RU2731685C1 - Heat exchange element - Google Patents

Heat exchange element Download PDF

Info

Publication number
RU2731685C1
RU2731685C1 RU2020109447A RU2020109447A RU2731685C1 RU 2731685 C1 RU2731685 C1 RU 2731685C1 RU 2020109447 A RU2020109447 A RU 2020109447A RU 2020109447 A RU2020109447 A RU 2020109447A RU 2731685 C1 RU2731685 C1 RU 2731685C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel
cross
heat exchange
section
exchange element
Prior art date
Application number
RU2020109447A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Витальевич Барон
Original Assignee
Александр Витальевич Барон
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Витальевич Барон filed Critical Александр Витальевич Барон
Priority to RU2020109447A priority Critical patent/RU2731685C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2731685C1 publication Critical patent/RU2731685C1/en

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

Abstract

FIELD: heat exchange equipment.SUBSTANCE: heat exchange element in the form of a pipe, which is obtained using additive technologies (3D printing), with a channel cross-section varying along the axis. Changing the cross-section shape is performed by stretching, compression, turning the channel cross-section and shifting the center of mass of the channel cross-section. Cross-sectional area of the channel remains unchanged. Values of stretching and compression coefficients of channel cross-section range from 1 to 15. Cross-section of heat exchange element channel in its initial point can have any shape, for example, polygon, circle, oval, stadium, star.EFFECT: heat exchange element is proposed.4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуперативных теплообменных аппаратах различного назначения.The invention relates to the field of heat engineering and can be used in recuperative heat exchangers for various purposes.

Известен теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси трубы формой поперечного сечения канала, полученной благодаря деформированию трубы, причем форма поперечного сечения канала в каждой точке теплообменного элемента является результатом деформации (сжатия и поворота) овальной формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке (авторское свидетельство СССР №1719873).There is a known heat exchange element in the form of a pipe with a channel cross-sectional shape that changes along the longitudinal axis of the pipe, obtained due to the deformation of the pipe, and the shape of the channel cross-section at each point of the heat exchange element is the result of deformation (compression and rotation) of the oval shape of the channel section of the heat exchange element at its initial point (USSR author's certificate No. 1719873).

Недостатком этого элемента является то, что деформация поперечного сечения канала происходит только вдоль одной из его осей. В направлении другой оси форма и размер канала не меняются, поэтому в этих местах канала отсутствует отрыв пристенных слоев теплоносителя, что отрицательно сказывается на тепловой эффективности.The disadvantage of this element is that the deformation of the channel cross-section occurs only along one of its axes. In the direction of the other axis, the shape and size of the channel do not change, therefore, in these places of the channel there is no separation of the wall layers of the coolant, which negatively affects the thermal efficiency.

Кроме того, поскольку изменение формы поперечного сечения канала происходит путем деформации трубы, т.е. при сохранении периметра поперечного сечения канала, то происходит уменьшение площади поперечного сечения канала (например, при предельном сжатии трубы площадь поперечного сечения канала стремится к нулю), что ведет к увеличению средней скорости движения теплоносителя на участках с уменьшающейся площадью поперечного сечения, что в свою очередь приводит к увеличению гидравлического сопротивления.In addition, since the change in the shape of the channel cross-section occurs by deformation of the pipe, i.e. while maintaining the perimeter of the channel cross-section, then there is a decrease in the channel cross-sectional area (for example, with the ultimate compression of the pipe, the channel cross-sectional area tends to zero), which leads to an increase in the average speed of the coolant movement in sections with a decreasing cross-sectional area, which in turn leads to an increase in hydraulic resistance.

Одновременно по мере возрастающего отклонения формы поперечного сечения канала от первоначальной формы уменьшается эквивалентный гидравлический диаметр, что также приводит к увеличению гидравлического сопротивления канала.At the same time, as the deviation of the channel cross-sectional shape from the original shape increases, the equivalent hydraulic diameter decreases, which also leads to an increase in the hydraulic resistance of the channel.

