RU2377490C1

RU2377490C1 - Heat exchange element and manufacturing method of heat exchange element

Info

Publication number: RU2377490C1
Application number: RU2008141785/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Клеутин (RU); Дмитрий Николаевич Клеутин; Максим Игоревич Глазунов (RU); Максим Игоревич Глазунов; Александр Геннадьевич Старых (RU); Александр Геннадьевич Старых; Василий Яковлевич Сокол (RU); Василий Яковлевич Сокол
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Томир"
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-12-27

Abstract

FIELD: heating systems.

SUBSTANCE: invention refers to heat engineering, namely to design of heat exchange elements, tubes and manufacturing method thereof, and can be used for different equipment related to heat exchange processes. Heat exchange element contains tube with longitudinal finned ribs; at that, tube consists of two symmetric halves with ribs on both sides with possibility of connecting these halves by means of welding on ribs. Turbulence simulator is installed inside the tube thus being borne with its angles against tube walls and represents a wave-like band with wave length exceeding their height which is 0.4-0.7 of nominal tube diametre by 5-10 times. Manufacturing method of heat exchange element includes production of tube with longitudinal finned ribs; at that, tube is produced from flat bar by bending method in the form of two symmetric halves with longitudinal ribs on both sides and with further connection of those halves by means of welding on these ribs, and turbulence simulator made of the band bent in the form of wave is installed inside the tube thus being borne with its angles against tube walls.

EFFECT: simplifying heat exchange element design and method of manufacturing thereof, improving manufacturability and economy of manufacture of heat exchange element at increase of heat exchange intensity.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к конструкции теплообменных элементов, труб и к способу их изготовления, и может быть использовано в различных отраслях техники, связанных с процессами теплообмена.The invention relates to heat engineering, in particular to the design of heat exchange elements, pipes and to a method for their manufacture, and can be used in various industries related to heat exchange processes.

Известна теплообменная труба, содержащая турбулизатор, выполненный в виде цилиндрической спирали, один конец которой соединен с завихрителем в виде шарика (п. РФ №1753797). Ограниченность применения данного устройства вызвана необходимостью только вертикального расположения трубы и сложностью изготовления, связанного с достаточно точным исполнением элементов турбулизатора. Кроме того, данное устройство требует высоких скоростей теплоносителя, особенно газов.Known heat transfer tube containing a turbulator made in the form of a cylindrical spiral, one end of which is connected to a swirl in the form of a ball (p. RF No. 1753797). The limited use of this device is caused by the need only for the vertical location of the pipe and the complexity of manufacturing associated with a fairly accurate execution of the elements of the turbulator. In addition, this device requires high flow rates, especially gases.

Известна теплообменная труба некруглого сечения с турбулизатором, выполненным в виде ленты с перфорированными углублениями и с краями, изогнутыми по профилю трубы (п. РФ №512365). Устройство имеет невысокую эффективность теплообмена, поскольку пограничный слой разрушается только на половине стенки трубы. Для выполнения данной конструкции требуется специализированное оборудование, прокатный стан, штамповочные прессы, оснастка.Known heat transfer tube of non-circular cross section with a turbulator made in the form of a tape with perforated recesses and with edges curved along the profile of the pipe (p. RF No. 51212365). The device has a low heat transfer efficiency, since the boundary layer is destroyed only on half of the pipe wall. To perform this design, specialized equipment, a rolling mill, stamping presses, and tooling are required.

Известна теплообменная труба с турбулизирующей вставкой, выполненной в виде волнообразной пластины, причем волны пластины выполнены с длиной, превышающей в 24-36 раз их высоту, которая составляет 0,16-0,22 эквивалентного диаметра проточной части (а.с. СССР №614315). Недостатком данного решения является сложность изготовления. Кроме того, ограниченность применения вызвана строго вертикальным расположением трубы, вызванная необходимостью вертикального расположения турбулизатора.Known heat exchange tube with a turbulent insert made in the form of a wave-like plate, and the plate waves are made with a length exceeding 24-36 times their height, which is 0.16-0.22 equivalent diameter of the flow part (AS USSR No. 614315 ) The disadvantage of this solution is the complexity of manufacturing. In addition, the limited application is caused by a strictly vertical pipe arrangement, caused by the need for a vertical arrangement of a turbulator.

