного устройства является высокое гидравлическое сопротивление вследствие воздействия спиральной ленты, интенсифицирующей процесс теплообмена, на весь поток теплоносителя.The closest in technical essence to the proposed device (prototype) is a heat exchange pipe with a spiral tape placed inside it, one end of which is rigidly fixed to the pipe wall, and for intensification and regulation of the heat transfer process, it is equipped with a device for changing the pitch of the tape twist [4]
The disadvantage of this device is the high hydraulic resistance due to the influence of the spiral tape, intensifying the heat transfer process, on the entire heat carrier flow.

Заявляемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства посредством регулирования интенсивности теплообмена. The invention is aimed at expanding the functionality of the device by controlling the intensity of heat transfer.

Для решения указанной задачи в теплообменной трубе, оснащенной расположенным соосно упругим элементом, один конец которого жестко закреплен на стенке трубы, а другой выполнен с возможностью продольного перемещения, упругий элемент выполнен трубчатым с выдавленным обращенным в поток деформируемыми кольцевыми выступами и размещен внутри и/или снаружи теплообменной трубы с контактом по всей ее длине. To solve this problem, in a heat exchange pipe equipped with a coaxially located elastic element, one end of which is rigidly fixed to the pipe wall and the other is made with the possibility of longitudinal movement, the elastic element is made tubular with extruded deformable annular protrusions facing the stream and placed inside and / or outside heat transfer pipe with contact along its entire length.

Использование в теплообменных трубах различного вида элементов, интенсифицирующих процесс теплообмена, установленных с перекрытыми поперечного сечения трубы или просто выходящих за размеры пограничного слоя, приводит к значительным гидравлическим потерям и, следовательно, к высоким значениям мощности на прокачку теплоносителя. Поэтому целесообразно использовать интенсифицирующие процесс теплообмена элементы с размерами не более толщины пограничного слоя. Это резко уменьшит гидравлическое сопротивление. The use of various types of elements in heat transfer pipes that intensify the heat transfer process, are installed with the pipe cross section closed or simply exceeding the size of the boundary layer, leads to significant hydraulic losses and, consequently, to high values of power for pumping the coolant. Therefore, it is advisable to use elements intensifying the heat transfer process with dimensions not exceeding the thickness of the boundary layer. This will drastically reduce hydraulic resistance.

Основная часть термического сопротивления в потоке газов и жидкостей приходится на пристенную область. Для чисел Прандтля Pr от 0,72 до 20 основная часть термического сопротивления потока приходится на вязкостный подслой и промежуточную область пограничного слоя (от 84% до 99%) (N.H. Afgan, Fundamental Heat And Mass Transfer Research In The Development Of New Heat Exchangers Concepts // 1993 ICHMT International Symposium On New Development In Heat Exchangers. Lisbon. Portugal. Paper L.1.). Поэтому интенсификация конвективной теплоотдачи должна осуществляться в вязкостном подслое и переходной области развитой турбулентности, что полностью подтверждает допущение о том, что высота элементов, интенсифицирующих процесс теплообмена, должна быть сравнима по размеру с суммарной толщиной вязкостного подслоя и промежуточной области пограничного слоя. The bulk of the thermal resistance in the flow of gases and liquids falls on the near-wall region. For Prandtl numbers Pr from 0.72 to 20, the bulk of the thermal resistance of the flow is accounted for by the viscous sublayer and the intermediate region of the boundary layer (from 84% to 99%) (NH Afgan, Fundamental Heat And Mass Transfer Research In The Development Of New Heat Exchangers Concepts // 1993 ICHMT International Symposium On New Development In Heat Exchangers. Lisbon. Portugal. Paper L.1.). Therefore, the intensification of convective heat transfer should be carried out in the viscous sublayer and in the transition region of developed turbulence, which fully confirms the assumption that the height of the elements that intensify the heat transfer process should be comparable in size with the total thickness of the viscous sublayer and the intermediate region of the boundary layer.

Оптимальная высота h_орт выступов, шероховатостей и т.п. в трубах при течении газов и жидкостей определяется формулой:

,
где ε коэффициент гидравлического сопротивления в трубе, который зависит от числа Рейнольдса Re (для турбулентного режима течения в трубе e рассчитывается по формуле Блазиуса: e 0,3164/Re^0,25);
R радиус трубы по гладкой части;
n коэффициент, для газов n 30, для жидкостей n 5. (Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. М. Энергия, 1980).The optimal height h _{ort of} protrusions, roughness, etc. in pipes during the flow of gases and liquids is determined by the formula:

,
where ε is the coefficient of hydraulic resistance in the pipe, which depends on the Reynolds number Re (for the turbulent flow regime in the pipe e is calculated according to the Blasius formula: e 0.3164 / Re ^0.25 );
R is the radius of the pipe along the smooth part;
n coefficient, for gases n 30, for liquids n 5. (Migai V.K. Improving the efficiency of modern heat exchangers. M. Energy, 1980).

