RU2496072C1 - Теплообменная труба - Google Patents
Теплообменная труба Download PDFInfo
- Publication number
- RU2496072C1 RU2496072C1 RU2012120495/06A RU2012120495A RU2496072C1 RU 2496072 C1 RU2496072 C1 RU 2496072C1 RU 2012120495/06 A RU2012120495/06 A RU 2012120495/06A RU 2012120495 A RU2012120495 A RU 2012120495A RU 2496072 C1 RU2496072 C1 RU 2496072C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- heat exchange
- exchange pipe
- heat transfer
- pipe
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Изобретение относится к энергетике. Теплообменная труба, у которой канал выполнен с выступами и канавками, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями: h/Д=0,03, l1=(90-100)/h, l2=(90-100)h, где h - высота выступа, мм, Д - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм, l1 - длина выступа, мм, l2 - длина канавки, мм. Изобретение позволяет повысить энергетическую эффективность за счет снижения гидросопротивления. 4 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники.
Известна теплообменная труба (канал «е»), в которой в качестве интенсификатора теплообмена (ИТО) служат узкие (L<<t) кольцевые канавки на внутренней поверхности трубы. В этом канале взаимодействие потока и стенки полностью определяется теплообменом и трением в пристенных внутренних пограничных слоях (ВПС) ВПС1 и ВПС2, турбулизацию которых обеспечивает рециркуляционная зона (РЗ) [Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Абдрахманов А.Р. Расчет турбулентной теплоотдачи и сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками // Изв. вузов. Авиационная техника. 1997. №3. С.56-68]. Механизм ИТО заключается в том, что РЗ размещена в канавке, что позволяет сократить размеры РЗ. Опыты с кольцевыми канавками проведены только для наружной поверхности труб в межтрубном потоке теплообменного аппарата (ТА) в ограниченном диапазоне характеристических параметров -
: Re=3·103-2·104, где
- относительный шаг выступов, Re - число Рейнольдса.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является теплообменная труба (канал «б»), для которой характерны большой шаг
и узкие выступы [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2007. №6. С.925-953]. Идея схемы потока следующая. После каждого выступа образуется РЗ1, на поверхности которой и далее за точкой присоединения xк≈6h, где h - высота выступа, развивается турбулентный внутренний пограничный слой - ВПС1 (толщиной δ). Под РЗ1 формируется возвратный ВПС2 (Малая РЗ2 не учитывается). Участок канала с шагом t - типовой (повторяющийся). Теплогидродинамическое взаимодействие потока со стенкой полностью определяется процессами переноса внутри ВПС1 и ВПС2. Основной вклад в интенсификацию теплообмена вносят факторы повышенной теплоотдачи в зоне присоединения и малого термического сопротивления тонкого обновленного турбулизированного ВПС1 за точкой присоединения. Главное назначение отрывной рециркуляционной области течения - РЗ1 - производство дополнительной турбулентности, воздействие которой на обновленный ВПС1 стимулирует процесс теплообмена около стенки (Отрыв потока, обновление пограничного слоя и образование РЗ1 - результат действия выступа).
Недостатком известных теплообменных труб является высокое гидросопротивление и низкая эффективность.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической эффективности за счет снижения гидросопротивления.
Технический результат достигается тем, что в теплообменной трубе, канал которой выполнен с выступами и канавками, согласно заявляемому изобретению канал выполнен с геометрическими соотношениями:
h/Д=0,03, l1=(90-100)/h, l2=(90-100)h, где
h - высота выступа, мм;
Д - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм;
l1 - длина выступа, мм;
l2 - длина канавки, мм.
Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей, где на фиг.1 изображен канал предлагаемой теплообменной трубы, на фиг.2, 3, 4, табл.1 показаны результаты расчетов эффективности (интенсивность теплоотдачи, коэффициент гидравлического сопротивления, относительный энергетический коэффициент) каналов «е», «б» и «в».
Таким образом, для достижения технического результата предложена заявляемая конструкция теплообменной трубы (канал «в»). Канал «в» является последовательностью широких канавок l2=(90-100)h и широких выступов l1=(90-100)/h. Модель течения (и механизм ИТО) в этом канале основывается на тонких (обновленных) ВПС1; 2; 3, которые турбулизируются (внешняя турбулентность) вихревыми возмущениями от РЗ1, образующейся за обратным уступом при входе потока в канавку, и возмущениями, возникающими на прямом уступе при натекании потока на выступ.
