RU2813402C1 - Vortex heat exchanger - Google Patents
Vortex heat exchanger Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813402C1 RU2813402C1 RU2023131019A RU2023131019A RU2813402C1 RU 2813402 C1 RU2813402 C1 RU 2813402C1 RU 2023131019 A RU2023131019 A RU 2023131019A RU 2023131019 A RU2023131019 A RU 2023131019A RU 2813402 C1 RU2813402 C1 RU 2813402C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vortex
- heat exchanger
- chambers
- arc profile
- chamber
- Prior art date
Links
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 23
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 43
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- 238000013316 zoning Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000009428 plumbing Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к теплотехнике, а в частности к теплообменным аппаратам с рекуперативной передачей тепла, и может быть использовано в химической, пищевой и смежных отраслях промышленности. Наиболее эффективное использование данного устройства возможно при умеренных и малых расходах теплоносителей.The invention relates to heating engineering, and in particular to heat exchangers with recuperative heat transfer, and can be used in the chemical, food and related industries. The most effective use of this device is possible at moderate and low coolant flow rates.
Известен «Спиральный теплообменник» [1], содержащий два контура, разделенные друг от друга металлической стенкой, со спиральными каналами для течения горячего и холодного теплоносителя. Теплообменник отличается тем, что он составлен из двух профилированных панелей, наложенных с двух сторон на плоский металлический лист, причем каналы каждого контура образованы совокупностью поверхностей панели и этого листа. Как видно из рисунка в описании, каналы в сечении имеют полукруглую форму. Профилированные панели и плоский лист стянуты болтами с гайками. Плоский металлический лист служит поверхностью теплообмена.The well-known “Spiral heat exchanger” [1] contains two circuits separated from each other by a metal wall, with spiral channels for the flow of hot and cold coolant. The heat exchanger is distinguished by the fact that it is composed of two profiled panels, superimposed on both sides on a flat metal sheet, and the channels of each circuit are formed by the combination of the surfaces of the panel and this sheet. As can be seen from the figure in the description, the channels in cross-section have a semicircular shape. Profiled panels and flat sheets are fastened with bolts and nuts. A flat metal sheet serves as a heat transfer surface.
Недостатками данного аппарата являются сложность изготовления, а также то, что плоский металлический лист лишь частично омывается горячим и холодным теплоносителем: поверхность между спиральными каналами не участвует в процессе теплообмена.The disadvantages of this device are the complexity of manufacturing, as well as the fact that a flat metal sheet is only partially washed by hot and cold coolant: the surface between the spiral channels does not participate in the heat exchange process.
Также известен «Теплообменник» [2], который содержит корпус с патрубками подвода и отвода рабочих сред и каналы для теплоносителей, образованные ребрами, примыкающими к оболочке корпуса. Корпус выполнен в виде цилиндрической оболочки, в который заключена теплообменная поверхность в виде двухзаходного винтового шнека с образованием двух винтовых каналов одинакового сечения, разделенных стенками, являющимися ребрами шнека Подвод и отвод теплоносителей осуществляется посредством коллекторов, в которых установлены перегородки для разделения потоков теплоносителей. Оба винтовых канала идентичны по конструкции, поэтому, как указали авторы изобретения, при подводе теплоносителей не требуется их разделения на «чистый» и «грязный». Применение винтовых каналов и вращательного движения теплоносителей позволяет улучшить показатели теплообмена.Also known is the “Heat Exchanger” [2], which contains a housing with pipes for supplying and discharging working media and channels for coolants formed by ribs adjacent to the shell of the housing. The body is made in the form of a cylindrical shell, which encloses a heat exchange surface in the form of a double-entry screw screw with the formation of two screw channels of the same cross-section, separated by walls that are the ribs of the screw. The supply and removal of coolants is carried out through manifolds in which partitions are installed to separate the coolant flows. Both screw channels are identical in design, therefore, as the authors of the invention indicated, when supplying coolants there is no need to separate them into “clean” and “dirty”. The use of screw channels and rotational movement of coolants can improve heat transfer performance.