Повышение теплоотдачи в трубе посредством кольцевых поперечных выступов a_и/α_гл(α_и коэффициент теплоотдачи в теплообменной трубе с кольцевыми поперечными выступами, α_гл коэффициент теплоотдачи в гладкой пустой трубе) позволяет получать более выгодное соотношение между количеством тепла Q, снятого со стенки трубы, и мощностью прокачивания теплоносителя через трубу N (Калинин Э.К. и др. Интенсификация теплообмена в канала. М. Машиностроение, 1972). Оптимальная высота выступов h_орт в теплообменной трубе, позволяющая обеспечивать максимум соотношения α_и/α_гл при возможно наибольшей величине Q/N, зависит от параметров потока в трубе: чисел Прандтля Pr и Рейнольдса Re, которые связаны с типом и расходом теплоносителя, его температурой. Оптимальная высота выступов h_орт уменьшается при увеличении чисел Pr и Re турбулентного режима.The increase in heat transfer in the pipe by means of annular transverse protrusions a _and / α _hl (α _and heat transfer coefficient in a heat exchanger pipe with annular transverse protrusions, α _hl heat transfer coefficient in a smooth empty pipe) allows to obtain a more favorable ratio between the amount of heat Q taken from the pipe wall, and the power of pumping the coolant through the pipe N (Kalinin EK and other Intensification of heat transfer in the channel. M. Engineering, 1972). The optimal height of the protrusions h _ort in the heat exchange pipe, which allows to provide the maximum ratio of α _and / α _hl at the highest possible value of Q / N, depends on the flow parameters in the pipe: Prandtl numbers Pr and Reynolds Re, which are related to the type and flow rate of the coolant, its temperature . The optimal height of the protrusions h _ort decreases with increasing numbers of Pr and Re of the turbulent mode.

В существующем энергооборудовании высота выступов h в теплообменных трубах остается неизменной при работе оборудования в условиях изменения теплогидравлических параметров потока. Следовательно, при отклонении параметров потока от номинальных значений неизменная высота выступов h приводит к неоптимальной работе теплообменной трубы к перерасходу мощности на прокачку, немаксимальной интенсификации теплообмена α_и/α_гл.In existing power equipment, the height of the protrusions h in the heat exchanger tubes remains unchanged when the equipment is operated in conditions of changing thermohydraulic flow parameters. Consequently, when the flow parameters deviate from the nominal values, the constant height of the protrusions h leads to suboptimal operation of the heat transfer tube, to excessive use of power for pumping, and non-maximum intensification of heat transfer α _and / α _gl .

Для оптимальной работы теплообменной трубы и энергооборудования в целом, когда в процессе эксплуатации изменяется расход теплоносителя, его температура или вид теплоносителя, влияющие на числа Pr и Re и тем самым на толщину пограничного слоя, необходима возможность регулирования высоты выступов h, т. е. возможность установки оптимальной величины h_орт, наиболее близкой к толщине пограничного слоя.For optimal operation of the heat exchange tube and power equipment as a whole, when the flow rate of the coolant changes during operation, its temperature or type of coolant, affecting the numbers Pr and Re and thereby the thickness of the boundary layer, it is necessary to control the height of the protrusions h, i.e., the possibility setting the optimal value of h _orth closest to the thickness of the boundary layer.

