RU2522759C2

RU2522759C2 - Heat exchange element

Info

Publication number: RU2522759C2
Application number: RU2012139996/06A
Authority: RU
Inventors: Яхья Юсиф Махди; Александр Валентинович Бараков; Владимир Викторович Черниченко
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012139996A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to heat exchangers and can be used in power engineering and allied industries. Heat exchanger is composed by spiral flexible pipe with turbulence promoters spaced apart at its inner surface and composed of circular ledges. Spiral radius R makes 0.05≤D/R≤0.25, where D is pipe ID, R is spiral radius. Note here that ID d of said ledges makes 0.85≤d/D≤0.98, while spacing t between ledges is 0.45≤t/D≤0.6.

EFFECT: higher efficiency.

2 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в энергетике и смежных с ней отраслях промышленности.The invention relates to heat exchangers and can be used in energy and related industries.

Известен теплообменный аппарат с теплообменным элементом из гладких труб с интенсификаторами в виде пружинных вставок из проволоки, установленных в проточной части канала (см. Ю.Г.Назмиев. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах. - М.: Энергоатомиздат, 1998 - 371 с.).Known heat exchanger with a heat exchanger element from smooth pipes with intensifiers in the form of spring inserts made of wire installed in the duct part of the channel (see Yu.G. Nazmiev. Heat transfer in the laminar flow of fluid in discrete-rough channels. - M .: Energoatomizdat, 1998 - 371 p.).

В известных интенсификаторах при малых шагах проволочной спирали нарушается тепловой контакт выступа (проволоки) с поверхностью трубы, что вызывает существенное падение тепловой эффективности проволочной спирали.In known intensifiers, at small steps of the wire spiral, the thermal contact of the protrusion (wire) with the pipe surface is broken, which causes a significant drop in the thermal efficiency of the wire spiral.

Известен способ интенсификации теплообмена путем выполнения периодических кольцевых выступов на внутренней поверхности теплообменного элемента. Сущность указанного метода заключается в следующем. На наружную поверхность трубы накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки, при этом на внутренней стороне трубы образуются кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб. При этом не увеличивается наружный диаметр труб, что позволяет использовать данные трубы в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов. (Дрейцер Г.А., Щербаченко И.К. Исследование интенсификации теплообмена в трубах с кольцевыми турбулизаторами плавной конфигурации // «Ракетные и космические системы». Сборник тезисов статей студентов, аспирантов и молодых ученых. М.: Изд-во МАИ. 2000. С.96-100.)A known method of intensifying heat transfer by performing periodic annular protrusions on the inner surface of the heat exchange element. The essence of this method is as follows. Periodically arranged annular grooves are applied to the outer surface of the pipe by knurling, while annular diaphragms with a smooth configuration are formed on the inner side of the pipe. Annular diaphragms and grooves turbulent the flow in the wall layer and provide intensification of heat exchange outside and inside the pipes. At the same time, the outer diameter of the pipes does not increase, which makes it possible to use these pipes in tight beams and not to change the existing technology for assembling heat exchangers. (Dreitser G.A., Scherbachenko I.K. Study of heat transfer intensification in pipes with ring turbulators of smooth configuration // "Rocket and Space Systems". Abstracts of students, graduate students and young scientists. Moscow: MAI publishing house. 2000 P.96-100.)

Основными недостатками являются неоптимальные геометрические характеристики турбулизаторов, что, с одной стороны, ведет к загромождению тракта и росту его гидравлического сопротивления, с другой - не позволяет получить оптимальные условия теплообмена.The main disadvantages are the non-optimal geometric characteristics of the turbulators, which, on the one hand, leads to clutter of the tract and an increase in its hydraulic resistance, on the other hand, it does not allow to obtain optimal heat transfer conditions.

Известен теплообменный элемент, снабженный трубами с винтовой накаткой (Назмиев Ю.Г., Конахина И.А. Интенсификация теплообмена при течении вязкой жидкости в трубах с винтовой накаткой. Теплоэнергетика. 1993. №11. С.59-62).Known heat exchange element equipped with pipes with helical knurling (Nazmiev Yu.G., Konakhina I.A. Intensification of heat transfer during the flow of viscous liquid in pipes with helical knurling. Heat engineering. 1993. No. 11. P.59-62).

Недостатком указанного теплообменного элемента является его повышенное гидравлическое сопротивление, снижение прочности на продольный разрыв, вызванный образованием концентраций напряжений при пластической деформации стенки теплообменного элемента в процессе накатки выступов.The disadvantage of this heat-exchange element is its increased hydraulic resistance, a decrease in the longitudinal tensile strength caused by the formation of stress concentrations during plastic deformation of the wall of the heat-exchange element in the process of rolling the protrusions.

