RU2731504C1 - Heat exchanger - Google Patents
Heat exchanger Download PDFInfo
- Publication number
- RU2731504C1 RU2731504C1 RU2020112366A RU2020112366A RU2731504C1 RU 2731504 C1 RU2731504 C1 RU 2731504C1 RU 2020112366 A RU2020112366 A RU 2020112366A RU 2020112366 A RU2020112366 A RU 2020112366A RU 2731504 C1 RU2731504 C1 RU 2731504C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transfer unit
- cross
- heat
- heat transfer
- main section
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
- F28F1/025—Tubular elements of cross-section which is non-circular with variable shape, e.g. with modified tube ends, with different geometrical features
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к рекуперативным теплообменным аппаратам.The invention relates to the field of heat engineering, in particular, to recuperative heat exchangers.
Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве аналога, содержащий патрубки подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного, сформированного продольно ориентированными теплообменными трубами зигзагообразной формы, и двух концевых участков. Зигзагообразная форма труб обеспечивается одновременным сдвигом центра масс поперечного сечения труб относительно центра масс поперечного сечения труб в их начальной точке (патент RU №2384802).Known heat exchanger, selected as an analogue, containing pipes for supply and removal of heat exchanging media and a heat transfer unit, consisting of a main, formed by longitudinally oriented heat exchange tubes of a zigzag shape, and two end sections. The zigzag shape of the pipes is ensured by the simultaneous shift of the center of mass of the cross section of the pipes relative to the center of mass of the cross section of the pipes at their starting point (RU patent No. 2384802).
Недостатками известного устройства являются низкая надежность, обусловленная колебаниями труб в пучке при движении сред, и повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное наличием пакетов дистанционирующих гофрированных пластин межтрубного пространства.The disadvantages of the known device are low reliability due to vibrations of pipes in the bundle during the movement of media, and increased hydraulic resistance due to the presence of packages of spacer corrugated plates of the annular space.
Известен теплообменный аппарат, выбранный в качестве прототипа, содержащий патрубки подвода и отвода теплообменивающихся сред и теплопередающий блок, состоящий из основного участка, сформированного продольно ориентированными, расположенными в шахматном порядке для каждой из теплообменивающихся сред и имеющими общие стенки каналов, и двух концевых участков (патент RU №2701971).Known heat exchanger, selected as a prototype, containing pipes for supply and removal of heat exchanging media and a heat transfer unit consisting of a main section formed by longitudinally oriented, staggered for each of the heat exchanging media and having common channel walls, and two end sections (patent RU No. 2701971).
В данном техническом решении обеспечивается повышенная надежность, т.к. теплопередающий блок сформирован не склонными к колебательным движениям трубками, а имеющими общие стенки каналами, и не подвержен колебательным движениям. Поскольку теплопередающий блок сформирован имеющими общие стенки каналами, а не требующими опор трубками, в данном техническом решении обеспечивается пониженное, по сравнению с аналогом, гидравлическое сопротивление.This technical solution provides increased reliability, because the heat transfer unit is formed by tubes that are not prone to oscillatory movements, but channels having common walls, and is not subject to oscillatory movements. Since the heat transfer unit is formed by channels having common walls, rather than tubes requiring no support, this technical solution provides a reduced hydraulic resistance compared to the analogue.
Однако отсутствие мер по интенсификации теплообмена обуславливает низкую тепловую эффективность теплообменного аппарата, выбранного в качестве прототипа.However, the lack of measures to intensify heat transfer determines the low thermal efficiency of the heat exchanger selected as a prototype.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение тепловой эффективности теплообменного аппарата без опережающего увеличения его гидравлического сопротивления.The task of the proposed technical solution is to increase the thermal efficiency of the heat exchanger without an advanced increase in its hydraulic resistance.