Однако, у данной конструкция имеются недостатки:However, this design has disadvantages:
- во-первых, конструкция является неразборной, отсюда сложность обслуживания и механической очистки поверхностей теплообмена;- firstly, the design is non-separable, hence the difficulty of maintenance and mechanical cleaning of heat exchange surfaces;
- во-вторых, устройство сложно в изготовлении. Ребра шнека должны быть герметично приварены как к поверхности трубы шнека, так и к внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Качественная приварка ребер к трубе шнека возможна, а вот приварка ребер изнутри к корпусу сложна, и возможна только для устройства значительных размеров;- secondly, the device is difficult to manufacture. The auger fins must be hermetically welded both to the surface of the auger pipe and to the inner surface of the cylindrical body. High-quality welding of the ribs to the auger pipe is possible, but welding the ribs from the inside to the body is difficult, and is only possible for devices of significant size;
- в-третьих, центральная часть аппарата в процессе теплообмена не участвует, т.к. по трубе шнека теплоносители не проходят;- thirdly, the central part of the apparatus does not participate in the heat exchange process, because coolants do not pass through the auger pipe;
- в-четвертых, для интенсификации теплообмена скорость течения теплоносителей в винтовых каналах может быть увеличена исключительно увеличением их расхода.- fourthly, to intensify heat transfer, the flow rate of coolants in screw channels can be increased solely by increasing their flow rate.
Из работы [3] известен «Вихревой теплообменный аппарат», содержащий две смежные соосные вихревые камеры, образованные тремя плоскими дисками, из которых крайние диски являются крышками, а средний диск - поверхностью теплообмена, двумя цилиндрическими кольцами, зажатыми между дисками, входные и выходные патрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических кольцах и в центре обеих крышек. Диаметр обеих вихревых камер одинаковый. Камера первого теплоносителя имеет тангенциальный патрубок и патрубок в центре плоской крышки. Камера второго теплоносителя также имеет тангенциальный патрубок и патрубок в центре плоской крышки.From work [3] a “Vortex heat exchanger” is known, containing two adjacent coaxial vortex chambers formed by three flat disks, of which the outer disks are covers, and the middle disk is the heat exchange surface, two cylindrical rings sandwiched between the disks, inlet and outlet pipes , located tangentially on the cylindrical rings and in the center of both covers. The diameter of both vortex chambers is the same. The first coolant chamber has a tangential pipe and a pipe in the center of the flat cover. The second coolant chamber also has a tangential pipe and a pipe in the center of the flat cover.
Между плоскими крышками-дисками с центральными патрубками, при помощи шпилек, зажаты: два цилиндрических кольца с тангенциальными патрубками, а между цилиндрическими кольцами - теплообменный диск. Герметичность сборки обеспечивается прокладками. Аппарат может быть выполнен из стали или другого металла и имеет простую разборную конструкцию.Between the flat disk covers with central pipes, using pins, are clamped: two cylindrical rings with tangential pipes, and between the cylindrical rings - a heat exchange disk. The tightness of the assembly is ensured by gaskets. The device can be made of steel or other metal and has a simple collapsible design.
Известный вихревой теплообменный аппарат работает следующим образом.The known vortex heat exchanger operates as follows.
Первый теплоноситель подается в тангенциальный патрубок первой вихревой камеры, совершает вращательно-поступательное движение внутри камеры и покидает её через центральный патрубок.The first coolant is supplied to the tangential pipe of the first vortex chamber, performs a rotational-translational motion inside the chamber and leaves it through the central pipe.
Второй теплоноситель может быть подан либо по тангенциальному, либо по центральному патрубку. При этом в аппарате реализуется соответственно прямоточная или противоточная схема теплообмена. При тангенциальной подаче теплоносителя в камере достигается более интенсивное вращение жидкости, лучшее вихреобразование и теплообмен.The second coolant can be supplied either through a tangential or central pipe. In this case, the apparatus implements a direct-flow or counter-flow heat exchange scheme, respectively. With a tangential supply of coolant in the chamber, more intense rotation of the liquid, better vortex formation and heat transfer are achieved.