Отрезок t канала «в» - типовой. При h/Д<0,05 происходит быстрая релаксация ВГТС1; 3 к состоянию «стандартного» ВПС на гладкой стенке. Соотношения толщин ВПС1 и ВПС3 - δ1; δ3 «Д» - позволяют отождествлять течение в трубе с течением на плоской стенке и для расчета ВПС воспользоваться теорией переноса на пластине. Целесообразно использовать интенсифицирующие процесс теплообмена элементы с размерами, не более толщины пограничного слоя. Это резко уменьшит гидравлическое сопротивление.
Основная часть термического сопротивления в потоке газов и жидкостей приходиться 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, FundamentalHeatandMassTransferResearchInTheDevelopmentOfNewHeatExchangersConcepts // 1993CHMTInternationalSymposiumOnNewDevelopmentInHeatExchangers.Lisbon. Portugal. PaperL.l). 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.
Оптимальная высота hопт выступов, шероховатостей и т.п. в трубах при течении газов и жидкостей определяется формулой:
ε - коэффициент гидравлического сопротивления в трубе, который зависит от числа Рейнольдса Re (для турбулентного режима течения в трубе рассчитывается по формуле Блазиуса: ε=0,3164/Re0,25);
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).
Повышение теплоотдачи в трубе посредством кольцевых поперечных выступов αи/αгл (αи - коэффициент теплоотдачи в теплообменной трубе с кольцевыми поперечными выступами, αгл - 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 каналах. М.: Машиностроение, 1972). Оптимальная высота выступов hопт в теплообменной трубе, позволяющая обеспечивать максимум соотношения αи/αгл 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 hопт уменьшается при увеличении чисел Pr и Re турбулентного режима.
Расчет канала строится следующим образом.
Вычисляются местные коэффициенты αx для ВПС1 на отрезке от хk до l2
Nux=αx·х/λ; Rex=w·x/v;
w - среднерасходная скорость в канале ⌀Д; λ, ν - коэффициенты теплопроводности и кинематической вязкости. Вносится поправка на влияние внешней турбулентности (Tu) на теплоотдачу ВПС 1
αхи/αx=1+[0,41·th(0,2Tu)].
n1=3,71·10-3·Tumax 1,41.
αхи - местное истинное значение; Tu - локальная величина; Tumax=10%. Местные касательное напряжение трения и коэффициент сопротивления для ВПС1
Расчет ВПС3 аналогичен.
Расчет локальной теплоотдачи для ВПС2 проводится с помощью универсальной функции для обратного уступа αx2/αxk=f(х/xk), где αxk вычисляется для ВПС1. Одинаковым образом рассчитывается трение ВПС2. Осреднение местных параметров ВПС1; 2; 3 позволяет получить средние величины α; τw на участке t (и во всем канале).
Суммарные потери давления на отрезке t
ΔρΣ=Δpm+Δpp+Δpc;
Δpm =Rm/(πД2/4):Rm=πДtτw;
Δpm - потери на трение; Rm - сила трения; Δрр; Δpc - местные потери на внезапные расширение и сужение при обтекании канавки. Коэффициент ε на участке t (и во всем канале) находится из формулы Дарси
Модель универсальна по числам Re и Pr.
При сравнении характеристик каналов условия их расчета одинаковы. h=0,03 принята из рекомендованного диапазона, Re=104-106. Проведены многовариантные расчеты с различными сочетаниями геометрических параметров ИТО для каждого канала. Например, в расчетах канала «в» размеры канавки и выступа изменялись (в различных комбинациях) в пределах
;
;
В качестве критерия эффективности канала и оптимального варианта размеров ИТО служил относительный энергетический коэффициент
. При сопоставлении вариантов одного канала (при каждом Re) показателем наиболее высокой эффективности канала и оптимальных размеров ИТО являлся случай
.
Некоторые результаты расчетов эффективности для всех каналов даны в табл.1 и на фиг.2-4.
Теплофизическое существо механизмов ИТО в этих каналах принципиально аналогичное, поэтому интенсивность теплоотдачи в них почти одинакова (см. табл.1, фиг.2). При детальной оценке можно отметить, что
, при этом
превышает
примерно на 2%.
Относительная теплоотдача не зависит от числа Re (
), т.к. характер функций Nu=f(Ren), идентичный для гладкого канала и каналов «е», «б» и «в». Модели всех каналов объективно отражают их свойства: при повышенных числах Re и
нарастание сопротивления обгоняет увеличение теплоотдачи
(см. табл.1).