Поставленная задача решается тем, что форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, причем площадь поперечного сечения каждого канала остается неизменной по всей длине основного участка теплопередающего блока, а величины коэффициентов растяжения и сжатия поперечных сечений основного участка теплопередающего блока находятся в пределах от 1 до 15. Центры масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока могут быть смещены относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке. Поперечные сечения основного участка теплопередающего блока могут быть повернуты вокруг продольной оси блока. Площадь поперечного сечения каждого канала на концевых участках может оставаться Неизменной по всей длине концевых участков. Поперечные сечения каналов основного участка теплопередающего блока в его начальной точке могут иметь любую форму, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.The problem is solved by the fact that the cross-sectional shape of the main section of the heat-transfer unit at any of its points is the result of stretching and compression of the cross-sectional shape of the main section of the heat transfer unit at its initial point, and the cross-sectional area of each channel remains unchanged along the entire length of the main section of the heat transfer unit, and the values of the coefficients of extension and compression of the cross-sections of the main portion of the heat-transfer unit are in the range from 1 to 15. The centers of mass of the cross-sections of the main portion of the heat-transfer unit can be displaced relative to the center of mass of the cross-section of the main portion of the heat-transfer unit at its starting point. The cross-sections of the main portion of the heat transfer unit can be rotated around the longitudinal axis of the unit. The cross-sectional area of each channel at the end portions may remain constant throughout the length of the end portions. The cross-sections of the channels of the main section of the heat transfer unit at its starting point can have any shape, for example, a polygon, a circle, an oval, a stadium, a star.
То, что форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, обеспечивает растяжение и сжатие каждого его канала, т.е. изменение формы поперечного сечения каждого канала, что обеспечивает турбулизацию пристенных слоев обеих теплообменивающихся сред в каналах за счет возникновения микровихревых структур в пристенных областях, что повышает тепловую эффективность. Однако ввиду отклонения формы поперечного сечения каналов от начальной формы, изменяется их эквивалентный гидравлический диаметр, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления на участках с уменьшенным эквивалентным гидравлическим диаметром. Для обеспечения повышения тепловой эффективности без опережающего увеличения гидравлического сопротивления величины коэффициентов растяжения и сжатия поперечных сечений основного участка теплопередающего блока находятся в пределах от 1 до 15. Сохранение неизменной площади поперечного сечения каждого канала в любой точке основного участка теплопередающего блока достигается за счет изменения периметра поперечного сечения каждого канала. Это позволяет сохранить неизменной среднюю скорость теплоносителя в любом поперечном сечении основного участка теплопередающего блока, что исключает рост гидравлического сопротивления, обусловленный локальным повышением скорости.The fact that the cross-sectional shape of the main portion of the heat-transfer unit at any of its points is the result of stretching and compression of the cross-sectional shape of the main portion of the heat transfer unit at its starting point ensures the stretching and compression of each of its channels, i.e. a change in the shape of the cross-section of each channel, which ensures turbulization of the near-wall layers of both heat-exchanging media in the channels due to the appearance of micro-vortex structures in the near-wall regions, which increases the thermal efficiency. However, due to the deviation of the cross-sectional shape of the channels from the initial shape, their equivalent hydraulic diameter changes, which leads to an increase in hydraulic resistance in the sections with a reduced equivalent hydraulic diameter. To ensure an increase in thermal efficiency without an advanced increase in hydraulic resistance, the values of the expansion and compression coefficients of the cross-sections of the main section of the heat-transfer unit are in the range from 1 to 15. The preservation of a constant cross-sectional area of each channel at any point of the main section of the heat transfer unit is achieved by changing the perimeter of the cross-section each channel. This allows you to keep the average speed of the coolant unchanged in any cross-section of the main section of the heat transfer unit, which eliminates the increase in hydraulic resistance due to a local increase in speed.
Смещение центров масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке обеспечивает дополнительные усилия по отрыву пристенного слоя теплоносителя, что способствует росту тепловой эффективности.The displacement of the centers of mass of the cross-sections of the main section of the heat-transfer unit relative to the center of mass of the cross-section of the main section of the heat transfer unit at its initial point provides additional efforts to detach the wall layer of the coolant, which contributes to an increase in thermal efficiency.