Известен теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси трубы формой поперечного сечения канала, полученной благодаря деформированию цилиндрической трубы, причем форма поперечного сечения канала в каждой точке теплообменного элемента является результатом растяжения, сжатия и поворота круглой формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке (патент GB №602398 А публикация 1948-05-26).There is a known heat exchange element in the form of a pipe with a channel cross-sectional shape that changes along the longitudinal axis of the pipe, obtained due to the deformation of a cylindrical pipe, and the shape of the channel cross-section at each point of the heat exchange element is the result of stretching, compression and rotation of the circular shape of the channel section of the heat exchange element at its initial point (GB patent No. 602398 A publication 1948-05-26).

В данном элементе, благодаря комплексной деформации формы поперечного сечения канала (растяжение, сжатие и поворот), в поперечных сечениях отсутствуют зоны, остающиеся неизменными при деформации сечения канала элемента, поэтому происходит непрерывный отрыв пристенного слоя теплоносителя от стенок канала в любой точке теплообменного элемента, что улучшает тепловую эффективность.In this element, due to the complex deformation of the shape of the channel cross-section (tension, compression and rotation), there are no zones in the cross-sections that remain unchanged when the channel section of the element is deformed, therefore there is a continuous separation of the wall layer of the coolant from the channel walls at any point of the heat exchange element, which improves thermal efficiency.

Однако поскольку изменение формы поперечного сечения канала происходит путем деформации цилиндрической трубы, т.е. при сохранении периметра поперечного сечения канала, то происходит уменьшение площади поперечного сечения канала, что ведет к увеличению средней скорости движения теплоносителя на участках с уменьшающейся площадью, что в свою очередь приводит к увеличению гидравлического сопротивления.However, since the change in the shape of the channel cross-section occurs by deformation of the cylindrical pipe, i.e. while maintaining the perimeter of the channel cross-section, then the cross-sectional area of the channel decreases, which leads to an increase in the average speed of movement of the coolant in sections with a decreasing area, which in turn leads to an increase in hydraulic resistance.

Одновременно по мере отклонения формы поперечного сечения канала от круглой формы уменьшается эквивалентный гидравлический диаметр, что также приводит к увеличению гидравлического сопротивления канала.At the same time, as the cross-sectional shape of the channel deviates from the round shape, the equivalent hydraulic diameter decreases, which also leads to an increase in the hydraulic resistance of the channel.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение тепловой эффективности и снижение гидравлического сопротивления теплообменного элемента.The task of the proposed technical solution is to increase the thermal efficiency and reduce the hydraulic resistance of the heat exchange element.

Поставленная задача решается тем, что площадь поперечного сечения канала теплообменного элемента в любой его точке остается неизменной. Центр масс любого поперечного сечения канала может быть смещен относительно центра масс поперечного сечения канала в его начальной точке. Величины коэффициентов растяжения и сжатия поперечного сечения канала находятся в пределах от 1 до 15. Сечение канала теплообменного элемента в его начальной точке может иметь любую форму, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.The problem is solved by the fact that the cross-sectional area of the channel of the heat exchange element at any point in it remains unchanged. The center of mass of any channel cross-section can be displaced relative to the center of mass of the channel cross-section at its starting point. The values of the expansion and contraction coefficients of the channel cross section are in the range from 1 to 15. The channel section of the heat exchange element at its starting point can have any shape, for example, a polygon, circle, oval, stadium, star.

Сохранение неизменной площади поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента достигается за счет изменения периметра поперечного сечения. Это позволяет сохранить неизменной среднюю скорость теплоносителя в любом поперечном сечении теплообменного элемента, что исключает рост гидравлического сопротивления, обусловленный локальным повышением скорости.Maintaining a constant cross-sectional area of the channel at any point of the heat exchange element is achieved by changing the perimeter of the cross-section. This allows you to keep the average speed of the coolant unchanged in any cross section of the heat exchange element, which eliminates the increase in hydraulic resistance caused by a local increase in speed.

Смещение центра масс любого поперечного сечения канала относительно центра масс поперечного сечения канала в его начальной точке ведет к появлению дополнительных усилий по отрыву пристенного слоя теплоносителя, что способствует росту тепловой эффективности.The displacement of the center of mass of any channel cross-section relative to the center of mass of the channel cross-section at its initial point leads to the appearance of additional efforts to detach the wall layer of the coolant, which contributes to an increase in thermal efficiency.

