RU2799161C1 - Heat exchanger - Google Patents

Heat exchanger Download PDF

Info

Publication number
RU2799161C1
RU2799161C1 RU2023105311A RU2023105311A RU2799161C1 RU 2799161 C1 RU2799161 C1 RU 2799161C1 RU 2023105311 A RU2023105311 A RU 2023105311A RU 2023105311 A RU2023105311 A RU 2023105311A RU 2799161 C1 RU2799161 C1 RU 2799161C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat exchanger
tube
heat
pipe
helical
Prior art date
Application number
RU2023105311A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Петрович Картошкин
Александр Сергеевич Евсеев
Дмитрий Станиславович Агапов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО СПбГАУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО СПбГАУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО СПбГАУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2799161C1 publication Critical patent/RU2799161C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: heat engineering.
SUBSTANCE: invention relates to heat exchangers and can be used in processes in various industries, agriculture and public utilities. The heat exchanger consists of outer and inner tubes having an inlet and outlet of the outer tube, as well as an inlet and outlet of the inner tube, and flanges for connecting additional sections. In this case, the inner tube and the outer tube have helical grooves with the same pitch and depth of the groove, and the helical groove of the inner tube is oppositely directed to the helical groove of the outer tube. It is also possible to connect additional sections to the heat exchanger.
EFFECT: intensification of heat transfer by increasing the heat transfer coefficient.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменным аппаратам и может быть использовано в технологических процессах различных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйств.The invention relates to the field of heat engineering, namely to heat exchangers and can be used in technological processes in various industries, agriculture and utilities.

Известен винтовой теплообменник [RU 2415363, F28D 1/04, F28F 9/22]. Винтовой теплообменник содержит трубные доски, теплообменные трубки, съемные с двух сторон крышки, содержит пучки с шахматным расположением трубок для первого теплоносителя, расположенные диаметрально по кругу вокруг центральной трубы, подводящей этот теплоноситель и винтовую пластину, направляющую движение второго теплоносителя поперечно этим трубкам. Known screw heat exchanger [RU 2415363, F28D 1/04, F28F 9/22]. The screw heat exchanger contains tube boards, heat exchange tubes removable from both sides of the cover, contains bundles with a staggered arrangement of tubes for the first heat carrier, located diametrically in a circle around the central pipe supplying this heat carrier and a screw plate directing the movement of the second heat carrier transversely to these tubes.

Недостатками являются сложность конструкции и необходимость учета перемещения трубных досок при работе теплообменника.The disadvantages are the complexity of the design and the need to take into account the movement of the tube sheets during the operation of the heat exchanger.

Известна труба теплообменника [RU 2200925, F28F 1/00], содержащая оребрение в виде проволочной пружины, навитой по спирали, причем оребрение расположено на наружной и внутренней поверхностях трубы, оребрение на внутренней поверхности трубы выполнено из спирали, расположенной на каркасе. Согласно изобретению оребрение на внутренней поверхности трубы выполнено в виде сдвоенной спирали, размещенной на каркасе, который представляет собой витую сдвоенную проволоку, диаметр проволоки оребрения выбран в пределах 0,3-1,0 мм, шаг пружины выбран в пределах 2-6 мм диаметров проволоки, а шаг спирали наружной навивки выбран от 1 до 2 диаметров пружины. A heat exchanger pipe is known [RU 2200925, F28F 1/00], containing fins in the form of a wire spring wound in a spiral, the fins being located on the outer and inner surfaces of the pipe, the fins on the inner surface of the pipe are made of a spiral located on the frame. According to the invention, the finning on the inner surface of the pipe is made in the form of a double helix, placed on a frame, which is a twisted double wire, the diameter of the finned wire is selected in the range of 0.3-1.0 mm, the spring pitch is selected in the range of 2-6 mm of wire diameters , and the outer winding spiral pitch is selected from 1 to 2 spring diameters.

Недостатки данного решения следующие: сложность конструкции
из-за наличия дополнительного элемента в виде проволочной пружины; не обеспечивает равномерного съема тепла вдоль потока межтрубной среды
из-за снижения движущей силы между теплообменными средами; для защиты элементов теплообменника от перегрева требует расхода охлаждающей среды, что значительно повышает эксплуатационные затраты.
The disadvantages of this solution are as follows: design complexity
due to the presence of an additional element in the form of a wire spring; does not provide uniform heat removal along the annulus flow
due to a decrease in the driving force between heat exchange media; to protect the elements of the heat exchanger from overheating, it requires the flow of a cooling medium, which significantly increases operating costs.