Известен теплообменный элемент, содержащий трубу с продольными плавниковыми ребрами, выбранный заявителем в качестве прототипа (п. РФ №2013748). Плавниковые ребра образованы внешней оболочкой, контактирующей с трубой. Оболочка выполнена из полосы с внутренними периодическими поперечными просечками. Сложность в изготовлении и большая металлоемкость (плавник охватывает трубу) ограничивает применение данного устройства. Невысокая эффективность теплообмена обусловлена отсутствием турбулизатора внутри трубы и наличием достаточно высокого сопротивления теплопередачи от стенки трубы к плавникам (происходит сначала нагрев поверхности плавника, прилегающей к трубе, а потом нагрев самого плавника). Кроме того, ухудшение теплоотдачи связано с появлением коррозии между поверхностью трубы и охватывающей поверхностью плавника.Known heat exchange element containing a pipe with longitudinal fin ribs, selected by the applicant as a prototype (p. RF No. 20133748). The fin ribs are formed by the outer shell in contact with the pipe. The shell is made of a strip with internal periodic transverse cuts. Difficulty in manufacturing and high metal consumption (fin covers the pipe) limits the use of this device. The low heat transfer efficiency is due to the lack of a turbulator inside the pipe and the presence of a sufficiently high heat transfer resistance from the pipe wall to the fins (first the surface of the fin adjacent to the pipe is heated, and then the fin itself is heated). In addition, the deterioration in heat transfer is associated with the appearance of corrosion between the surface of the pipe and the surrounding surface of the fin.

Известен способ изготовления теплообменных труб, включающий получение плоскоовальной трубы из исходной круглой трубы посредством обработки давлением с одновременным выдавливанием выступов на внутренней поверхности трубы путем обжатия в валках (п. РФ №2137053). Способ изготовления достаточно сложен и дорог. При данном способе требуется последующее обжатие трубы в валках, приводящее к сложной деформации трубы и, как следствие, к снижению надежности за счет возможного нарушения герметичности.A known method of manufacturing heat exchange pipes, including obtaining a flat oval pipe from the original round pipe by pressure treatment with simultaneous extrusion of the protrusions on the inner surface of the pipe by crimping in rolls (p. Of the Russian Federation No. 2137053). The manufacturing method is quite complicated and expensive. With this method, subsequent compression of the pipe in the rolls is required, leading to complex pipe deformation and, as a result, to a decrease in reliability due to a possible leakage.

Известен способ изготовления теплообменной трубы с размещенной внутри вставкой, включающий изготовление вставки с переменным поперечным сечением и установку вставки в трубу с образованием между вставкой и трубой конфузорно-диффузорных участков, причем вставку выполняют из двух идентичных частей из ленты с коническими полуобечайками разной длины, при этом ленты жестко скрепляются одна с другой (п. РФ №1758386). Технологически сложное изготовление вставки и крепление ее внутри трубы ограничивают применение данной конструкции.A known method of manufacturing a heat transfer pipe with an insert located inside, comprising making an insert with a variable cross section and inserting the insert into the pipe to form confuser-diffuser sections between the insert and the pipe, the insert being made of two identical parts from a tape with conical half-shells of different lengths, tapes are rigidly fastened one to the other (p. RF No. 1758386). The technologically complicated manufacturing of the insert and its fastening inside the pipe limit the use of this design.