Таблица 1 | ||||||||||
Эффективность и оптимальные размеры каналов | ||||||||||
Канал «е» (t/h=100) | ||||||||||
Re | 10000 | 20000 | 30000 | 40000 | 50000 | 120000 | 250000 | 500000 | 750000 | 1000000 |
Nu/Nuгл | 1,406 | 1,406 | 1,406 | 1,406 | 1,406 | 1,406 | 1,406 | 1,406 | 1,406 | 1,406 |
ε/εгл | 0,948 | 1,128 | 1,248 | 1,341 | 1,418 | 1,765 | 2,12 | 2,521 | 2,79 | 2,998 |
(Е'/Е'гл)max | 1,483 | 1,247 | 1,127 | 1,049 | 0,992 | 0,797 | 0,663 | 0,558 | 0,504 | 0,469 |
Канал «б» (t/h=100) | ||||||||||
Re | 10000 | 20000 | 30000 | 40000 | 50000 | 120000 | 250000 | 500000 | 750000 | 1000000 |
Nu/Nuгл | 1,414 | 1,414 | 1,414 | 1,414 | 1,414 | 1,414 | 1,414 | 1,414 | 1,414 | 1,414 |
ε/εгл | 1,011 | 1,193 | 1,314 | 1,408 | 1,486 | 1,836 | 2,194 | 2,598 | 2,868 | 3,078 |
(Е'/Е'гл)max | 1,399 | 1,186 | 1,076 | 1,004 | 0,952 | 0,77 | 0,645 | 0,544 | 0,493 | 0,46 |
Канал «в» (l1=100h, l2=100h) | ||||||||||
Re | 10000 | 20000 | 30000 | 40000 | 50000 | 120000 | 250000 | 500000 | 750000 | 1000000 |
Nu/Nuгл | 1,436 | 1,436 | 1,436 | 1,436 | 1,436 | 1,436 | 1,436 | 1,436 | 1,436 | 1,436 |
ε/εгл | 1,483 | 1,588 | 1,655 | 1,707 | 1,748 | 1,929 | 2,105 | 2,297 | 2,423 | 2,519 |
(Е'/Е'гл)max | 0,968 | 0,904 | 0,867 | 0,841 | 0,821 | 0,747 | 0,682 | 0,625 | 0,593 | 0,57 |
Размерные коэффициенты ε для всех каналов автомодельны относительно числа Re-ε≠f/(Re), что свойственно дискретной и песчано-зернистой шероховатости Никурадзе в режиме полного проявления шероховатости.
На большей части диапазона чисел Re сопротивление канала «в» заметно ниже величины
(до 20%), (см. фиг.3), что связано с меньшим количеством РЗ на единицу длины в канале «в». Улучшенная теплоотдача и пониженное сопротивление привели к повышенной эффективности канала «в» по сравнению с другими (см. табл.1, фиг.4). В равных условиях эффективность канала «в» выше, чем показатель проверенного практикой высокоэффективного канала «б» (см. фиг.4).
Согласно расчетам предлагаемая теплообменная труба (интенсифицированный канал «в») при Re>2·105 обладает высокой теплогидравлической эффективностью.
Особое позитивное качество предлагаемой теплообменной трубы типа «в»: в широкой области чисел Re максимальная эффективность
достигается при одинаковых размерах выступа и канавки l1=l2=100/г, табл.1. В случае формирования (производства) интенсификаторов методом накатки внутренняя и наружная поверхности теплообменной трубы будет иметь одинаковые форму и размеры, тогда в частных условиях Re; Pr=idem для трубного и продольного межтрубного потоков в ТА (например, водо-водяных) эффективность и коэффициенты а внутри и снаружи трубы будут равны.
Использование предлагаемой теплообменной трубы позволит повысить энергетическую эффективность за счет снижения гидросопротивления.
Следовательно, открывается возможность реализации высокоэффективного варианта теплообменного аппарата (ТА) и значительной экономии электроэнергии и конструкционных материалов.