Тепло передается через теплообменный диск от горячего к холодному теплоносителю. Вращательно-поступательное движение теплоносителей внутри камер сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потоков, что существенно интенсифицирует теплообмен. Скорость вращения теплоносителя в вихревой камере определяет интенсивность теплоотдачи α. Для её повышения можно увеличить скорость во входном патрубке. При заданном расходе теплоносителя это можно достичь уменьшением проходного сечения патрубка. Интенсификация теплооотдачи в обеих камерах ведёт к росту общего коэффициента теплопередачи K в аппарате, т.е. к повышению эффективности его работы.Heat is transferred through the heat exchange disk from hot to cold coolant. The rotational-translational movement of coolants inside the chambers is accompanied by vortex formation and turbulization of flows, which significantly intensifies heat transfer. The rotation speed of the coolant in the vortex chamber determines the heat transfer intensity α. To increase it, you can increase the speed in the inlet pipe. At a given coolant flow rate, this can be achieved by reducing the flow area of the pipe. Intensification of heat transfer in both chambers leads to an increase in the overall heat transfer coefficient K in the apparatus, i.e. to improve the efficiency of its work.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип).This device is the closest in technical essence and achieved result (prototype).
Известный вихревой теплообменный аппарат (прототип) характеризуется повышенными значениями коэффициентов теплопередачи, однако преимущества аппарата ограничены тем, что при подаче обоих теплоносителей в одиночные тангенциальные патрубки в пространстве вихревой камеры наблюдается неравномерность поля скоростей. Скорость теплоносителя на выходе из входного патрубка быстро уменьшается, а различные участки теплообменного диска даже на одном радиусе, но на разном удалении от входного патрубка омываются теплоносителем с разной скоростью, за счёт чего на участках с пониженной скоростью процесс теплообмена несколько замедляется.The known vortex heat exchange apparatus (prototype) is characterized by increased values of heat transfer coefficients, however, the advantages of the apparatus are limited by the fact that when both coolants are supplied into single tangential pipes, an uneven velocity field is observed in the space of the vortex chamber. The speed of the coolant at the exit from the inlet pipe quickly decreases, and different sections of the heat exchange disk, even at the same radius, but at different distances from the inlet pipe, are washed by the coolant at different speeds, due to which the heat transfer process slows down somewhat in areas with a reduced speed.
Кроме того, «Вихревой теплообменный аппарат» [3] (прототип) имеет повышенное гидравлическое сопротивление, что обусловлено структурой потока в аппарате. При увеличении нагрузки по теплоносителю происходит повышение гидравлического сопротивления, одновременно повышается давление в вихревой камере. Гидравлическое сопротивление вихревой камеры определяется условиями на входе, в объёме камеры и в патрубке на выходе. Повышенное гидравлическое сопротивление в объёме камеры обусловлено неравномерностью скоростей по окружности камеры. Это возникает при подаче теплоносителей в одиночные тангенциальные патрубки, когда в пространстве вихревой камеры наблюдается неравномерность скоростей по отношению к теплообменному диску. Это влияет и на теплопередачу и на гидравлическое сопротивление камеры. Повышение сопротивления сопровождается ростом давления в камере. За счёт повышения давления в вихревой камере возможна деформация среднего диска в сторону камеры, где давление ниже. Деформация диска может привести к нарушению герметичности аппарата в местах установки прокладок. Таким образом, снижается надёжность работы аппарата.In addition, the “Vortex heat exchanger” [3] (prototype) has increased hydraulic resistance, which is due to the structure of the flow in the apparatus. As the coolant load increases, the hydraulic resistance increases, and at the same time the pressure in the vortex chamber increases. The hydraulic resistance of the vortex chamber is determined by the conditions at the inlet, in the chamber volume and in the outlet pipe. The increased hydraulic resistance in the chamber volume is due to uneven velocities around the circumference of the chamber. This occurs when coolants are supplied into single tangential pipes, when in the space of the vortex chamber there is uneven velocities relative to the heat exchange disk. This affects both heat transfer and hydraulic resistance of the chamber. An increase in resistance is accompanied by an increase in pressure in the chamber. Due to the increase in pressure in the vortex chamber, deformation of the middle disk towards the chamber where the pressure is lower is possible. Deformation of the disk can lead to a violation of the tightness of the device in the places where the gaskets are installed. Thus, the reliability of the device is reduced.
