RU2502931C2 - Double-pipe heat exchanger - Google Patents
Double-pipe heat exchanger Download PDFInfo
- Publication number
- RU2502931C2 RU2502931C2 RU2011150075/06A RU2011150075A RU2502931C2 RU 2502931 C2 RU2502931 C2 RU 2502931C2 RU 2011150075/06 A RU2011150075/06 A RU 2011150075/06A RU 2011150075 A RU2011150075 A RU 2011150075A RU 2502931 C2 RU2502931 C2 RU 2502931C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipe
- screw
- internal
- inner pipe
- medium
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Заявленное изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств.The claimed invention relates to heat exchange equipment and can be used in various industries, agriculture and utilities.
Известны теплообменники типа «труба в трубе», представляющие из себя две трубы, одна из которых, меньшего диаметра, расположена внутри другой - большего диаметра, с кольцевым зазором, называемым межтрубным пространством. По внутренней трубе прокачивается среда (жидкая или газообразная) например, более высокой температуры (горячая), а по межтрубному пространству - среда с меньшей температурой (холодная). При этом стенка внутренней трубы нагревается и передает тепло холодной среде, у которой таким образом температура повышается. Направление передачи тепла может быть таким, как указано выше, или в противоположном направлении в зависимости от соотношения температур во внутренней трубе и в межтрубном пространстве.Known heat exchangers of the "pipe in pipe" type, which are two pipes, one of which, of a smaller diameter, is located inside the other, of a larger diameter, with an annular gap called the annular space. A medium (liquid or gaseous), for example, of a higher temperature (hot) is pumped through the inner pipe, and a medium with a lower temperature (cold) is pumped through the annulus. In this case, the wall of the inner pipe heats up and transfers heat to the cold medium, in which the temperature thus rises. The direction of heat transfer may be as described above or in the opposite direction depending on the temperature ratio in the inner pipe and in the annulus.
Эффективность теплообмена, кроме того, зависит от степени турбулизации потока и от вязкости сред - эффективность возрастает с ростом турбулизации и с уменьшением вязкости.The heat transfer efficiency, in addition, depends on the degree of turbulization of the flow and on the viscosity of the media - the efficiency increases with increasing turbulization and with a decrease in viscosity.
Если для конкретных сред принять одинаковыми их начальные температуры, а следовательно вязкости, и диаметры труб, то единственным способом увеличения эффективности теплообмена между ними останется увеличение турбулентности, которого при гладких трубах можно достичь только увеличением скоростей сред.If for specific media their initial temperatures, and therefore viscosity, and pipe diameters are assumed to be the same, then the only way to increase the heat transfer efficiency between them will be to increase turbulence, which with smooth pipes can be achieved only by increasing the speeds of the media.
Повышение эффективности теплообмена позволяет сократить необходимую площадь теплообмена, уменьшить длину теплообменника, другие его габариты и массу. Но повышение скоростей сред в трубах требует увеличения мощности насосов, которые прокачивают эти жидкости. Если учесть, что повышение турбулентности пропорционально скорости среды, а требующиеся мощности насосов - квадрату скоростей, то очевидно, что повышение скоростей сред имеет определенный предел, после достижения которого дальнейшее повышение скоростей становится невыгодным.Improving the efficiency of heat transfer reduces the required heat transfer area, reduce the length of the heat exchanger, its other dimensions and weight. But increasing the speed of the media in the pipes requires an increase in the power of the pumps that pump these fluids. Given that the increase in turbulence is proportional to the speed of the medium, and the required pump power is proportional to the square of the speeds, it is obvious that the increase in the speeds of the media has a certain limit, after which a further increase in speeds becomes unprofitable.
Поэтому стремятся увеличить турбулизацию за счет установки во внутренней трубе и в межтрубном пространстве различного вида турбулизующих элементов.Therefore, they seek to increase turbulization due to the installation in the inner tube and in the annular space of a different type of turbulizing elements.
Например, известны теплообменники «труба в трубе», в которых на внутреннюю трубу намотана проволока, имеющая различные шаги навивки и конфигурацию.For example, pipe-in-pipe heat exchangers are known in which a wire having various winding steps and configurations is wound around an inner pipe.
Недостатком таких теплообменников является незначительное повышение турбулизации с опережающим ростом гидравлического сопротивления.The disadvantage of such heat exchangers is a slight increase in turbulization with an outstripping increase in hydraulic resistance.