Известен теплообменный элемент, представляющий собой трубу, при этом труба выполнена из проволоки в виде тугой пружины, витки которой жестко скреплены. (Патент РФ на полезную модель №62694, F28D 7/00, F28D 11/04 - прототип).Known heat exchange element, which is a pipe, while the pipe is made of wire in the form of a tight spring, the turns of which are rigidly fastened. (RF patent for utility model No. 62694, F28D 7/00, F28D 11/04 - prototype).

Указанный теплообменный элемент выполнен из проволоки заданного сечения, например круглого, из простой или легированной стали с заданным углом подъема винтовой линии с последующей сваркой стыков лазерным лучом или пайкой.The specified heat-exchange element is made of a wire of a given cross-section, for example round, of simple or alloy steel with a given angle of elevation of the helix, followed by welding of the joints with a laser beam or soldering.

При течении жидкостей в проточной части указанных элементов существенно интенсифицируется процесс разрушения пристенного ламинарного подслоя, происходит образование вихревой структуры у входной кромки элемента, незатухающей вдоль всей проточной части пружинно-витого теплообменного элемента, что способствует увлечению теплогидродинамической эффективности предлагаемого теплообменного элемента.With the flow of liquids in the flow part of these elements, the process of destruction of the wall laminar sublayer is significantly intensified, a vortex structure forms at the inlet edge of the element, which does not decay along the entire flow part of the spring-coiled heat exchange element, which contributes to the entrainment of the thermohydrodynamic efficiency of the proposed heat exchange element.

Наличие спиральных выступов на наружной поверхности пружинно-витой трубы приводит к возникновению эффекта оребрения трубы с низкими накатанными однозаходными ребрами полукруглого сечения с их малым шагом, что тем самым увеличивает поверхность теплообмена.The presence of spiral protrusions on the outer surface of the spring-twisted pipe leads to the effect of fins of the pipe with low knurled single-entry ribs of semicircular section with their small pitch, thereby increasing the heat transfer surface.

Основными недостатками является сложность конструкции, связанная с наличием большого количества сварных/паяных швов на поверхности трубы, неоптимальные геометрические характеристики турбулизаторов, что, с одной стороны, ведет к загромождению тракта и росту его гидравлического сопротивления, с другой - не позволяет получить оптимальные условия теплообмена.The main disadvantages are the design complexity associated with the presence of a large number of welded / brazed joints on the pipe surface, non-optimal geometric characteristics of the turbulators, which, on the one hand, leads to clutter of the tract and an increase in its hydraulic resistance, on the other hand, it does not allow to obtain optimal heat transfer conditions.

Задачей изобретения является интенсификация теплообмена при уменьшении поверхности теплообмена и сохранении тепловой производительности, при снижении мощности прокачки расходов теплоносителей.The objective of the invention is to intensify heat transfer while reducing the heat transfer surface and maintaining thermal performance, while reducing the pumping power of the coolant flow.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном теплообменном элементе, представляющем собой спиралевидную гибкую трубу с периодически расположенными на ее внутренней поверхности турбулизаторами, предпочтительно, в виде кольцевых выступов, согласно изобретению радиус R спирали составляет 0,05≤D/R≤0,25, где D - внутренний диаметр трубы, R - радиус спирали, при этом внутренний диаметр d выступов составляет 0,85≤d/D≤0,98, а шаг t между ними - 0,45≤t/D≤0,6.The solution of this problem is achieved by the fact that in the proposed heat exchange element, which is a spiral-shaped flexible pipe with periodically arranged turbulators, preferably in the form of annular protrusions, according to the invention, the radius R of the spiral is 0.05≤D / R≤0.25 where D is the inner diameter of the pipe, R is the radius of the spiral, while the inner diameter d of the protrusions is 0.85≤d / D≤0.98, and the step t between them is 0.45≤t / D≤0.6.

Нижнее значение указанного соотношения 0,05≤D/R≤0,25 выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении не происходит интенсификация теплообмена.The lower value of the specified ratio of 0.05≤D / R≤0.25 is selected based on the fact that with its further decrease there is no intensification of heat transfer.

Верхнее значение указанного соотношения 0,05≤D/R≤0,25 выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит загромождение гидравлического тракта теплообменного элемента, что ведет к росту его гидравлического сопротивления.The upper value of the specified ratio of 0.05≤D / R≤0.25 is selected based on the fact that with a further increase in it, the hydraulic path of the heat-exchange element is cluttered, which leads to an increase in its hydraulic resistance.

Нижнее значение указанного соотношения 0,85≤d/D≤0,98 выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении не происходит интенсификация теплообмена.The lower value of the specified ratio of 0.85≤d / D≤0.98 is selected based on the fact that with its further decrease there is no intensification of heat transfer.