Решение проблем, связанных с теплообменым и гидравлическим сопротивлением простым увеличением числа входных тангенциальных патрубков до 2, 3, 4 … не целесообразно, т.к. связано с усложнением конструкции аппарата и его обвязки подводящими трубами.Solving problems associated with heat transfer and hydraulic resistance by simply increasing the number of inlet tangential pipes to 2, 3, 4 ... is not advisable, because is associated with the complication of the design of the apparatus and its piping with supply pipes.
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение заключаются в снижении затрат энергии на подачу теплоносителей в аппарат и повышение его надёжности.The problems to be solved by the claimed invention are to reduce energy costs for supplying coolants to the apparatus and increase its reliability.
Техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления аппарата, более равномерная работа камер аппарата и снижение возникающего в нём давления.The technical result is a reduction in the hydraulic resistance of the apparatus, a more uniform operation of the chambers of the apparatus and a reduction in the pressure arising in it.
Поставленная задача решается за счет того, что в вихревом теплообменном аппарате, содержащем две смежные соосные вихревые камеры, образованные тремя плоскими дисками, из которых крайние диски являются крышками, а средний диск - поверхностью теплообмена, двумя цилиндрическими кольцами, зажатыми между дисками, входные и выходные патрубки, расположенные тангенциально на цилиндрических кольцах и в центре обеих крышек, обе вихревые камеры снабжены пластинами дугового профиля, которые закреплены по окружности на среднем диске, перпендикулярно к его плоскости. Пластины имеют высоту, равную высоте вихревых камер и образуют замкнутый контур, делящий объём вихревой камеры на два пространства: периферийное - кольцевое и центральное. Такое зонирование внутреннего объёма вихревой камеры должно способствовать достижению технического результата.The problem is solved due to the fact that in a vortex heat exchange apparatus containing two adjacent coaxial vortex chambers formed by three flat disks, of which the outer disks are covers, and the middle disk is the heat exchange surface, two cylindrical rings sandwiched between the disks, inlet and outlet nozzles located tangentially on cylindrical rings and in the center of both covers, both vortex chambers are equipped with arc profile plates, which are fixed circumferentially on the middle disk, perpendicular to its plane. The plates have a height equal to the height of the vortex chambers and form a closed loop, dividing the volume of the vortex chamber into two spaces: peripheral - annular and central. Such zoning of the internal volume of the vortex chamber should contribute to the achievement of a technical result.
Сумма длин всех пластин дугового профиля в вихревой камере составляет от 1,1 до 1,2 длины окружности, на которой они установлены. Концы соседних пластин скреплены между собой винтами, внахлест с образованием регулируемых щелей Δ шириной от 0,2 до 0,5 высоты вихревой камеры. У каждой пластины дугового профиля первый неподвижный конец размещен в периферийном пространстве, а второй подвижный конец - в центральном пространстве. Подвижность второго конца пластины дугового профиля необходима для возможности регулировки ширины щели Δ. The sum of the lengths of all arc profile plates in the vortex chamber is from 1.1 to 1.2 the length of the circle on which they are installed. The ends of adjacent plates are fastened together with screws, overlapping to form adjustable slots Δ with a width of 0.2 to 0.5 the height of the vortex chamber. Each arc profile plate has a first fixed end located in the peripheral space, and a second movable end in the central space. The mobility of the second end of the arc profile plate is necessary to be able to adjust the slot width Δ.