Известны, также, теплообменники, на внутреннюю трубу которых установлены, например, на сварке, винтообразные ребра, высота которых почти равна расстоянию от внутренней трубы до наружной. Такие ребра в большей степени повышают турбулентность среды в межтрубном пространстве по сравнению с намоткой проволоки. Кроме того они увеличивают площадь теплового контакта стенки внутренней трубы со средой межтрубного пространства, т.е. повышают эффективность теплообмена.Also known are heat exchangers, on the inner pipe of which are installed, for example, for welding, helical ribs, the height of which is almost equal to the distance from the inner pipe to the outer. Such ribs to a greater degree increase the turbulence of the medium in the annulus compared with the winding of the wire. In addition, they increase the area of thermal contact of the wall of the inner pipe with the annulus; increase heat exchange efficiency.
Недостатками таких теплообменников являются следующие:The disadvantages of such heat exchangers are as follows:
- не вся среда в межтрубной полости вовлекается в винтовое движение - часть ее протекает сквозь кольцевой зазор между винтовыми ребрами и наружной трубой;- not all of the medium in the annular cavity is involved in the screw movement - part of it flows through the annular gap between the screw ribs and the outer pipe;
- увеличение скорости среды, ее турбулизации происходит всего на несколько процентов, в крайнем случае, на несколько десятков процентов, поскольку угол подъема винтовой линии ребер невелик, а с увеличением угла подъема гидравлическое сопротивление возрастает значительно быстрее роста турбулизации и все большее количество среды начинает протекать сквозь кольцевой зазор;- the increase in the speed of the medium, its turbulization occurs by only a few percent, in extreme cases, by several tens of percent, since the angle of elevation of the helical line of the ribs is small, and with an increase in the angle of elevation, the hydraulic resistance increases much faster than turbulization and an increasing amount of medium begins to flow through annular clearance;
- теплоотдача от среды во внутренней трубе к ее стенке остается на прежнем, сравнительно низком уровне, а оно и определяет эффективность теплопередачи в целом.- heat transfer from the medium in the inner pipe to its wall remains at the same, relatively low level, and it determines the efficiency of heat transfer as a whole.
Известен теплообменник «труба в трубе» по патенту №SU 1222207. В этом теплообменнике внутрь внутренней трубы установлена турбулизирующая вставка в виде закрученной по винтовой линии полосы из металлического листа с турбулизирующими лепестками вдоль ее продольных кромок. Эта вставка вызывает закручивание по винтовой линии, существенно увеличивает турбулизацию среды во внутренней трубе и теплоотдачу от среды к стенке.Known heat exchanger "pipe in pipe" according to patent No. SU 1222207. In this heat exchanger, a turbulizing insert is installed inside the inner pipe in the form of a strip of metal sheet swirling along a helical line with turbulent lobes along its longitudinal edges. This insert causes twisting along the helix, significantly increases the turbulization of the medium in the inner pipe and the heat transfer from the medium to the wall.
Указанный теплообменник принят за прототип.The specified heat exchanger is taken as a prototype.
Однако он имеет следующие недостатки:However, it has the following disadvantages:
- не вся среда во внутренней трубе вовлекается в винтовое движение (ориентировочно только 20-30%), что не позволяет достичь максимально возможной турбулизации среды;- not all the medium in the inner tube is involved in the screw movement (approximately only 20-30%), which does not allow to achieve the maximum possible turbulization of the medium;
- велико контактное термическое сопротивление турбулизирующей вставки с внутренней поверхностью трубы (турбулизирующая вставка касается внутренней поверхности трубы только в отдельных точках, причем, простым прижатием к ней за счет упругих сил. А такое прижатие не вполне надежно и в любой момент может ослабнуть - т.е. термическое сопротивление в месте контакта увеличится и может стать неприемлемо большим).- the contact thermal resistance of the turbulizing insert with the inner surface of the pipe is large (the turbulizing insert touches the inner surface of the pipe only at individual points, moreover, by simply pressing it due to elastic forces. And such a pressing is not completely reliable and can weaken at any moment - i.e. thermal resistance at the point of contact will increase and may become unacceptably large).
- большое контактное термическое сопротивление лишает турбулизирующую вставку существенной своей функции - передавать тепло от нее к стенке внутренней трубы за счет теплопроводности, (что равносильно увеличению теплообменной поверхности внутренней трубы).- a large contact thermal resistance deprives the turbulent insert of its essential function - to transfer heat from it to the wall of the inner pipe due to heat conduction (which is equivalent to an increase in the heat transfer surface of the inner pipe).