Для регулирования интенсивности теплоотдачи необходимо обеспечить изменение высоты выступов на поверхности трубы во время работы устройства. Коэффициент теплоотдачи в теплообменной трубе с кольцевыми выступами α_и сильно зависит даже от малых изменений высоты выступов h при фиксированных величинах чисел Pr и Re потока. Поэтому предлагаемую теплообменную трубу целесообразно использовать также и в том случае, когда необходимо регулировать уровень теплоотдачи в трубах. Это регулирование позволяет изменять уровень теплоотдачи при постоянном расходе теплоносителя. Это значительно выгоднее и проще по сравнению с изменением расхода теплоносителя (Пономарев-Степной Н. Н. Глушков Е.С. Профилирование ядерного реактора. М. Энергоатомиздат, 1988). Опыты показывают, что при течении воздуха Pr 0,72) в теплообменной трубе с кольцевыми выступами при постоянном числе Re, равном Re 20000, интенсификация теплообмена достигает значений α_и/α_гл 1,28 при отношении t/D 0,5 и h/R 0,01 и α_и/α_гл 2,69 при t/D 0,5 и h/R 0,1 (t шаг между выступами; D и R внутренний диаметр и радиус по гладкой части трубы; для турбулентного режима выбирают t (10 30)h и h/R 0,02 0,1) (Олимпиев В.В. Интенсификация конвективного теплообмена путем применения дискретной шероховатости // Интенсификация процессов тепломассообмена в энергетических и технологических установках. М. МЭИ, 1989).To regulate the intensity of heat transfer, it is necessary to provide a change in the height of the protrusions on the pipe surface during operation of the device. The heat transfer coefficient in a heat exchanger tube with annular protrusions α _and depends strongly even on small changes in the height of the protrusions h for fixed values of the numbers Pr and Re of the flow. Therefore, it is advisable to use the proposed heat exchange pipe also in the case when it is necessary to regulate the level of heat transfer in the pipes. This regulation allows you to change the level of heat transfer at a constant flow rate. This is much more profitable and simpler compared to changing the flow rate of the coolant (Ponomarev-Stepnoy NN Glushkov ES, Profiling of a nuclear reactor. M. Energoatomizdat, 1988). Experiments show that when air flows Pr 0.72) in a heat exchange tube with annular protrusions with a constant number Re equal to Re 20000, the heat transfer intensification reaches α _and / α _gl 1.28 with the ratios t / D 0.5 and h / R 0.01 and α _and / α _gl 2.69 for t / D 0.5 and h / R 0.1 (t is the step between the protrusions; D and R are the inner diameter and radius along the smooth part of the pipe; for turbulent mode, choose t (10 30) h and h / R 0.02 0.1) (Olimpiev V.V. Intensification of convective heat transfer by applying discrete roughness // Intensification of heat and mass transfer processes in energy and technological FIR installations. M. MEI, 1989).

В предлагаемой теплообменной трубе для ее нормального функционирования необходим гарантированный радиальный зазор между концентрично расположенными теплообменной трубой и трубчатым упругим элементом с выступами. Наличие радиального зазора позволяет перемещать трубчатый элемент относительно теплообменной трубы. От величины зазора зависит его термическое сопротивление. Поэтому величина зазора должна выбираться таким образом, чтобы его термическое сопротивление было незначительным по сравнению с суммой термических сопротивлений теплоотдачи на теплообменных поверхностях конструкции. Перенос тепла через среду в малом зазоре осуществляется теплопроводностью и тепловым излучением, вклад последнего при умеренных температурах ничтожен. In the proposed heat exchange pipe for its normal functioning, a guaranteed radial clearance is required between the concentrically arranged heat exchange pipe and the tubular elastic element with protrusions. The presence of a radial clearance allows you to move the tubular element relative to the heat exchange pipe. The thermal resistance depends on the size of the gap. Therefore, the gap should be selected so that its thermal resistance is negligible compared to the sum of the thermal resistance of heat transfer on the heat exchange surfaces of the structure. Heat transfer through the medium in a small gap is carried out by thermal conductivity and thermal radiation, the contribution of the latter at moderate temperatures is negligible.

Оценка термического сопротивления R зазора между теплообменной трубой и трубчатым элементом с выступами размером δ 0,05 мм, когда по трубе протекает газ и зазор заполнен газом, показывает, что R 1,5•10^-3 (м²•К)/Вт. Если снаружи труба также омывается газом, то коэффициент теплоотдачи к газу в трубе будет примерно равен a 50 Вт/(м²•К), а термическое сопротивление теплоотдачи соответственно R_m 1/a 2•10^-2 (м²•К)/Вт. Следовательно, термическое сопротивление зазора R мало по сравнению с термическим сопротивлением теплоотдачи R_m от стенок к газу, которое определяет коэффициент теплопередачи, однако различие между указанными величинами также незначительно. Для снижения термического сопротивления зазора его необходимо заполнять высокотеплопроводной средой, например, графитовой смазкой, жидкостью и т.п. Оценка термического сопротивления R зазора, когда по трубе протекает газ и зазор заполнен водой, показывает, что R 4,2•10^-5 (м²•К)/Вт при d 0,05 мм.An assessment of the thermal resistance R of the gap between the heat exchange tube and the tubular element with protrusions of size δ 0.05 mm when gas flows through the pipe and the gap is filled with gas shows that R 1.5 • 10 ^-3 (m ² • K) / W. If the pipe is also washed by gas from the outside, then the heat transfer coefficient to gas in the pipe will be approximately equal to a 50 W / (m ² • K), and the thermal resistance of heat transfer, respectively, R _m 1 / a 2 • 10 ^-2 (m ² • K) / Tue Therefore, the thermal resistance of the gap R is small compared to the thermal resistance of heat transfer R _m from the walls to the gas, which determines the heat transfer coefficient, however, the difference between the indicated values is also insignificant. To reduce the thermal resistance of the gap, it must be filled with a highly conductive medium, for example, graphite lubricant, liquid, etc. An assessment of the thermal resistance R of the gap when gas flows through the pipe and the gap is filled with water shows that R 4.2 • 10 ^-5 (m ² • K) / W at d 0.05 mm.