Верхнее значение указанного соотношения 0,85≤d/D≤0,98 выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит загромождение гидравлического тракта теплообменного элемента, что ведет к росту его гидравлического сопротивления.The upper value of the specified ratio of 0.85≤d / D≤0.98 is selected based on the fact that with a further increase in it, the hydraulic path of the heat exchange element becomes cluttered, which leads to an increase in its hydraulic resistance.

Верхнее значение указанного соотношения 0,45≤t/D≤0,6 выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его увеличении практически не происходит интенсификация теплообмена, за счет того, что за счет достаточно большой длины между турбулизаторами поток успевает стабилизироваться.The upper value of the indicated ratio of 0.45≤t / D≤0.6 is chosen on the basis that with its further increase there is practically no intensification of heat transfer, due to the fact that due to the sufficiently large length between the turbulators, the flow manages to stabilize.

Нижнее значение указанного соотношения 0,45≤t/D≤0,6 выбрано, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит рост гидравлического сопротивления тракта теплообменного элемента.The lower value of the specified ratio of 0.45≤t / D≤0.6 is selected based on the fact that with a further decrease in it, the hydraulic resistance of the heat exchange element path increases.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид теплообменного элемента, на фиг.2 - продольное сечение теплообменного элемента с указанием размеров.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of the heat exchange element, figure 2 is a longitudinal section of a heat exchange element indicating dimensions.

На внутренней поверхности трубы 1 выполнены турбулизаторы 2 в виде спиральных выступов с учетом следующих соотношений: радиус R спирали составляет 0,05≤D/R≤0,25, где D - внутренний диаметр трубы, R - радиус спирали, при этом внутренний диаметр d выступов составляет 0,85≤d/D≤0,98, а шаг t между ними - 0,45≤t/D≤0,6.On the inner surface of the pipe 1, turbulators 2 are made in the form of spiral protrusions, taking into account the following relations: the radius R of the spiral is 0.05≤D / R≤0.25, where D is the inner diameter of the pipe, R is the radius of the spiral, and the inner diameter d the protrusions is 0.85≤d / D≤0.98, and the step t between them is 0.45≤t / D≤0.6.

Предложенный теплообменный элемент работает следующим образом.The proposed heat exchange element operates as follows.

Наличие турбулизаторов 2 на внутренней поверхности трубы 1 приводит к возникновению эффекта оребрения трубы 1 с низкими накатанными однозаходными ребрами полукруглого сечения с их малым шагом, что тем самым увеличивает поверхность теплообмена.The presence of turbulizers 2 on the inner surface of the pipe 1 leads to the occurrence of the finning effect of pipe 1 with low knurled single-entry semicircular ribs with their small pitch, thereby increasing the heat transfer surface.

Выполнение турбулизаторов 2 на внутренней поверхности теплообменного элемента позволяет существенно интенсифицировать теплообмен за счет закрутки потока витыми элементами элемента и отрывных течений на выступах, выполненных в виде части окружности.The implementation of the turbulators 2 on the inner surface of the heat-exchange element allows you to significantly intensify heat transfer due to the swirling of the flow of twisted element elements and separated flows on the protrusions, made in the form of part of a circle.

При течении жидкостей в проточной части предлагаемых элементов существенно интенсифицируется процесс разрушения пристенного ламинарного подслоя, происходит образование вихревой структуры у входной кромки элемента, незатухающей вдоль всей проточной части теплообменного элемента, что способствует увеличению теплогидродинамической эффективности предлагаемого теплообменного элемента, при этом за счет выполнения конструктивных элементов в указанных пределах практически не изменяется гидравлическое сопротивление тракта теплообменного элемента.During the flow of liquids in the flow part of the proposed elements, the destruction of the wall laminar sublayer is substantially intensified, a vortex structure forms at the inlet edge of the element, which does not decay along the entire flow part of the heat exchange element, which increases the thermohydrodynamic efficiency of the proposed heat exchange element, while the specified limits practically does not change the hydraulic resistance of the heat exchange path element.

Проведенные автором и заявителем испытания предложенного способа подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений и предложенных критериев.The tests of the proposed method carried out by the author and applicant confirmed the correctness of the design and technological solutions and the proposed criteria.

Claims

A heat-exchange element, which is a spiral-shaped flexible pipe with turbulators periodically located on its inner surface, preferably in the form of annular protrusions, characterized in that the radius of the spiral R is 0.05≤D / R≤0.25, where D is the inner diameter of the pipe , R is the radius of the spiral, while the inner diameter d of the protrusions is 0.85≤d / D≤0.98, and the step t between them is 0.45≤t / D≤0.6.