Наиболее близким по технической сущности и технической сущности является теплообменник труба в трубе [RU 2502931, F28F1/42]. The closest in technical essence and technical essence is a pipe-in-pipe heat exchanger [EN 2502931, F28F1/42].

Теплообменник типа «труба в трубе», во внутренней трубе и в межтрубном пространстве которого установлены винтовые вставки, отличающийся 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 таким образом, что внутренняя винтовая вставка соединена, преимущественно с помощью сварки или пайки, с внутренней поверхностью внутренней трубы, винтовая вставка в межтрубном пространстве соединена таким же образом с наружной поверхностью внутренней трубы и с внутренней поверхностью наружной трубы, причем материалы внутренней трубы, винтовых вставок и мест стыков винтовых вставок со стенками внутренней трубы должны иметь минимальное термическое сопротивление, потоки сред (жидких или газообразных) во внутренней трубе и в межтрубном пространстве протекают по винтовым спиралям.A tube-in-pipe heat exchanger with screw inserts installed in the inner tube and annular space, characterized in that the inner space of the inner tube and the annular space between the inner and outer tubes are helical cavities formed by the pipe walls and screw inserts installed in such a way that the inner screw insert is connected, preferably by welding or soldering, to the inner surface of the inner pipe, the screw insert in the annular space is connected in the same way to the outer surface of the inner pipe and to the inner surface of the outer pipe, and the materials of the inner pipe, screw inserts and the joints of the screw inserts with the walls of the inner pipe must have a minimum thermal resistance, the flows of media (liquid or gaseous) in the inner pipe and in the annulus flow through helical spirals.

Недостатком предложенного аналога является сложность изготовления конструкции. В частности, внутренняя винтовая вставка соединена с внутренней поверхностью внутренней трубы с помощью сварки или пайки, винтовая вставка в межтрубном пространстве соединена с наружной поверхностью внутренней трубы и с внутренней поверхностью наружной трубы также с помощью сварки или пайки. Кроме того, недостатком таких теплообменников является незначительное повышение турбулентности с опережающим ростом гидравлического сопротивления. Большое контактное термическое сопротивление лишает турбулизирующую вставку существенной своей функции - передавать тепло от нее к стенке внутренней трубы за счет теплопроводности. The disadvantage of the proposed analogue is the complexity of manufacturing structures. In particular, the inner screw insert is connected to the inner surface of the inner pipe by welding or soldering, the screw insert in the annulus is connected to the outer surface of the inner pipe and to the inner surface of the outer pipe also by welding or soldering. In addition, the disadvantage of such heat exchangers is a slight increase in turbulence with a faster increase in hydraulic resistance. 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 thermal conductivity.

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 пропорциональны скорости движения потока, то очевидно, что повышение скоростей сред имеет определенный предел, после достижения которого дальнейшее повышение скоростей становится невыгодным.Increasing the efficiency of heat transfer makes it possible to reduce the required heat exchange area, reduce the length of the heat exchanger, its other dimensions and weight. But an increase in the speed of media in pipes requires an increase in the power of pumps that pump these fluids. If we take into account that the increase in turbulence is proportional to the speed of the medium, and the required pump power is proportional to the speed of the flow, then it is obvious that the increase in the speeds of the media has a certain limit, after reaching which a further increase in speeds becomes unprofitable.

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация теплообмена за счёт повышения коэффициента теплоотдачи.The objective of the invention is to intensify heat transfer by increasing the heat transfer coefficient.

Поставленная задача решается за счёт того, что теплообменник с винтовыми трубками передает теплоту от теплоносителя, движущегося по внутренней винтовой трубке к теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве. Шаг и глубина винтовых канавок на наружной и внутренней трубках одинакова для равного их температурного расширения и устранения термических деформаций, а направление накатки винтовых канавок разное, для увеличения турбулентности движения жидкости в межтрубном пространстве и повышения коэффициента теплоотдачи. The problem is solved due to the fact that the heat exchanger with helical tubes transfers heat from the heat carrier moving along the inner helical tube to the heat carrier moving in the annulus. The pitch and depth of the helical grooves on the outer and inner tubes are the same for their equal thermal expansion and elimination of thermal deformations, and the direction of knurling of the helical grooves is different to increase the turbulence of fluid movement in the annular space and increase the heat transfer coefficient.