Изменение формы канала обеспечивает турбулизацию потока за счет возникновения микровихревых структур в пристенной области, которые повышают тепловую эффективность. Однако одновременно, по мере отклонения формы поперечного сечения канала от круглой формы, уменьшается эквивалентный гидравлический диаметр, т.е. увеличивается гидравлическое сопротивление канала. Для обеспечения целесообразного соотношения повышения тепловой эффективности и роста гидравлического сопротивления величины коэффициентов растяжения и сжатия сечения канала находятся пределах от 1 до 15.Changing the channel shape ensures flow turbulization due to the appearance of micro-vortex structures in the near-wall region, which increase the thermal efficiency. However, at the same time, as the channel cross-sectional shape deviates from the circular shape, the equivalent hydraulic diameter decreases, i.e. the hydraulic resistance of the channel increases. To ensure an expedient ratio between the increase in thermal efficiency and the increase in hydraulic resistance, the values of the expansion and compression coefficients of the channel cross section are in the range from 1 to 15.

Поперечное сечение канала теплообменного элемента в его начальной точке может быть любой заданной формы, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.The cross-section of the channel of the heat exchange element at its starting point can be of any given shape, for example, a polygon, circle, oval, stadium, 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 элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси формой поперечного сечения канала, которая является результатом растяжения, сжатия, поворота и смещения круглой формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке, а также представлены поперечные сечения этого элемента. При этом площадь поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента остается неизменной благодаря изменению периметра поперечного сечения канала.Figure 1 shows the claimed heat exchange element in the form of a pipe with a channel cross-sectional shape that varies along the longitudinal axis, which is the result of stretching, compression, rotation and displacement of the circular shape of the channel section of the heat exchange element at its starting point, and also presents the cross-sections of this element. In this case, the cross-sectional area of the channel at any point of the heat exchange element remains unchanged due to the change in the perimeter of the cross-section of the channel.

На рисунке 2 представлен заявляемый теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси формой поперечного сечения канала, которая является результатом растяжения, сжатия, поворота и смещения шестигранной формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке, а также представлены поперечные сечения этого элемента. При этом площадь поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента остается неизменной благодаря изменению периметра поперечного сечения канала.Figure 2 shows the claimed heat exchange element in the form of a pipe with a channel cross-sectional shape that varies along the longitudinal axis, which is the result of stretching, compression, rotation and displacement of the hexagonal shape of the channel section of the heat exchange element at its initial point, and also presents the cross-sections of this element. In this case, the cross-sectional area of the channel at any point of the heat exchange element remains unchanged due to the change in the perimeter of the cross-section of the channel.

Заявляемый теплообменный элемент функционирует следующим образом. Теплоноситель, двигаясь внутри теплообменного элемента, поперечное сечение которого в его начальной точке может иметь любую форму (например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды), испытывает, благодаря растяжению, сжатию, повороту и смещению центра масс поперечного сечения канала вдоль продольной оси, непрерывные усилия отрыва пристенных слоев от стенок канала, в результате чего возникают микровихревые структуры, турбулизирующие ламинарные пристенные слои теплоносителя, что обеспечивает повышение тепловой эффективности. Поскольку площадь поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента остается неизменной, скорость теплоносителя вдоль канала остается постоянной, что исключает обусловленный локальным повышением скорости рост гидравлического сопротивления. Благодаря тому, что значения коэффициентов растяжения и сжатия поперечного сечения канала находятся в пределах от 1 до 15, обеспечивается целесообразное соотношение повышения тепловой эффективности и роста гидравлического сопротивления.The claimed heat exchange element functions as follows. The coolant, moving inside the heat exchange element, the cross-section of which at its initial point can have any shape (for example, polygon, circle, oval, stadium, star), experiences, due to stretching, compression, rotation and displacement of the center of mass of the channel cross-section along the longitudinal axis , continuous efforts of detachment of the wall layers from the channel walls, as a result of which micro-vortex structures appear, turbulizing the laminar wall layers of the coolant, which provides an increase in thermal efficiency. Since the cross-sectional area of the channel at any point of the heat exchange element remains unchanged, the velocity of the coolant along the channel remains constant, which excludes the increase in hydraulic resistance caused by a local increase in the velocity. Due to the fact that the values of the expansion and compression coefficients of the channel cross-section are in the range from 1 to 15, a reasonable ratio of the increase in thermal efficiency and the increase in hydraulic resistance is provided.

Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить тепловую эффективность и снизить гидравлическое сопротивление теплообменного элемента.The use of the proposed technical solution allows to increase the thermal efficiency and reduce the hydraulic resistance of the heat exchange element.

Claims (4)

1. Теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси трубы формой поперечного сечения канала, которая является результатом растяжения, сжатия и поворота формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения канала теплообменного элемента в любой его точке остается неизменной.1. A heat exchange element in the form of a pipe with a channel cross-sectional shape that varies along the longitudinal axis of the pipe, which is the result of stretching, compression and rotation of the cross-sectional shape of the channel of the heat exchange element at its initial point, characterized in that the cross-sectional area of the channel of the heat exchange element at any point remains unchanged. 2. Теплообменный элемент по п. 1, отличающийся тем, что центр масс любого поперечного сечения канала может быть смещен относительно центра масс поперечного сечения канала в его начальной точке.2. The heat exchange element according to claim 1, characterized in that the center of mass of any channel cross-section can be displaced relative to the center of mass of the channel cross-section at its starting point. 3. Теплообменный элемент по п. 1, отличающийся тем, что величины коэффициентов растяжения и сжатия поперечного сечения канала находятся в пределах от 1 до 15.3. The heat exchange element according to claim 1, characterized in that the values of the expansion and compression coefficients of the channel cross section are in the range from 1 to 15. 4. Теплообменный элемент по п. 1, отличающийся тем, что поперечное сечение канала теплообменного элемента в его начальной точке может иметь любую форму, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.4. The heat exchange element according to claim 1, characterized in that the cross-section of the channel of the heat exchange element at its starting point can have any shape, for example, a polygon, circle, oval, stadium, star.
RU2020109447A 2020-03-03 2020-03-03 Heat exchange element RU2731685C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109447A RU2731685C1 (en) 2020-03-03 2020-03-03 Heat exchange element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109447A RU2731685C1 (en) 2020-03-03 2020-03-03 Heat exchange element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2731685C1 true RU2731685C1 (en) 2020-09-07

Family

ID=72421824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020109447A RU2731685C1 (en) 2020-03-03 2020-03-03 Heat exchange element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2731685C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023075762A1 (en) * 2021-10-27 2023-05-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Lattice structures

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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 (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023075762A1 (en) * 2021-10-27 2023-05-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Lattice structures

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2731685C1 (en) Heat exchange element
US4314587A (en) Rib design for boiler tubes
US20100071886A1 (en) Heat exchanger
WO2015010178A1 (en) Sliding assembly
JP2013519845A (en) Product for fluid application, process for its production and use of the product
JP2000111290A (en) Multi-pass flat pipe
JP5539352B2 (en) Channel system
JP2018507378A5 (en)
US1363416A (en) Method of making radiator-tubes
RU2731504C1 (en) Heat exchanger
JP2016524122A (en) Heat transfer tube
US10677530B2 (en) Tube body and production method
US20140083668A1 (en) Heat transfer pipe for heat exchanger
US10092985B2 (en) Heat exchanger with mechanically offset tubes and method of manufacturing
RU181284U1 (en) Pipe arrangement for heat exchangers
US10948245B2 (en) Heat exchanger tube
US10996005B2 (en) Heat exchanger tube
CN108305323B (en) Spline function-based wide and slow river channel shape modeling method and system
WO2017207090A8 (en) Heat exchanger tube
JP7148118B2 (en) heat transfer device
JPWO2012001759A1 (en) Rotating cylindrical body
RU2637802C1 (en) Intensifying heat exchange surface for extension of dynamic meniscus
WO2015114015A1 (en) Sectional uneven inner grooved tube
US10605544B2 (en) Heat exchanger with interleaved passages
RU166888U1 (en) OUTDOOR MULTILAYER MONOLITHIC WALL OF MULTI-STOREY BUILDING