Целью настоящего изобретения является более существенное увеличение коэффициента теплопередачи - не на десятки процентов, а в несколько раз, что, в свою очередь позволит во столько же раз сократить длину теплообменника и, следовательно, также в разы уменьшить его габариты и массу, хотя в несколько меньшей степени, чем уменьшение длины.The aim of the present invention is to more significantly increase the heat transfer coefficient - not by tens of percent, but several times, which, in turn, will allow to reduce the length of the heat exchanger by the same amount and, therefore, also reduce its dimensions and weight by several times, although slightly less degree than length reduction.
Предлагаемый настоящим изобретением теплообменник «труба в трубе» отличается от прототипа тем, что внутреннее пространство внутренней трубы и межтрубное пространство между внутренней и наружной трубами представляют из себя винтовые полости, образованные стенками труб и винтовыми вставками, установленными внутри внутренней трубы и внутри межтрубного пространства таким образом, что внутренняя винтовая вставка соединена, преимущественно с помощью сварки или пайки, с внутренней поверхностью внутренней трубы, а винтовая вставка в межтрубном пространстве соединена таким же образом с наружной поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью наружной трубы, причем, материалы внутренней трубы, винтовых вставок и места стыков винтовых вставок со стенками внутренней трубы должны иметь минимальные термические сопротивления.The pipe-in-pipe heat exchanger proposed by the present invention differs from the prototype in that the inner space of the inner pipe and the annular space between the inner and outer pipes are screw cavities formed by pipe walls and screw inserts installed inside the inner pipe and inside the annular space in this way that the inner screw insert is connected, mainly by welding or soldering, to the inner surface of the inner pipe, and the screw insert in the interior The foot space is connected in the same way with the outer surface of the inner pipe and the inner surface of the outer pipe, moreover, the materials of the inner pipe, screw inserts and the joints of the screw inserts with the walls of the inner pipe must have minimal thermal resistance.
Устройство предлагаемого теплообменника схематически показано на фиг.1 и фиг.2.The device of the proposed heat exchanger is schematically shown in figure 1 and figure 2.
На фиг.1 показан продольный разрез теплообменника, на фиг.2 - его поперечный разрез.Figure 1 shows a longitudinal section of a heat exchanger, figure 2 - its cross section.
Фиг.1: 1 - внутренняя труба; 2 - наружная труба; 3 - винтовая вставка во внутренней трубе; 4 - винтовая вставка в межтрубном пространстве; 5 - винтовая полость во внутренней трубе; 6 - винтовая полость в межтрубном пространстве; Б - вход среды во внутреннюю трубу; В - выход среды из внутренней трубы; Г - вход среды в межтрубное пространство; Д - выход среды из межтрубного пространства.Figure 1: 1 - inner tube; 2 - an external pipe; 3 - screw insert in the inner pipe; 4 - screw insert in the annulus; 5 - a helical cavity in the inner pipe; 6 - a helical cavity in the annulus; B — medium inlet to the inner pipe; In - the output of the medium from the inner pipe; G is the input of the medium into the annulus; D is the output of the medium from the annulus.
Фиг.2: Е - винтовое движение среды во внутренней трубе; Ж - винтовое движение среды в межтрубном пространстве.Figure 2: E - helical movement of the medium in the inner pipe; F - helical motion of the medium in the annulus.
Работает теплообменник следующим образом: в винтовую полость трубы поз.1 поступает горячая среда и сразу приобретает винтовое движение, например, по часовой стрелке. При своем движении среда омывает поверхность винтовой вставки поз.3 и внутреннюю поверхность трубы поз.1 и передает им тепло. Одновременно тепло к внутренней поверхности трубы поз.1 передается теплопроводностью по винтовой вставке поз.3.The heat exchanger operates as follows: a hot medium enters the screw cavity of the pipe pos. 1 and immediately acquires a helical movement, for example, clockwise. During its movement, the medium washes the surface of the screw insert pos.3 and the inner surface of the pipe pos.1 and transfers heat to them. At the same time, heat to the inner surface of the pipe, pos. 1, is transferred by thermal conductivity through a screw insert, pos. 3.
