RU2808888C1

RU2808888C1 - Heat exchanger element

Info

Publication number: RU2808888C1
Application number: RU2023111309A
Authority: RU
Inventors: Юрий Леонидович Леухин; Павел Денисович Алексеев
Filing date: 2023-05-02
Publication date: 2023-12-05

Abstract

FIELD: heat exchange equipment.

SUBSTANCE: invention relates to recovery heating devices for gas furnaces and can be used for high-temperature heating of air used for burning fuel in heating and thermal furnaces. The heat exchange element of the heat exchanger contains an external heat transfer pipe and a distribution chamber, which are plugged with bottoms at one end and connected to the air supply and exhaust pipes at the other. Gas outlets are located in the wall of the distribution chamber.

EFFECT: diameters of the gas outlet holes increase from the center in the directions of the blind and outlet ends.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к рекуперативным устройствам отопления газовых печей и может быть использовано для высокотемпературного подогрева воздуха, используемого для сжигания топлива в нагревательных и термических печах. The invention relates to recuperative heating devices for gas furnaces and can be used for high-temperature heating of air used for burning fuel in heating and thermal furnaces.

Известен теплообменный элемент рекуператора, содержащий кольцевой и центральный каналы, образованные внутренней и наружной, заглушенной с одного торца днищем, трубами, подключенными к патрубкам подвода и отвода воздуха, размещенным в зоне противоположных относительно днища торцов труб, причем патрубок подвода воздуха размещен на наружной трубе и установлен тангенциально (А.С. 1386804, МПК ⁴F 23 L 15/04, 1987).A heat exchanger element of a recuperator is known, containing an annular and central channels formed by internal and external pipes, plugged at one end with a bottom, connected to the air supply and exhaust pipes located in the area of the ends of the pipes opposite relative to the bottom, and the air supply pipe is located on the outer pipe and installed tangentially (A.S. 1386804, IPC ⁴ F 23 L 15/04, 1987).

Недостатком данного технического решения является низкая тепловая эффективность и термостойкость теплообменного элемента из-за неравномерной теплоотдачи от наружной трубы теплообменного элемента к нагреваемому воздуху. The disadvantage of this technical solution is the low thermal efficiency and thermal stability of the heat exchange element due to uneven heat transfer from the outer pipe of the heat exchange element to the heated air.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплообменный элемент рекуператора, содержащий внешнюю теплопередающую трубу и распределительную камеру, которые с одного торца заглушены днищами, а с другого подключены к патрубкам подвода и отвода воздуха, причем в стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия (Сабуров, Э.Н. Исследование аэродинамики и конвективного теплообмена на натурной модели струйного модульного рекуператора / Э.Н. Сабуров, С.И. Осташев, А.Н. Орехов, Ю.Л. Леухин, В.А. Никифоров, Е.В. Крейнин, И.Э. Шагинян // Промышленная теплоэнергетика. 1988, № 6. – С. 33–37.) – прототип.The closest in technical essence to the proposed invention is the heat exchange element of the recuperator, containing an external heat transfer pipe and a distribution chamber, which are plugged at one end with bottoms, and at the other connected to the air supply and exhaust pipes, and gas outlet holes are located in the wall of the distribution chamber (Saburov, E.N. Study of aerodynamics and convective heat transfer on a full-scale model of a jet modular recuperator / E.N. Saburov, S.I. Ostashev, A.N. Orekhov, Yu.L. Leukhin, V.A. Nikiforov, E.V. Kreinin, I.E. Shaginyan // Industrial heat and power engineering. 1988, No. 6. – P. 33–37.) – prototype.

Недостатком данного теплообменного элемента является его низкая термостойкость, обусловленная тем, что интенсивность теплоотдачи от внешней теплопередающей трубы к воздушному потоку, значительно снижается по направлениям к глухому и выходному торцам. Низкая интенсивность теплоотдачи от теплопередающей трубы к воздушному потоку приводит к перегреву и разрушению наиболее термически напряженных участков теплопередающей трубы, расположенных у торцов теплообменного элемента.The disadvantage of this heat exchange element is its low heat resistance, due to the fact that the intensity of heat transfer from the external heat transfer pipe to the air flow is significantly reduced towards the blind and outlet ends. The low intensity of heat transfer from the heat transfer pipe to the air flow leads to overheating and destruction of the most thermally stressed sections of the heat transfer pipe located at the ends of the heat exchange element.