Поворот поперечных сечений основного участка теплопередающего блока вокруг продольной оси блока обеспечивает спиральное закручивание периферийных каналов, что способствует турбулизации потоков теплоносителей в этих каналах и ведет к повышению тепловой эффективности.The rotation of the cross-sections of the main section of the heat transfer block around the longitudinal axis of the block provides a spiral twisting of the peripheral channels, which contributes to the turbulence of coolant flows in these channels and leads to an increase in thermal efficiency.
Сохранение неизменной площади поперечного сечения каждого канала на концевых участках теплопередающего блока по всей длине концевых участков также достигается за счет изменения периметра поперечного сечения каждого канала. Это позволяет сохранить неизменной среднюю скорость теплоносителя в любом поперечном сечении концевого участка теплопередающего блока, что исключает рост гидравлического сопротивления, обусловленный локальным повышением скорости.Maintaining a constant cross-sectional area of each channel at the end portions of the heat transfer unit along the entire length of the end portions is also achieved by changing the perimeter of the cross-section of each channel. This allows you to keep the average speed of the coolant unchanged in any cross section of the end section of the heat transfer unit, which eliminates the increase in hydraulic resistance due to a local increase in speed.
Поперечные сечения каналов основного участка теплопередающего блока в его начальной точке могут иметь любую форму, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.The cross-sections of the channels of the main section of the heat transfer unit at its starting point can have any shape, for example, a polygon, a circle, an oval, a stadium, a star.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).The claimed technical solution can be implemented, for example, using additive technologies (3D printing).
На рисунке 1 представлен заявляемый теплообменный аппарат, в котором форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, а центры масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока смещены относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке. Также на рисунке 1 представлены поперечные сечения основного участка теплопередающего блока.Figure 1 shows the claimed heat exchanger, in which the cross-sectional shape of the main section of the heat transfer unit at any point is the result of stretching and compression of the cross-sectional shape of the main section of the heat transfer unit at its starting point, and the centers of mass of the cross sections of the main section of the heat transfer unit are displaced relative to the center the masses of the cross-section of the main section of the heat transfer unit at its starting point. Figure 1 also shows the cross-sections of the main section of the heat transfer unit.
Поз. 1 - основной участок теплопередающего блока, поз. 2 и поз. 3 - концевые участки теплопередающего блока, поз. 4 - патрубок подвода первой теплообменивающейся среды, поз. 5 - патрубок отвода первой теплообменивающейся среды, поз. 6 - патрубок подвода второй теплообменивающейся среды, поз. 7 - патрубок отвода второй теплообменивающейся среды.Pos. 1 - the main section of the heat transfer unit, pos. 2 and pos. 3 - end sections of the heat transfer unit, pos. 4 - branch pipe for supplying the first heat exchanging medium, pos. 5 - branch pipe for the removal of the first heat exchanging medium, pos. 6 - branch pipe for supplying the second heat exchanging medium, pos. 7 - branch pipe for removing the second heat exchanging medium.
На рисунке 2 представлен заявляемый теплообменный аппарат, в котором форма поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в любой его точке является результатом растяжения и сжатия формы поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке, а поперечные сечения основного участка теплопередающего блока повернуты вокруг продольной оси блока. Также на рисунке 2 представлены поперечные сечения основного участка теплопередающего блока.Figure 2 shows the claimed heat exchanger, in which the cross-sectional shape of the main section of the heat-transfer unit at any point is the result of stretching and compression of the cross-sectional shape of the main section of the heat transfer unit at its starting point, and the cross-sections of the main section of the heat transfer unit are rotated around the longitudinal axis of the block ... Figure 2 also shows the cross-sections of the main section of the heat transfer unit.
На рисунке 3 представлен основной участок теплопередающего блока теплообменного аппарата, представленного на рисунке 1 и его поперечные сечения.Figure 3 shows the main section of the heat transfer unit of the heat exchanger shown in Figure 1 and its cross sections.