Новые существенные признаки:New significant features:

- шаг и глубина винтовых канавок на наружной и внутренней трубках одинакова для равномерного их температурного расширения и устранения термических деформаций;- the pitch and depth of the helical grooves on the outer and inner tubes is the same for their uniform thermal expansion and elimination of thermal deformations;

- направление накатки винтовых канавок наружной и внутренней трубок разное для увеличения турбулентности движения жидкости в межтрубном пространстве.- the direction of knurling of the helical grooves of the outer and inner tubes is different to increase the turbulence of fluid movement in the annulus.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.The listed new essential features, together with the known ones, are necessary and sufficient to achieve a technical result in all cases covered by the requested scope of legal protection.

Технический результатTechnical result

Технический результат заключается в интенсификации теплообмена за счет увеличения турбулентности движения жидкости. В конструкции учитывается тепловое расширение. The technical result consists in the intensification of heat transfer by increasing the turbulence of fluid movement. Thermal expansion is taken into account in the design.

Сущность изобретения поясняется на приведённых чертежах, где:The essence of the invention is illustrated in the drawings, where:

- на фиг.1. изображена наружная трубка теплообменника;- in Fig.1. the outer tube of the heat exchanger is shown;

- на фиг.2. внутренняя трубка теплообменника;- in Fig.2. inner tube of the heat exchanger;

- фиг.3. представлена секция, собранная из предлагаемых теплообменников;- Fig.3. a section assembled from the proposed heat exchangers is presented;

- фиг. 4 экспериментальные данные изменения температурного напора по длине теплообменника при работе его на прямоточном режиме.- fig. 4 experimental data on changes in the temperature difference along the length of the heat exchanger when it is operated in the direct-flow mode.

Теплообменник содержит наружную трубку 1 (фиг. 1) с винтовой канавкой по наружной поверхности, являющейся корпусом; внутреннюю трубку 2 (фиг. 2) с винтовой канавкой, противоположно направленной винтовой канавки наружной трубки 1; соединительные патрубки: выходной патрубок 4 наружной трубки 1, входной патрубок 6 внутренней трубки 2, выходной патрубок 8 внутренней трубки 2, входной патрубок 10 наружной трубки 1 с фланцами: фланец входного патрубка 3 наружной трубки 1, фланец выходного патрубка 5 наружной трубки 1, фланец входного патрубка 7 внутренней трубки 2, фланец выходного патрубка 9 внутренней трубки 2; входной патрубок 10 наружной трубки 1 с фланцем входного патрубка 3 наружной трубки 1; выходной патрубок 4 с фланцем выходного патрубка 5 наружной трубки 1; входной патрубок 6 внутренней трубки 2 с фланцем входного патрубка 7 внутренней трубки 2; выходной патрубок 8 внутренней трубки 2 с фланцем выходного патрубка 9 внутренней трубки 2; через фланец входного патрубка 7 и фланец выходного патрубка 9 внутренней трубки 2 имеется возможность подсоединения дополнительных секций через калач 11.The heat exchanger contains an outer tube 1 (Fig. 1) with a helical groove along the outer surface, which is the body; inner tube 2 (Fig. 2) with a helical groove opposite to the helical groove of the outer tube 1; connecting pipes: outlet 4 outer tube 1, inlet 6 inner tube 2, outlet 8 inner tube 2, inlet 10 outer tube 1 with flanges: flange inlet 3 outer tube 1, outlet flange 5 outer tube 1, flange the inlet pipe 7 of the inner tube 2, the flange of the outlet pipe 9 of the inner tube 2; inlet pipe 10 of the outer tube 1 with the flange of the inlet pipe 3 of the outer tube 1; outlet pipe 4 with the flange of the outlet pipe 5 of the outer tube 1; the inlet 6 of the inner tube 2 with the flange of the inlet 7 of the inner tube 2; the outlet 8 of the inner tube 2 with the flange of the outlet 9 of the inner tube 2; through the flange of the inlet pipe 7 and the flange of the outlet pipe 9 of the inner tube 2, it is possible to connect additional sections through the cable 11.

Теплообменник работает следующим образом.The heat exchanger works as follows.