Claims (1)
- Теплообменная труба, канал которой выполнен с выступами и канавками, отличающаяся тем, что канал выполнен с геометрическими соотношениями:
h/Д=0,03, l1=(90-100)h, l2=(90-100)h, где
h - высота выступа, мм
Д - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм
l1 - длина выступа, мм
l2 - длина канавки, мм
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012120495/06A RU2496072C1 (ru) | 2012-05-17 | 2012-05-17 | Теплообменная труба |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012120495/06A RU2496072C1 (ru) | 2012-05-17 | 2012-05-17 | Теплообменная труба |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2496072C1 true RU2496072C1 (ru) | 2013-10-20 |
Family
ID=49357254
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012120495/06A RU2496072C1 (ru) | 2012-05-17 | 2012-05-17 | Теплообменная труба |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2496072C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU214454U1 (ru) * | 2022-07-20 | 2022-10-28 | Акционерное общество "Волжский трубный завод" | Труба горячепрессованная с внутренним винтообразным оребрением |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1071068A1 (ru) * | 1982-03-24 | 1985-06-07 | Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова | Теплообменна труба конденсатора |
US6173762B1 (en) * | 1993-07-07 | 2001-01-16 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Heat exchanger tube for falling film evaporator |
RU37547U1 (ru) * | 2003-12-15 | 2004-04-27 | Открытое Акционерное Общество "Инжиниринговая Компания "Зиомар" | Теплообменная труба |
JP2006322661A (ja) * | 2005-05-18 | 2006-11-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 放熱用伝熱管および放熱器 |
-
2012
- 2012-05-17 RU RU2012120495/06A patent/RU2496072C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1071068A1 (ru) * | 1982-03-24 | 1985-06-07 | Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова | Теплообменна труба конденсатора |
US6173762B1 (en) * | 1993-07-07 | 2001-01-16 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Heat exchanger tube for falling film evaporator |
RU37547U1 (ru) * | 2003-12-15 | 2004-04-27 | Открытое Акционерное Общество "Инжиниринговая Компания "Зиомар" | Теплообменная труба |
JP2006322661A (ja) * | 2005-05-18 | 2006-11-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 放熱用伝熱管および放熱器 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
ГОРТЫШОВ Ю.Ф., ОЛИМПИЕВ В.В., АБДРАХМАНОВ А.Р. Расчет турбулентной теплоотдачи и сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками // Изв. Вузов, Авиационная техника, 1997, номер 3, с.56 * |
ЛЕОНТЬЕВ А.И., ОЛИМПИЕВ В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) // Теплофизика высоких температур, 2007, номер 6, c.925-953. * |
ЛЕОНТЬЕВ А.И., ОЛИМПИЕВ В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) // Теплофизика высоких температур, 2007, номер 6, c.925-953. ГОРТЫШОВ Ю.Ф., ОЛИМПИЕВ В.В., АБДРАХМАНОВ А.Р. Расчет турбулентной теплоотдачи и сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками // Изв. Вузов, Авиационная техника, 1997, номер 3, с.56-68. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU214454U1 (ru) * | 2022-07-20 | 2022-10-28 | Акционерное общество "Волжский трубный завод" | Труба горячепрессованная с внутренним винтообразным оребрением |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yang et al. | Experimental study on convective heat transfer and flow resistance characteristics of water flow in twisted elliptical tubes | |
Pethkool et al. | Turbulent heat transfer enhancement in a heat exchanger using helically corrugated tube | |
Aroonrat et al. | Heat transfer and single-phase flow in internally grooved tubes | |
JP4420117B2 (ja) | 熱交換器用伝熱管及びこれを用いた熱交換器 | |
Rashidi et al. | Thermo-fluid performance and entropy generation analysis for a new eccentric helical screw tape insert in a 3D tube | |
Kukulka et al. | Thermal-hydraulic performance of Vipertex 1EHT enhanced heat transfer tubes | |
Luo et al. | 3D numerical investigation of trans-critical heat transfer enhancement in regeneration cooling channel with crescent rib | |
Poongavanam et al. | Effect of shot peening on enhancing the heat transfer performance of a tubular heat exchanger | |
CN101886887A (zh) | 金属热交换器管 | |
Kapatkar et al. | Experimental investigation on heat transfer enhancement in laminar flow in circular tube equipped with different inserts | |
RU2496072C1 (ru) | Теплообменная труба | |
Song et al. | Experimental study on flow characteristics of rectangular narrow channel | |
Liu et al. | Experimental study on flow and heat transfer of supercritical carbon dioxide in zigzag channels with bending angle 30° for advanced nuclear systems | |
Ghobadi et al. | Pressure drop in mini-scale coiled tubing | |
Ma et al. | Numerical study of internally finned bayonet tubes in a high temperature bayonet tube heat exchanger with inner and outer fins | |
JP5642462B2 (ja) | 熱交換器用伝熱管、及びこれを用いた熱交換器 | |
RU2511859C1 (ru) | Теплообменная труба | |
Sahel et al. | Prediction of heat transfer development in a smooth tube | |
Kedzierski et al. | Single-phase heat transfer and pressure drop characteristics of an integral-spine fin within an annulus | |
RU2502931C2 (ru) | Теплообменник труба в трубе | |
JP6223298B2 (ja) | 管内単相流用伝熱管 | |
Al-Kayiem et al. | Ribbed double pipe heat exchanger: analytical analysis | |
Chalaev et al. | Heat transfer enhancement in a corrugated tube heat exchanger | |
Olimpiev et al. | Energy-efficient intensifiers of laminar heat transfer | |
CN206036415U (zh) | 一种压缩式盘管 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150518 |