Эффективность теплоотдачи от среды в трубе поз.1 к ее стенке в первом приближении пропорциональна критерию Рейнольдса (Re), а тот, в свою очередь, пропорционален скорости среды относительно стенки при прочих равных условиях. Если во внутреннюю трубу не устанавливать винтовую вставку, то скорость среды внутри нее будет равна скорости таковой на входе в трубу (т.е. по стрелке Б, фиг.1) и путь среды будет равен длине взятого отрезка трубы.The efficiency of heat transfer from the medium in the pipe,
При установленной вставке и при шаге ее винтовой поверхности равной, например, внутреннему диаметру трубы поз.1 путь среды относительно стенки увеличивается в 3,14 раза. Но, чтобы вся среда, поступающая в винтовую полость трубы поз.1 успела пройти этот отрезок трубы, скорость ее должна возрасти также в 3,14 раза. Пропорционально этому увеличивается критерий Рейнольдса и, следовательно, также пропорционально и коэффициент теплоотдачи.When the insert is installed and with the step of its helical surface equal, for example, to the inner diameter of the pipe,
Таким образом, коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке увеличивается по меньшей мере в 3,14 раза. В действительности увеличение будет больше, поскольку при оценке не были учтены два существенных фактора, способствующих повышению коэффициента теплоотдачи:Thus, the coefficient of heat transfer from the liquid to the wall increases at least 3.14 times. In fact, the increase will be greater, since the assessment did not take into account two significant factors contributing to an increase in the heat transfer coefficient:
а) турбулизация пограничного слоя у внутренней стенки трубы;a) turbulization of the boundary layer at the inner wall of the pipe;
б) передача тепла к внутренней стенке за счет теплопроводности винтовой вставки.b) heat transfer to the inner wall due to the thermal conductivity of the screw insert.
Оценить степень влияния названных факторов на повышение коэффициента теплоотдачи точно не представляется возможным, а примерно это - 40-80%.It is definitely not possible to assess the degree of influence of these factors on increasing the heat transfer coefficient, but approximately this is 40-80%.
Но, даже без учета этих двух факторов, увеличение коэффициента теплоотдачи весьма впечатляюще. Тем более, что возможно его увеличение еще в несколько раз. Для этого следует только уменьшить шаг винтовой вставки во внутренней трубе. Например, при уменьшении этого шага в три раза, примерно во столько же раз увеличатся соответственно скорость среды относительно внутренней стенки внутренней трубы, критерий Рейнольдса и в целом коэффициент теплоотдачи.But, even without taking these two factors into account, the increase in the heat transfer coefficient is very impressive. Moreover, it is possible to increase it several times more. To do this, only reduce the pitch of the screw insert in the inner pipe. For example, if this step is reduced by a factor of three, the velocity of the medium relative to the inner wall of the inner pipe, the Reynolds criterion, and the heat transfer coefficient as a whole will increase by approximately the same amount.
Аналогичная картина наблюдается в межтрубном пространстве. Т.е. с установленной винтовой вставкой, в зависимости от внутреннего диаметра наружной трубы и шага винтовой вставки в ней, увеличивается коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы к межтрубной среде примерно во столько же раз, как и от среды во внутренней трубе к ее стенке.A similar picture is observed in the annulus. Those. with a screw insert installed, depending on the inner diameter of the outer pipe and the pitch of the screw insert in it, the heat transfer coefficient from the wall of the inner pipe to the annular medium increases about the same amount as from the medium in the inner pipe to its wall.
Использование изобретения позволяет интенсифицировать теплообмен как за счет улучшения гидродинамической структуры течения и повышения переносных свойств среды, так и за счет фактора развития теплообменной поверхности. Это влечет за собой сокращение необходимой длины теплообменников типа «труба в трубе» до десяти и более раз и соответствующее уменьшение массы и габаритных размеров теплообменников.The use of the invention allows to intensify heat transfer both by improving the hydrodynamic structure of the flow and increasing the portable properties of the medium, and due to the development factor of the heat exchange surface. This entails a reduction in the required length of the pipe-in-pipe heat exchangers up to ten or more times and a corresponding reduction in the mass and overall dimensions of the heat exchangers.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150075/06A RU2502931C2 (en) | 2011-12-08 | 2011-12-08 | Double-pipe heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150075/06A RU2502931C2 (en) | 2011-12-08 | 2011-12-08 | Double-pipe heat exchanger |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011150075A RU2011150075A (en) | 2013-06-20 |
RU2502931C2 true RU2502931C2 (en) | 2013-12-27 |