На рисунках 4 и 5 представлены взаимно перпендикулярные продольные сечения основного участка теплопередающего блока теплообменного аппарата, представленного на рисунке 1. Знаком Δ обозначено смещение центров масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока относительно центра массы поперечного сечения основного участка в его начальной точке.Figures 4 and 5 show mutually perpendicular longitudinal sections of the main section of the heat transfer unit of the heat exchanger shown in Figure 1. The sign Δ denotes the displacement of the centers of mass of the cross sections of the main section of the heat transfer unit relative to the center of mass of the cross section of the main section at its starting point.
Заявляемый теплообменный аппарат работает следующим образом.The claimed heat exchanger works as follows.
Первая среда через патрубок 4 подается в концевой участок 3 теплопередающего блока, где распределяется по предназначенным для нее каналам, расположенным в шахматном порядке и имеющим общие стенки с каналами второй среды. Первая среда проходит по каналам основного участка 1 теплопередающего блока, попадает в концевой участок 2 и отводится из аппарата через патрубок 5.The first medium through the
Вторая среда через патрубок 6 подается в концевой участок 2 теплопередающего блока, где распределяется по предназначенным для нее каналам, расположенным в шахматном порядке и имеющим общие стенки с каналами первой среды. Вторая среда проходит по каналам основного участка 1 теплопередающего блока, попадает в концевой участок 3 и отводится из аппарата через патрубок 7.The second medium is fed through the
При движении теплообменивающихся сред на основном участке теплопередающего блока по каналам с изменяющейся (благодаря растяжению и сжатию) формой поперечного сечения происходит турбулизация пристенных слоев. Поскольку при этом площадь поперечного сечения каналов (благодаря изменению периметров поперечных сечений каналов) остается неизменной по всей длине теплопередающего блока, средняя скорость движения сред на всем протяжений каналов остается неизменной, что исключает повышение гидравлического сопротивления из-за изменения скоростей. Благодаря смещению центров масс поперечных сечений основного участка теплопередающего блока относительно центра масс поперечного сечения основного участка теплопередающего блока в его начальной точке происходит изменение направления вектора средней скорости рабочих сред, движущихся в каналах, что способствует общей турбулизации потока. Благодаря повороту поперечных сечений основного участка теплопередающего блока вокруг продольной оси блока происходит спиралеобразная закрутка потока рабочих сред, что способствует общей турбулизации потока.When heat exchanging media move in the main section of the heat transfer unit through channels with a changing (due to stretching and compression) cross-sectional shape, the near-wall layers are turbulized. Since in this case the cross-sectional area of the channels (due to the change in the perimeters of the cross-sections of the channels) remains unchanged along the entire length of the heat-transfer unit, the average velocity of the media along all the lengths of the channels remains unchanged, which excludes an increase in hydraulic resistance due to changes in speeds. Due to the displacement of the centers of mass of the cross sections of the main section of the heat transfer unit relative to the center of mass of the cross section of the main section of the heat transfer unit at its initial point, the direction of the mean velocity vector of the working media moving in the channels changes, which contributes to the general turbulization of the flow. Due to the rotation of the cross-sections of the main section of the heat-transfer unit around the longitudinal axis of the unit, a spiral-like swirl of the flow of working media occurs, which contributes to the general turbulence of the flow.
Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность теплообменного аппарата без опережающего увеличения его гидравлического сопротивления, что обеспечивает уменьшение веса и габаритов теплообменного аппарата.The use of the proposed technical solution makes it possible to increase the efficiency of the heat exchanger without an advance increase in its hydraulic resistance, which ensures a decrease in the weight and dimensions of the heat exchanger.