Кроме того, предпочтительно, чтобы отношение диаметра каждой вихревой камеры к её высоте находилось в пределах от 10 до 30.In addition, it is preferable that the ratio of the diameter of each vortex chamber to its height is in the range from 10 to 30.
Предпочтительно, чтобы диаметр окружности, на которой установлены пластины дугового профиля, составляли от 0,6 до 0,9 диаметра вихревой камеры.It is preferable that the diameter of the circle on which the arc profile plates are mounted is from 0.6 to 0.9 times the diameter of the vortex chamber.
Предпочтительно, чтобы все пластины дугового профиля имели одинаковые размеры и форму.It is preferable that all arc profile plates have the same size and shape.
Предпочтительно, чтобы количество пластин дугового профиля в вихревой камере составляло от 4 до 12.It is preferable that the number of arc profile plates in the vortex chamber ranges from 4 to 12.
Предпочтительно, чтобы в обеих вихревых камерах все регулируемые щели между концами пластин дугового профиля имели равную ширину Δ.It is preferable that in both vortex chambers all adjustable gaps between the ends of the arc profile plates have the same width Δ .
Достигаемый технический результат заключается в снижении гидравлического сопротивления камер аппарата, более равномерной работе его камер и снижении возникающего в нём давления.The achieved technical result consists in reducing the hydraulic resistance of the apparatus chambers, more uniform operation of its chambers and reducing the pressure arising in it.
Всё это достигается использованием конструктивных элементов - пластин дугового профиля.All this is achieved using structural elements - arc profile plates.
Использование пластин дугового профиля улучшает структуру потока в вихревой камере, что проявляется в выравнивании скоростей на заданном радиусе камеры и в снижении гидравлического сопротивления и давления в вихревой камере при том же расходе, за счёт чего снижаются возможные деформации теплообменного диска, и перемещения в уплотнениях, что тем самым повышает надёжность аппарата.The use of arc profile plates improves the flow structure in the vortex chamber, which is manifested in the equalization of velocities at a given radius of the chamber and in the reduction of hydraulic resistance and pressure in the vortex chamber at the same flow rate, thereby reducing possible deformations of the heat exchange disk and movements in the seals, which thereby increasing the reliability of the device.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показан общий вид аппарата в разрезе.Figure 1 shows a general cross-sectional view of the apparatus.
На фиг.2 - вид на аппарат сверху.Figure 2 is a top view of the device.
На фиг.3 - поперечный разрез по А-А на фиг.1.Figure 3 is a cross section along A-A in Figure 1.
На фиг.4 - поперечный разрез по Б-Б на фиг.1.Figure 4 is a cross section along B-B in Figure 1.
На фиг.5 - выносной элемент В на фиг.3In Fig.5 - extension element B in Fig.3
Вихревой теплообменный аппарат (фиг.1) имеет разборную конструкцию. Он содержит две смежные соосные вихревые камеры 1 и 2.The vortex heat exchanger (Fig. 1) has a collapsible design. It contains two adjacent coaxial vortex chambers 1 and 2.
Камеры образованы тремя плоскими дисками, из которых крайние диски 3,4 являются крышками, а средний диск 5 - поверхностью теплообмена, двумя цилиндрическими кольцами 6 и 7, зажатыми между дисками, имеют входные патрубки 8,9 и выходные патрубки 10,11. Патрубки 8,9 расположены тангенциально на цилиндрических кольцах 6,7, а патрубки 10,11 в центре крышек 3,4. Кольца 6 и 7 могут быть приварены к центральному диску 5, образуя единый элемент. Для герметичности вихревых камер использованы прокладки 12 (материал - паронит, резина, фторопласт….). Цилиндрические кольца 6,7 и средний диск 5 зажаты между крышками 3 и 4 при помощи шпилек 13. Количество шпилек должно обеспечивать герметичность камер аппарата.The chambers are formed by three flat disks, of which the outer disks 3,4 are covers, and the middle disk 5 is the heat exchange surface, two cylindrical rings 6 and 7, sandwiched between the disks, have inlet pipes 8.9 and outlet pipes 10.11. The pipes 8.9 are located tangentially on the cylindrical rings 6.7, and the pipes 10.11 are located in the center of the covers 3.4. Rings 6 and 7 can be welded to the central disk 5, forming a single element. To seal the vortex chambers, 12 gaskets are used (material - paronite, rubber, fluoroplastic...). Cylindrical rings 6,7 and middle disk 5 are clamped between covers 3 and 4 using pins 13. The number of pins must ensure the tightness of the chambers of the device.