Известен способ изготовления теплообменного элемента, содержащего трубу с плавниковыми ребрами, выбранный заявителем в качестве прототипа (macp.web.tstu.ru/09/09_01305_00.html). Способ включает изготовление трубы известным способом и приваривание к наружной поверхности трубы с противоположных сторон двух плоских продольных ребер. Недостатком данного способа является повышенная трудоемкость изготовления, обусловленная необходимостью приварки ребер (плавников) к гладкой трубе. Применение сложного оборудования, его высокая стоимость, а также необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала не обеспечивают широкого использования данного способа. Кроме того, не исключаются коробление трубы и ее прожог при приварке ребер к трубам.A known method of manufacturing a heat exchange element containing a pipe with fin ribs, selected by the applicant as a prototype (macp.web.tstu.ru/09/09_01305_00.html). The method includes manufacturing a pipe in a known manner and welding to the outer surface of the pipe from opposite sides of two flat longitudinal ribs. The disadvantage of this method is the increased complexity of manufacturing, due to the need for welding ribs (fins) to a smooth pipe. The use of complex equipment, its high cost, as well as the need for highly qualified staff do not provide widespread use of this method. In addition, warpage of the pipe and its burn through during welding of the ribs to the pipes are not excluded.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции теплообменного элемента и способа его изготовления, повышение технологичности и экономичности изготовления теплообменного элемента при увеличении интенсивности теплообмена.The objective of the invention is to simplify the design of the heat exchange element and the method of its manufacture, increasing the manufacturability and economy of manufacturing the heat exchange element with increasing heat transfer intensity.

В теплообменном элементе, содержащем трубу с продольными плавниковыми ребрами, согласно изобретению труба состоит из двух симметричных половин с ребрами с обеих сторон, с возможностью соединения этих половин посредством сварки по ребрам, а внутри трубы с упором своими углами в стенки трубы установлен турбулизатор, представляющий собой волнообразную ленту с длиной волны, превышающей в 5-10 раз их высоту, которая составляет 0,4-0,7 от условного диаметра трубы.In a heat exchange element comprising a pipe with longitudinal fin ribs, according to the invention, the pipe consists of two symmetrical halves with ribs on both sides, with the possibility of connecting these halves by welding along the ribs, and a turbulator is installed inside the pipe with emphasis by its angles in the pipe walls, which is a wave-like tape with a wavelength exceeding 5-10 times their height, which is 0.4-0.7 of the nominal diameter of the pipe.

В способе изготовления теплообменного элемента, включающем получение трубы с продольными плавниковыми ребрами, согласно изобретению трубу получают методом гибки из полосы в виде двух симметричных половин с продольными ребрами с обеих сторон и с последующим соединением этих половин посредством сварки по этим ребрам, а внутрь трубы с упором своими углами в стенки трубы устанавливают турбулизатор, выполненный из ленты, изогнутой в виде волны.In a method for manufacturing a heat-exchange element, comprising obtaining a pipe with longitudinal fin ribs, according to the invention, the pipe is produced by bending from a strip in the form of two symmetrical halves with longitudinal ribs on both sides and then connecting these halves by welding along these ribs and into the pipe with a stop with their corners, a turbulator is installed in the pipe walls, made of a tape curved in the form of a wave.

Труба с продольными плавниковыми ребрами обеспечивает улучшенную теплоотдачу от стенки трубы к нагреваемой среде за счет более развитой поверхности теплообмена и наличия плавников. Турбулизатор обеспечивает увеличение интенсивности теплоотдачи за счет разрушения неподвижного слоя теплоносителя в виде жидкости или газа около стенок трубы. Кроме этого, улучшается лучистая теплоотдача от теплоносителя к стенке трубы в случае, если теплоноситель имеет высокую температуру порядка 400-800°С за счет разогрева турбулизатора, степень черноты которого выше, чем степень черноты теплоносителя, например дымовые газы. Предлагаемая длина волны и высота волны ленты выбираются из условия эффективного разрушения неподвижного слоя жидкости около стенок трубы. Размеры длины волны и высоты волны ленты меньше размеров, представленных в формуле, приводят к утяжелению конструкции. Увеличение данных размеров больше представленного диапазона приводит к ухудшению указанных условий, а именно не обеспечивается работоспособность конструкции за счет недостаточного разрушения пристенного слоя среды. Таким образом, предлагаемые размеры величины волны обеспечивают работоспособность теплообменного элемента и интенсификацию процесса теплообмена.A pipe with longitudinal fin ribs provides improved heat transfer from the pipe wall to the heated medium due to a more developed heat transfer surface and the presence of fins. The turbulator provides an increase in the rate of heat transfer due to the destruction of the fixed layer of the coolant in the form of a liquid or gas near the walls of the pipe. In addition, the radiant heat transfer from the coolant to the pipe wall improves if the coolant has a high temperature of about 400-800 ° C due to heating of the turbulator, the blackness of which is higher than the blackness of the coolant, for example flue gases. The proposed wavelength and wave height of the tape are selected from the condition of effective destruction of the fixed layer of fluid near the walls of the pipe. The dimensions of the wavelength and wave height of the tape are smaller than the sizes presented in the formula, which lead to a heavier structure. An increase in these sizes over the presented range leads to a deterioration of these conditions, namely, the design is not ensured due to insufficient destruction of the wall layer of the medium. Thus, the proposed wave size sizes ensure the operability of the heat exchange element and the intensification of the heat transfer process.