Применение заявляемого аппарата создает наиболее благоприятные условия для теплообмена сред с близкими теплофизическими характеристиками за счет идентичности каналов обеих сред, а также за счет обеспечения чистого противотока на всем протяжении каналов.The use of the proposed apparatus creates the most favorable conditions for heat exchange of media with similar thermophysical characteristics due to the identity of the channels of both media, and also due to the provision of a clean counterflow throughout the channels.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020112366A RU2731504C1 (en) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | Heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020112366A RU2731504C1 (en) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | Heat exchanger |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2731504C1 true RU2731504C1 (en) | 2020-09-03 |
Family
ID=72421770
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020112366A RU2731504C1 (en) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | Heat exchanger |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2731504C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023075762A1 (en) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Lattice structures |
EP4306892A1 (en) * | 2022-07-13 | 2024-01-17 | Hamilton Sundstrand Corporation | Heat exchanger channel |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1449821A1 (en) * | 1984-05-24 | 1989-01-07 | Филиал Всесоюзного Проектно-Технологического Института Энергетического Машиностроения | Bundle of heat-exchanging pipes |
SU1719873A1 (en) * | 1990-02-26 | 1992-03-15 | Научно-исследовательский институт "Шторм" | Heat exchange element |
EA200700687A1 (en) * | 2004-09-21 | 2007-10-26 | Империал Коллидж Инновейшнс Лимитед | PIPELINE |
RU133773U1 (en) * | 2013-02-20 | 2013-10-27 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | SYSTEM OF AUTOMATIC MANUFACTURE OF COMPLEX PROTOTYPES OF PARTS BY THE METHOD OF LAYERED CURING OF POLYMERS |
RU2701971C1 (en) * | 2019-05-22 | 2019-10-02 | Александр Витальевич Барон | Heat exchanger |
-
2020
- 2020-03-24 RU RU2020112366A patent/RU2731504C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1449821A1 (en) * | 1984-05-24 | 1989-01-07 | Филиал Всесоюзного Проектно-Технологического Института Энергетического Машиностроения | Bundle of heat-exchanging pipes |
SU1719873A1 (en) * | 1990-02-26 | 1992-03-15 | Научно-исследовательский институт "Шторм" | Heat exchange element |
EA200700687A1 (en) * | 2004-09-21 | 2007-10-26 | Империал Коллидж Инновейшнс Лимитед | PIPELINE |
RU133773U1 (en) * | 2013-02-20 | 2013-10-27 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | SYSTEM OF AUTOMATIC MANUFACTURE OF COMPLEX PROTOTYPES OF PARTS BY THE METHOD OF LAYERED CURING OF POLYMERS |
RU2701971C1 (en) * | 2019-05-22 | 2019-10-02 | Александр Витальевич Барон | Heat exchanger |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023075762A1 (en) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Lattice structures |
EP4306892A1 (en) * | 2022-07-13 | 2024-01-17 | Hamilton Sundstrand Corporation | Heat exchanger channel |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6367869B2 (en) | Counterflow heat exchanger with spiral passage | |
US20230288143A1 (en) | Heat exchanger channels | |
RU2731504C1 (en) | Heat exchanger | |
TWI477039B (en) | Cooling jacket | |
US6533030B2 (en) | Heat transfer pipe with spiral internal ribs | |
CA1097335A (en) | Heat exchanger having internal fittings | |
BR102012000881A2 (en) | Heat exchange tube and method of use. | |
JP2007510122A (en) | Heat exchanger flow passage and heat exchanger having such a flow passage | |
RU2206850C2 (en) | Tube heat exchanger | |
KR100477175B1 (en) | Heat transfer element assembly for a heat exchanger | |
JP6911295B2 (en) | boiler | |
CN105202948B (en) | A kind of adverse current type helical baffles U-tube bundle heat exchanger | |
GB2220259A (en) | Heat exchanger | |
RU2687549C1 (en) | Heat exchanger | |
US10092985B2 (en) | Heat exchanger with mechanically offset tubes and method of manufacturing | |
RU2748296C1 (en) | Heat exchanger | |
KR20100056307A (en) | Inner fin with louver for heat exchanger and heat exchanger using the inner fin | |
JP2002350071A (en) | Double pipe heat exchanger | |
RU2036407C1 (en) | Heat exchanger | |
KR101194570B1 (en) | Turbulent pipe and heat exchanger having the same | |
US4787440A (en) | Spiral flow in a shell and tube heat exchanger | |
RU185495U1 (en) | Tubular heat exchanger | |
RU2761143C1 (en) | Method for cooling gas in air cooling apparatuses and apparatus for implementation thereof | |
CN112985123B (en) | Shell-and-tube heat exchanger with four fluid heat exchange valves periodically opened and closed | |
RU2786302C1 (en) | Heat exchange section |