Первый нагревающий теплоноситель II (фиг. 2) поступает во входной патрубок 10 наружной трубки 1 и проходит в межтрубное пространство секции синяя стрелка, движется вдоль винтовой наружной трубки 1 и винтовой внутренней трубки 2 и приобретает турбулентное движение за счёт особенностей навивки винтовых канавок, что повышает число Рейнольдса и как следствие, улучшает коэффициент теплоотдачи и теплообмен в целом, затем выходит через выходной патрубок 4 наружной трубки 1 с другой температурой. Второй нагреваемый теплоноситель I (фиг. 2) через входной патрубок 6 поступает в полость внутренней трубки 2, движется вдоль теплообменной поверхности по спирали красная стрелка, обусловленной профилем винтовой канавки, выходит через выходной патрубок 8 внутренней трубки 2 с другой температурой. Причём, первый теплоноситель может быть нагреваемым, а второй теплоноситель может быть нагревающим. При необходимости к теплообменнику можно подсоединить через калач 11 ещё один или несколько теплообменников, образовав многосекционный теплообменник (фиг. 3).The first heating coolant II (Fig. 2) enters the inlet pipe 10 of the outer tube 1 and passes into the annular space of the blue arrow section, moves along the helical outer tube 1 and the helical inner tube 2 and acquires turbulent motion due to the peculiarities of winding helical grooves, which increases the Reynolds number and, as a result, improves the heat transfer coefficient and heat transfer in general, then exits through the outlet 4 of the outer tube 1 with a different temperature. The second heated coolant I (Fig. 2) through the inlet pipe 6 enters the cavity of the inner tube 2, moves along the heat exchange surface in a spiral, the red arrow due to the profile of the helical groove, exits through the outlet pipe 8 of the inner tube 2 with a different temperature. Moreover, the first coolant can be heated, and the second coolant can be heating. If necessary, one or more heat exchangers can be connected to the heat exchanger through the cable 11, forming a multi-section heat exchanger (Fig. 3).

Компенсация теплового расширения наружной 1 и внутренней 2 трубок достигается одинаковым шагом и глубиной навивки винтовых канавок. Увеличение коэффициента теплоотдачи и как следствие снижение металлоемкости обеспечивается за счет уменьшения необходимой поверхности теплообмена.Compensation for thermal expansion of the outer 1 and inner 2 tubes is achieved by the same pitch and depth of helical groove winding. An increase in the heat transfer coefficient and, as a consequence, a decrease in metal consumption is provided by reducing the required heat exchange surface.

На фиг. 4 представлены экспериментальные данные изменения текущего температурного напора в случае работы теплообменника на прямоточном режиме. Исследования работы теплообменников показали, что винтовая канавка на трубках кожухотрубного теплообменника не только увеличивает площадь теплообменной поверхности примерно на 40%, но и коэффициент теплопередачи на 30-35%. Это происходит за счёт турбулизации потока и увеличения числа Рейнольдса, что в свою очередь повышает коэффициенты теплоотдачи и как следствие приводит к повышению эффективности всего теплообменника в целом.In FIG. 4 shows the experimental data on the change in the current temperature difference in the case of the heat exchanger operating in the once-through mode. Studies of the operation of heat exchangers have shown that the helical groove on the tubes of a shell-and-tube heat exchanger not only increases the heat exchange surface area by about 40%, but also the heat transfer coefficient by 30-35%. This occurs due to flow turbulence and an increase in the Reynolds number, which in turn increases the heat transfer coefficients and, as a result, leads to an increase in the efficiency of the entire heat exchanger as a whole.

Таким образом, создание винтовой канавки на трубках кожухотрубного теплообменника является простым и эффективным средством повышения эффективности работы теплообменных аппаратов.Thus, the creation of a helical groove on the tubes of a shell-and-tube heat exchanger is a simple and effective means of increasing the efficiency of heat exchangers.

Изобретение позволяет за счёт уменьшения необходимой поверхности теплообмена увеличить коэффициент теплоотдачи и как следствие снизить металлоемкости теплообменника.The invention makes it possible, by reducing the required heat exchange surface, to increase the heat transfer coefficient and, as a consequence, to reduce the metal consumption of the heat exchanger.