Выполнение плавниковой трубы из двух частей, соединенных посредством сварки по плавниковым ребрам, осуществляется на стандартном оборудовании и поэтому технологично в изготовлении. Сварка по плавникам обеспечивает надежное соединение без прожогов и большого коробления трубы за счет высокой жесткости плавников. Выполнение плавниковой трубы из двух частей с последующей сваркой по ребрам значительно технологичнее и экономичнее, чем приварка ребер к трубе в прототипе (в прототипе осуществляется сварка самой трубы и приварка двух ребер, а в предлагаемом к защите решении только два сварных шва по ребрам). Выполнение турбулизатора из ленты путем сгибания ее в виде волны, с размерами, представленными выше, достаточно легкая операция, не требующая дополнительных средств, поскольку толщина ленты может быть незначительной, например 0,5 мм. Изготовление предлагаемого теплообменного элемента достаточно дешевое, не требует каких-то дополнительных затрат, т.е. отвечает требованию экономичности.The implementation of the fin pipe from two parts connected by welding along the fin ribs is carried out on standard equipment and is therefore technologically advanced in manufacture. Fin welding provides a reliable connection without burn-throughs and large warpage of the pipe due to the high rigidity of the fins. The implementation of the fin pipe in two parts with subsequent welding along the ribs is much more technologically advanced and more economical than welding the ribs to the pipe in the prototype (in the prototype, the pipe itself is welded and two ribs are welded, and in the solution proposed for protection, only two welds are welded along the ribs). The implementation of the turbulator from the tape by bending it in the form of a wave, with the dimensions presented above, is a fairly easy operation that does not require additional funds, since the thickness of the tape can be insignificant, for example 0.5 mm. The manufacture of the proposed heat exchange element is quite cheap, does not require any additional costs, i.e. meets the requirement of profitability.

Предлагаемая конструкция теплообменного элемента и способ его изготовления объединены единым изобретательским замыслом.The proposed design of the heat exchange element and the method of its manufacture are combined by a single inventive concept.

Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».The above distinguishing features are new in comparison with the prototype, so the invention meets the criterion of "novelty."

Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».Patent studies have shown that in the studied prior art there are no similar technical solutions, i.e. The claimed technical solution does not follow explicitly from the studied prior art and, thus, meets the criterion of "inventive step".

Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».This technical solution can be reproduced industrially, therefore, it meets the criterion of "industrial applicability".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция теплообменного элемента; на фиг.2 - теплообменный элемент в разрезе по А-А на фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the design of the heat exchange element; figure 2 - heat transfer element in section along aa in figure 1.

Теплообменный элемент содержит трубу 1, состоящую из двух симметричных половин 2 и 3 с плавниковыми ребрами 4. Внутри трубы установлен турбулизатор 5, выполненный из ленты с волнообразным изгибом. Длина волны выполнена в пределах, превышающих в 5-10 раз высоту волны, которая составляет 0,4-0,7 от условного диаметра трубы. Условный диаметр трубы зависит от площади поперечного сечения и составляет

.The heat exchange element comprises a pipe 1, consisting of two

symmetrical halves

2 and 3 with fin ribs 4. A turbulator 5 made of a tape with a wave-like bend is installed inside the pipe. The wavelength is made in the range exceeding 5-10 times the wave height, which is 0.4-0.7 of the nominal diameter of the pipe. The nominal diameter of the pipe depends on the cross-sectional area and is

.