Задача изобретения – повышение термостойкости теплообменного элемента рекуператора. The objective of the invention is to increase the heat resistance of the heat exchanger element of the recuperator.

Для достижения этого в теплообменном элементе рекуператора, содержащем внешнюю теплопередающую трубу и распределительную камеру, которые с одного торца заглушены днищами, а с другого подключены к патрубкам подвода и отвода воздуха, причем в стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия, диаметры которых увеличиваются в направлениях от центра распределительной камеры к глухому и выходному торцам.To achieve this, in the heat exchange element of the recuperator, containing an external heat transfer pipe and a distribution chamber, which are plugged at one end with bottoms, and at the other are connected to the air supply and exhaust pipes, and in the wall of the distribution chamber there are gas outlet openings, the diameters of which increase in directions from the center distribution chamber to the blind and outlet ends.

На фиг. 1 изображен теплообменный элемент рекуператора, продольный разрез; на фиг. 2 показан график, характеризующий изменение псевдолокального коэффициента теплоотдачи (осредненного по периметру поперечного сечения) по длине внешней теплопередающей трубы теплообменного элемента прототипа; на фиг. 3 показан график, характеризующий изменение псевдолокального коэффициента теплоотдачи по длине внешней теплопередающей трубы теплообменного элемента предлагаемой конструкции.In fig. 1 shows the heat exchange element of the recuperator, longitudinal section; in fig. Figure 2 shows a graph characterizing the change in the pseudo-local heat transfer coefficient (averaged over the perimeter of the cross section) along the length of the external heat transfer pipe of the heat exchange element of the prototype; in fig. Figure 3 shows a graph characterizing the change in the pseudo-local heat transfer coefficient along the length of the external heat transfer pipe of the heat exchange element of the proposed design.

На фиг. 2 и 3 используются обозначения: α – коэффициент теплоотдачи от теплопередающей поверхности к воздушному потоку; z – продольная координата, отсчитываемая от глухого торца теплопередающей поверхности по направлению к выходному торцу; штриховые линии показывают осредненные по длине теплопередающей поверхности значения коэффициента теплоотдачи.In fig. 2 and 3 the following designations are used: α – heat transfer coefficient from the heat transfer surface to the air flow; z – longitudinal coordinate, measured from the blind end of the heat transfer surface towards the output end; The dashed lines show the values of the heat transfer coefficient averaged over the length of the heat transfer surface.

Теплообменный элемент рекуператора включает внешнюю теплопередающую трубу 1, распределительную камеру 2 с газовыпускными отверстиями 3, которые с глухого торца заглушены днищами 4 и 5, а с выходного подключены к патрубкам подвода 6 и отвода воздуха 7, причем в стенке распределительной камеры расположены газовыпускные отверстия 3, диаметры которых увеличиваются в направлениях глухого и выходного торцов. The heat exchange element of the recuperator includes an external heat transfer pipe 1, a distribution chamber 2 with gas outlets 3, which are plugged from the blind end with bottoms 4 and 5, and from the outlet are connected to the air supply pipes 6 and air outlet 7, and gas outlets 3 are located in the wall of the distribution chamber. the diameters of which increase in the directions of the blind and output ends.

Теплообменный элемент рекуператора работает следующим образом.The heat exchange element of the recuperator operates as follows.