Claims (1)

Теплообменник, состоящий из наружной и внутренней трубок, имеющих входной и выходной патрубок наружной трубки, а также входной и выходной патрубок внутренней трубки, фланцы подсоединения дополнительных секций, отличающийся тем, что внутренняя и наружная трубка имеют винтовые канавки с одинаковым шагом и глубиной канавки, причем винтовая канавка внутренней трубки противоположно направлена к винтовой канавке наружной трубки, при этом имеется возможность с помощью калача подсоединить несколько секций к теплообменнику.A heat exchanger consisting of outer and inner tubes having an inlet and outlet pipe of the outer tube, as well as an inlet and outlet pipe of the inner tube, flanges for connecting additional sections, characterized in that the inner and outer tubes have helical grooves with the same groove pitch and depth, moreover the helical groove of the inner tube is oppositely directed to the helical groove of the outer tube, while it is possible to connect several sections to the heat exchanger using a cable.
RU2023105311A 2023-03-09 Heat exchanger RU2799161C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2799161C1 true RU2799161C1 (en) 2023-07-04

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182300C1 (en) * 2001-08-09 2002-05-10 ЗАО "Управляющая компания "Промэнерго" Tube bundle of heat-exchange apparatus
WO2005043061A1 (en) * 2003-11-04 2005-05-12 Nyakas Ernoe Method and apparatus to achieve heat exchange between two media having different temperatures
RU56580U1 (en) * 2005-10-13 2006-09-10 Даниял Гумерович Амирханов HEAT EXCHANGER "PIPE-IN PIPE"
RU2391613C1 (en) * 2008-12-02 2010-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "НПО ТЕРМЭК" Shell-and-tube heat exchanger
CN205843426U (en) * 2016-07-25 2016-12-28 山东诺为制药流体系统有限公司 One can be to mode heat exchanger
CN211060709U (en) * 2019-09-25 2020-07-21 大冶威普换热器有限公司 Spiral baffling piece type heat exchanger

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182300C1 (en) * 2001-08-09 2002-05-10 ЗАО "Управляющая компания "Промэнерго" Tube bundle of heat-exchange apparatus
WO2005043061A1 (en) * 2003-11-04 2005-05-12 Nyakas Ernoe Method and apparatus to achieve heat exchange between two media having different temperatures
RU56580U1 (en) * 2005-10-13 2006-09-10 Даниял Гумерович Амирханов HEAT EXCHANGER "PIPE-IN PIPE"
RU2391613C1 (en) * 2008-12-02 2010-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "НПО ТЕРМЭК" Shell-and-tube heat exchanger
CN205843426U (en) * 2016-07-25 2016-12-28 山东诺为制药流体系统有限公司 One can be to mode heat exchanger
CN211060709U (en) * 2019-09-25 2020-07-21 大冶威普换热器有限公司 Spiral baffling piece type heat exchanger

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6626235B1 (en) Multi-tube heat exchanger with annular spaces
US3887004A (en) Heat exchange apparatus
US6119769A (en) Heat transfer device
US3335790A (en) Heat exchanger with crossing helicoidal tubes
US7546867B2 (en) Spirally wound, layered tube heat exchanger
US11703286B2 (en) Fluid coolers, heat exchangers, seal assemblies and systems including fluid coolers or heat exchangers and related methods
EP0153363A1 (en) A heat exchanger.
RU2799161C1 (en) Heat exchanger
US1935412A (en) Fluid cooler
WO2014083552A1 (en) Tubing element for a heat exchanger means
JPH09229579A (en) Heat transfer pipe and multitubular heat exchanger with the heat transfer pipe
SU1746196A1 (en) Heat exchange tube
JPH0412373Y2 (en)
RU2221976C2 (en) Heat-exchange tube
RU2115876C1 (en) Tube-in-tube heat exchanger
RU2100731C1 (en) Double-pipe heat exchanger
CN2314335Y (en) Corrugated metal pipes for heat exchanger
RU2795639C1 (en) Sectional radiator containing helical thermal bridge
RU2266496C1 (en) Finned tube of the bundle of heat exchanging tubes of a gas air cooling apparatus
CN216482406U (en) Heat exchanger and air conditioning unit
CN212567026U (en) Heat exchanger
CN114152119B (en) Wave-shaped graphite fin heat exchanger
CN213335682U (en) Heat exchange unit with axial heat transfer blocking function and heat exchanger thereof
RU194880U1 (en) HEAT EXCHANGE ELEMENT
SU1719873A1 (en) Heat exchange element