Трубу 1 изготавливают следующим образом. На стандартном листогибочном прессе из полос осуществляют гибку двух симметричных половин 2 и 3 с плавниковыми ребрами 4 с двух сторон. Труба 1 и соответственно части 2 и 3 могут быть разной конфигурации: круглой, овальной, квадратной, ромбической, прямоугольной и т.д. Далее соединяют половины 2 и 3 с помощью аппарата для контактной шовной сварки по плавниковым ребрам 4. Внутрь трубы 1 вставляют турбулизатор 5, который получен из ленты путем изгиба в кондукторе. Турбулизатор 5 устанавливается внутрь трубы 1 с упором своими углами в стенки трубы 1.The pipe 1 is made as follows. On a standard press brake from strips, two symmetrical halves 2 and 3 are bent with fin ribs 4 on both sides. Pipe 1 and, accordingly, parts 2 and 3 can be of different configurations: round, oval, square, rhombic, rectangular, etc. Next, halves 2 and 3 are connected using the apparatus for resistance seam welding along the fin ribs 4. Inside the pipe 1, a turbulator 5 is inserted, which is obtained from the tape by bending in the conductor. The turbulator 5 is installed inside the pipe 1 with its angles resting on the walls of the pipe 1.

При протекании внутри трубы 1 теплоносителя в виде горячих дымовых газов теплопередача интенсифицируется благодаря наличию внутри нее турбулизатора 5. Это происходит за счет возникновения вихрей в теплоносителе, которые снижают толщину пристеночного ламинарного слоя, кроме того, турбулизатор, нагреваясь в потоке теплоносителя, является источником лучистой тепловой энергии, а поскольку степень черноты турбулизатора выше чем дымовых газов, то улучшается лучистая теплопередача от теплоносителя к стенке трубы. Снаружи теплопередача улучшается за счет продольных длавников 4, которые, нагреваясь, являются дополнительной поверхностью теплообмена.When the coolant in the form of hot flue gases flows inside the pipe 1, the heat transfer is intensified due to the presence of a turbulator 5. It is due to the occurrence of vortices in the coolant, which reduce the thickness of the wall laminar layer, in addition, the turbulator, when heated in the coolant flow, is a source of radiant thermal energy, and since the degree of blackness of the turbulator is higher than that of flue gases, the radiant heat transfer from the coolant to the pipe wall improves. Outside, heat transfer is improved due to the longitudinal fins 4, which, when heated, are an additional heat transfer surface.

Предлагаемое конструктивное решение теплообменного элемента, по сравнению с существующими, достаточно простое и технологичное в изготовлении, является экономичным и удобным в эксплуатации при сохранении достаточной эффективности теплообмена.The proposed constructive solution of the heat exchange element, in comparison with the existing ones, is quite simple and technologically advanced to manufacture, it is economical and convenient to use while maintaining sufficient heat transfer efficiency.

Claims

1. A heat exchange element comprising a pipe with longitudinal fin ribs, characterized in that the pipe consists of two symmetrical halves with ribs on both sides with the possibility of connecting these halves by welding along the ribs, and a turbulator is installed inside the pipe with emphasis with its angles in the pipe walls, representing a wavy tape with a wavelength exceeding 5-10 times their height, which is 0.4-0.7 of the nominal diameter of the pipe.

2. A method of manufacturing a heat-exchange element, including obtaining a pipe with longitudinal fin ribs, characterized in that the pipe is produced by bending from a strip in the form of two symmetrical halves with longitudinal ribs on both sides and then connecting these halves by welding along these ribs and inside pipes with an emphasis on their angles in the pipe walls install a turbulator made of tape curved in the form of a wave.