Воздух, подводящийся к теплообменному элементу через патрубок 6, поступает в распределительную камеру 2, откуда он через газовыпускные отверстия 3 в виде системы импактных струй подается на внутреннюю поверхность внешней теплопередающей трубы 1 и нагревается. После чего воздух поворачивается и отводится через патрубок 7. Отработанные в печи продукты сгорания с высокой температурой обтекают теплопередающую трубу 1 с внешней стороны и передают ей теплоту за счет излучения и конвекции.The air supplied to the heat exchange element through pipe 6 enters the distribution chamber 2, from where it is supplied through gas outlets 3 in the form of a system of impact jets to the inner surface of the external heat transfer pipe 1 and heated. After which the air turns and is discharged through pipe 7. The high-temperature combustion products exhausted in the furnace flow around the heat transfer pipe 1 from the outside and transfer heat to it due to radiation and convection.

Сравнение с прототипом: на фиг. 2 приведено изменение псевдолокального коэффициента теплоотдачи (осредненного по периметру поперечного сечения) по длине внешней теплопередающей трубы теплообменного элемента, выполненного в натуральную величину, со следующими геометрическими характеристиками: рабочая длина внешней теплопередающей трубы 1 равняется 1389 мм, ее внутренний диаметр – 100,5 мм; внутренний диаметр распределительной камеры 2 равен 50 мм, толщина ее стенки – 5,25 мм; диаметр газовыпускных отверстий – 3,5 мм, количество отверстий в ряду – 5 и количество рядов по высоте модуля – 33. Расход воздуха через элемент равен 0,055 м³/с. Comparison with the prototype: Fig. Figure 2 shows the change in the pseudo-local heat transfer coefficient (averaged along the perimeter of the cross section) along the length of the external heat transfer pipe of the heat exchange element, made in full size, with the following geometric characteristics: the working length of the external heat transfer pipe 1 is 1389 mm, its internal diameter is 100.5 mm; the internal diameter of the distribution chamber 2 is 50 mm, its wall thickness is 5.25 mm; the diameter of the gas outlet holes is 3.5 mm, the number of holes in a row is 5 and the number of rows along the height of the module is 33. The air flow through the element is 0.055 m ³ /s.

Максимальные значения коэффициента теплоотдачи наблюдаются в критических точках натекания импактных струй на вогнутую стенку внешней теплопередающей трубы, которая является рабочей поверхностью теплообменного элемента. В соответствии с представленным на фиг. 2 графиком, в теплообменном элементе прототипе как максимальное, так и осредненное по длине значения коэффициента теплоотдачи значительно снижаются к глухому и к выходному торцам. Это объясняется тем, что у глухого торца воздушный поток имеет сложную неупорядоченную вихревую структуру, которая снижает ударное воздействие импактных струй на поверхность внешней теплопередающей трубы. При этом максимальные значения коэффициента теплоотдачи к глухому торцу снижаются примерно на 14%, а осредненные на 16%. The maximum values of the heat transfer coefficient are observed at critical points of impingement of impact jets onto the concave wall of the external heat transfer pipe, which is the working surface of the heat exchange element. In accordance with the one shown in FIG. 2 graph, in the prototype heat exchange element, both the maximum and length-averaged values of the heat transfer coefficient are significantly reduced towards the blind and output ends. This is explained by the fact that at the blind end the air flow has a complex, disordered vortex structure, which reduces the impact of impact jets on the surface of the external heat transfer pipe. In this case, the maximum values of the heat transfer coefficient to the blind end are reduced by approximately 14%, and the average values by 16%.

В направлении выходного торца вдоль кольцевого канала между внешней теплопередающей трубой 1 и распределительной камерой 2 формируется интенсивный спутный поток, который сносит входящие струи, уменьшая тем самым интенсивность теплоотдачи. Формирование спутного потока приводит к уменьшению максимальных значений коэффициента теплоотдачи у выходного торца примерно на 27%, а осредненных на 22%. In the direction of the output end along the annular channel between the external heat transfer pipe 1 and the distribution chamber 2, an intense cocurrent flow is formed, which carries away the incoming jets, thereby reducing the intensity of heat transfer. The formation of a co-flow leads to a decrease in the maximum values of the heat transfer coefficient at the output end by approximately 27%, and the average values by 22%.