Family
ID=48785002
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011150075/06A RU2502931C2 (en) | 2011-12-08 | 2011-12-08 | Double-pipe heat exchanger |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2502931C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2563946C1 (en) * | 2014-11-05 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" | Heat exchanger |
RU181284U1 (en) * | 2017-07-28 | 2018-07-09 | Александр Иванович Николаев | Pipe arrangement for heat exchangers |
RU2743689C1 (en) * | 2020-02-14 | 2021-02-24 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) | Heat exchanger |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1222207A3 (en) * | 1976-06-30 | 1986-03-30 | Трансэлектро Мадьяр Вилламошшаги Кюлькерешкеделми Валлалат (Инопредприятие) | Heat exchanger tube |
SU1740944A1 (en) * | 1989-07-18 | 1992-06-15 | Ташкентский Политехнический Институт Им.А.Р.Бируни | Heat exchanger |
CN201281561Y (en) * | 2008-08-21 | 2009-07-29 | 西安石油大学 | Shell-pipe head exchanger by double helix flowing of fluid medium in or out of heat exchange tube |
CN101566437A (en) * | 2008-04-26 | 2009-10-28 | 赵文阁 | Composite sleeve double-helix heat exchanger |
RU98555U1 (en) * | 2010-04-14 | 2010-10-20 | Евгений Александрович Маврин | HEAT EXCHANGE DEVICE |
-
2011
- 2011-12-08 RU RU2011150075/06A patent/RU2502931C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1222207A3 (en) * | 1976-06-30 | 1986-03-30 | Трансэлектро Мадьяр Вилламошшаги Кюлькерешкеделми Валлалат (Инопредприятие) | Heat exchanger tube |
SU1740944A1 (en) * | 1989-07-18 | 1992-06-15 | Ташкентский Политехнический Институт Им.А.Р.Бируни | Heat exchanger |
CN101566437A (en) * | 2008-04-26 | 2009-10-28 | 赵文阁 | Composite sleeve double-helix heat exchanger |
CN201281561Y (en) * | 2008-08-21 | 2009-07-29 | 西安石油大学 | Shell-pipe head exchanger by double helix flowing of fluid medium in or out of heat exchange tube |
RU98555U1 (en) * | 2010-04-14 | 2010-10-20 | Евгений Александрович Маврин | HEAT EXCHANGE DEVICE |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2563946C1 (en) * | 2014-11-05 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" | Heat exchanger |
RU181284U1 (en) * | 2017-07-28 | 2018-07-09 | Александр Иванович Николаев | Pipe arrangement for heat exchangers |
RU2743689C1 (en) * | 2020-02-14 | 2021-02-24 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) | Heat exchanger |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011150075A (en) | 2013-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhnegguo et al. | Experimental study on heat transfer enhancement of a helically baffled heat exchanger combined with three-dimensional finned tubes | |
Ji et al. | Summary and evaluation on single-phase heat transfer enhancement techniques of liquid laminar and turbulent pipe flow | |
Ghobadi et al. | A review of heat transfer and pressure drop correlations for laminar flow in curved circular ducts | |
Huminic et al. | Heat transfer and flow characteristics of conventional fluids and nanofluids in curved tubes: A review | |
Chen et al. | Heat transfer enhancement in dimpled tubes | |
Eiamsa-Ard et al. | Heat transfer characteristics in a tube fitted with helical screw-tape with/without core-rod inserts | |
Pan et al. | New insights to implement heat transfer intensification for shell and tube heat exchangers | |
Aroonrat et al. | Heat transfer and single-phase flow in internally grooved tubes | |
US2373218A (en) | Oil cooler tube | |
Saha et al. | Thermohydraulics of laminar flow of viscous oil through a circular tube having integral axial rib roughness and fitted with center-cleared twisted-tape | |
Saha et al. | Enhancement of heat transfer of laminar flow of viscous oil through a circular tube having integral helical rib roughness and fitted with helical screw-tapes | |
EP2354743A2 (en) | Double-pipe heat exchanger | |
JP4420117B2 (en) | Heat exchanger tube for heat exchanger and heat exchanger using the same | |
Celen et al. | Experimental analysis of the single phase pressure drop characteristics of smooth and microfin tubes | |
Altaç et al. | Hydrodynamically and thermally developing laminar flow in spiral coil tubes | |
RU2502931C2 (en) | Double-pipe heat exchanger | |
CN203489539U (en) | Heat exchanger | |
Barraza-Colón et al. | Improved heat recovery using twisted tube exchanger technology | |
US20110240266A1 (en) | Helicoid turbulator for heat exchangers | |
Ma et al. | Experimental investigation on the friction characteristics of water–ethylene glycol mixture flow in internal helical finned horizontal tubes | |
JP2010256000A (en) | Internally-grooved pipe for heat pipe, and heat pipe | |
Duan et al. | Numerical simulation of flow and heat transfer performance of tube-shell coupled helically coiled corrugated tube heat exchanger | |
JP2005221172A (en) | Heat exchanger for supplying hot water | |
JP2010216712A (en) | Heat pipe | |
Sabeeh | Thermo-Hydraulic Performance of Horizontal Circumferentially Ribbed Double Pipe Heat Exchanger |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181209 |