На фиг. 1 изображена схема теплообменной трубы; на фиг. 2 схема изменения высоты выступов трубы. In FIG. 1 shows a diagram of a heat exchanger pipe; in FIG. 2 diagram of the change in the height of the projections of the pipe.

Теплообменную трубу 1 оснащают расположенным соосно трубчатым упругим элементом 2 с выдавленными обращенными в поток деформируемыми кольцевыми выступами 3. Упругий элемент 2 обычно размещают внутри теплообменной трубы 1, однако если снаружи труба омывается продольным потоком теплоносителя, то упругий трубчатый элемент 2 устанавливают и снаружи теплообменной трубы. Упругие трубчатые элементы 2 с теплообменной трубой 1 имеют контакт по всей ее длине. Один конец упругого элемента 2 жестко скрепляют со стенкой теплообменной трубы 1, а противоположный скрепляют с теплообменной трубой 1 через приспособление 4, позволяющее производить сжатие или растяжение упругого трубчатого элемента с кольцевыми выступами. В качестве приспособления 4 для сжатия или растяжения может служить, например, пневмо- или гидроцилиндр 5, подвижная пара винт-гайка 6 с нониусом. The heat exchange tube 1 is equipped with a coaxially tubular elastic element 2 with extruded deformable annular projections 3. The elastic element 2 is usually placed inside the heat exchange pipe 1, however, if the outside of the pipe is washed by the longitudinal flow of the heat carrier, then the elastic tube element 2 is also installed outside the heat exchange pipe. The elastic tubular elements 2 with the heat exchange tube 1 are in contact along its entire length. One end of the elastic element 2 is rigidly fastened to the wall of the heat exchange pipe 1, and the opposite fastened to the heat exchange pipe 1 through the device 4, which allows compression or stretching of the elastic tubular element with ring protrusions. As a device 4 for compression or tension can serve, for example, a pneumatic or hydraulic cylinder 5, a movable pair of screw-nut 6 with a nonius.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Подают теплоноситель в трубу 1, которая омывается снаружи другим теплоносителем. Настраивают высоту выступов 3 упругого элемента 2 на оптимальную высоту, соответствующую параметрам потока (Pr, Re) с помощью приспособления 4. Конкретную величину высоты выступов 3 устанавливают расчетным либо опытным путем в зависимости от режима течения и вида теплоносителя. В случае изменения параметров потока или в случае необходимости изменения уровня теплоотдачи с помощью приспособления 4 изменяют высоту выступов 3 упругого элемента 2 путем его растяжения и сжатия в осевом направлении. Изменение высоты выступов 3 на упругом трубчатом элементе 2 при изменении параметров потока (Pr, Re) внутри и/или снаружи теплообменной трубы, с целью установления оптимального соотношения между интенсивностью теплоотдачи и мощностью на прокачку теплоносителя, осуществляется растяжением или сжатием упругого трубчатого элемента 2 вдоль оси, при этом цилиндрические участки трубчатого элемента не деформируются, а поперечный профиль выступов 3 испытывает существенную деформацию. Если трубчатый упругий элемент 2 сжимают, то выступы 3 на нем также сжимаются, а их высота увеличивается, и наоборот. The coolant is fed into the pipe 1, which is washed externally by another coolant. The height of the protrusions 3 of the elastic element 2 is adjusted to the optimum height corresponding to the flow parameters (Pr, Re) using the device 4. The specific height of the protrusions 3 is determined by calculation or experimentally, depending on the flow regime and the type of coolant. In the case of changing the flow parameters or, if necessary, changing the level of heat transfer using the device 4, the height of the protrusions 3 of the elastic element 2 is changed by stretching and compressing it in the axial direction. The change in the height of the protrusions 3 on the elastic tubular element 2 when changing the flow parameters (Pr, Re) inside and / or outside the heat exchanger pipe, in order to establish the optimal ratio between the heat transfer rate and the heat pumping power, is carried out by stretching or compressing the elastic tubular element 2 along the axis while the cylindrical sections of the tubular element are not deformed, and the transverse profile of the protrusions 3 experiences a significant deformation. If the tubular elastic element 2 is compressed, then the protrusions 3 on it are also compressed, and their height increases, and vice versa.

Claims

A heat exchange pipe equipped with a coaxially located elastic element, one end of which is rigidly fixed to the pipe wall, and the other is made with the possibility of longitudinal movement, characterized in that the elastic element is made tubular with deformable annular projections facing the flow and placed inside and / or outside the heat exchange pipe with contact along its entire length.