При увеличении диаметров газовыпускных отверстий в направлении к глухому торцу возрастает мощность газовых струй, способных преодолеть негативное влияние неупорядоченных вихрей, а с увеличением диаметров газовыпускных отверстий в направлении выходного торца теплообменного элемента, струи легче преодолевают сносящее воздействие спутного потока. Отклонение максимальных значений псевдолокальных коэффициентов теплоотдачи по всей теплопередающей поверхности не превышает ± 4%, а осредненных (по штриховой линии) ± 3%. При этом осредненное по всей поверхности внешней теплопередающей трубы значение коэффициента теплоотдачи практически не изменяется.As the diameters of the gas outlet holes increase in the direction towards the blind end, the power of gas jets increases, capable of overcoming the negative influence of disordered vortices, and with an increase in the diameters of the gas outlet holes in the direction of the output end of the heat exchange element, the jets more easily overcome the demolition effects of the cocurrent flow. The deviation of the maximum values of pseudo-local heat transfer coefficients over the entire heat transfer surface does not exceed ± 4%, and the averaged (along the dashed line) ± 3%. In this case, the value of the heat transfer coefficient averaged over the entire surface of the external heat transfer pipe remains practically unchanged.

Представленные результаты получены авторами при численном моделировании аэродинамики и теплоотдачи теплообменного элемента рекуператора в трехмерной постановке с использованием программного комплекса ANSYS Fluent 15.0 и модели турбулентности Realizable k-ε (URANS). Расчет производился на неструктурированной тетраэдрической сетке с количеством ячеек равным 15 млн. Тестирование методики расчетов выполнено по опытным данным, полученным при струйном течении теплоносителя в теплообменном элементе рекуператора прототипа (Сабуров Э.Н., Осташев С.И., Орехов А.Н., Леухин Ю.Л. и др. Исследование аэродинамики и конвективного теплообмена на натурной модели струйного модульного рекуператора // Промышленная энергетика. 1988. № 6. – С. 33–37). Сопоставление расчетов и результатов физических экспериментов показало хорошее их совпадение.The presented results were obtained by the authors during numerical modeling of the aerodynamics and heat transfer of the heat exchanger element of the recuperator in a three-dimensional setting using the ANSYS Fluent 15.0 software package and the Realizable k-ε (URANS) turbulence model. The calculation was carried out on an unstructured tetrahedral mesh with a number of cells equal to 15 million. The calculation methodology was tested using experimental data obtained during a jet flow of the coolant in the heat exchange element of the prototype recuperator (Saburov E.N., Ostashev S.I., Orekhov A.N., Leukhin Yu.L. et al. Study of aerodynamics and convective heat transfer on a full-scale model of a jet modular recuperator // Industrial Energy. 1988. No. 6. – P. 33–37). A comparison of calculations and the results of physical experiments showed good agreement.

Таким образом, увеличение диаметров газовыпускных отверстий в направлениях глухого и выходного торцов приведет к росту коэффициентов теплоотдачи от внешней теплопередающей трубы к нагреваемому воздушному потоку у торцов теплообменного элемента рекуператора, что вызовет снижение температурной неравномерности по длине внешней теплопередающей трубы, ликвидируется перегрев и разрушение наиболее термически напряженных участков и, как следствие, повысит термостойкость теплообменного элемента рекуператора. Thus, an increase in the diameters of the gas outlet holes in the directions of the blind and outlet ends will lead to an increase in heat transfer coefficients from the external heat transfer pipe to the heated air flow at the ends of the heat exchange element of the recuperator, which will cause a decrease in temperature unevenness along the length of the external heat transfer pipe, eliminating overheating and destruction of the most thermally stressed areas and, as a result, will increase the thermal resistance of the heat exchanger element of the recuperator.

Claims

A heat exchange element of a recuperator containing an external heat transfer pipe and a distribution chamber, which are plugged at one end with bottoms, and at the other are connected to the air supply and exhaust pipes, and gas outlet openings are located in the wall of the distribution chamber, characterized in that the diameters of the gas outlet openings increase in directions from center of the distribution chamber to the blind and outlet ends.