Вихревые камеры 1 и 2 снабжены пластинами дугового профиля 14, которые закреплены по окружности на среднем диске 5, перпендикулярно к его плоскости, имеют высоту, равную высоте вихревых камер. Для установки пластин 14 на диске 5 закреплены уголки 15 Пластины 14 прикреплены к уголкам 15 винтами 16 с гайками 17 (см. фиг.3 и 5). В каждой камере (см. фиг. 3 и 4) пластины 14 образуют замкнутый контур, который делит объём вихревой камеры на два пространства: периферийное - кольцевое 18 и центральное 19 (см. фиг. 4). Сумма длин всех пластин дугового профиля 14 в вихревой камере составляет от 1,1 до 1,2 длины окружности, на которой они установлены. Концы соседних пластин 14 скреплены между собой винтами 16 с гайками 17 внахлест с образованием регулируемых щелей 20 шириной Δ от 0,2 до 0,5 высоты вихревой камеры (см. фиг. 5). У каждой пластины дугового профиля 14 первый неподвижный конец 21 размещен в периферийном пространстве 18, а второй конец 22, обладающий подвижностью (для возможности регулировки ширины щели) - в центральном пространстве 19. Неподвижный конец 21 пластины дугового профиля 14 может быть дополнительно закреплен на диске 5 при помощи сварки.Vortex chambers 1 and 2 are equipped with arc profile plates 14, which are mounted circumferentially on the middle disk 5, perpendicular to its plane, and have a height equal to the height of the vortex chambers. To install the plates 14 on the disk 5, the corners 15 are fixed. The plates 14 are attached to the corners 15 with screws 16 and nuts 17 (see Figs. 3 and 5). In each chamber (see Figs. 3 and 4), the plates 14 form a closed circuit that divides the volume of the vortex chamber into two spaces: peripheral - annular 18 and central 19 (see Fig. 4). The sum of the lengths of all the plates of the arc profile 14 in the vortex chamber is from 1.1 to 1.2 the length of the circle on which they are installed. The ends of adjacent plates 14 are fastened together with screws 16 with nuts 17 overlapping to form adjustable slots 20 with a width Δ from 0.2 to 0.5 of the height of the vortex chamber (see Fig. 5). For each plate of the arc profile 14, the first fixed end 21 is located in the peripheral space 18, and the second end 22, which is movable (to be able to adjust the width of the slot) is in the central space 19. The fixed end 21 of the plate of the arc profile 14 can be additionally secured to the disk 5 by welding.
Отношение диаметра вихревой камеры к её высоте должно преимущественно находиться в пределах от 10 до 30.The ratio of the diameter of the vortex chamber to its height should preferably be in the range from 10 to 30.
Диаметр окружности, на которой установлены пластины дугового профиля, должен преимущественно составлять от 0,6 до 0,9 диаметра вихревой камеры.The diameter of the circle on which the arc profile plates are mounted should preferably be from 0.6 to 0.9 of the diameter of the vortex chamber.
Все пластины дугового профиля 14 должны преимущественно иметь одинаковые размеры и форму.All plates of the arc profile 14 should preferably have the same dimensions and shape.
Число пластин дугового профиля 14 в вихревой камере должно преимущественно составлять от 4 до 12.The number of arc profile plates 14 in the vortex chamber should preferably be from 4 to 12.
Все регулируемые щели 20 между концами пластин дугового профиля 14 должны преимущественно иметь равную ширину Δ.All adjustable slots 20 between the ends of the plates of the arc profile 14 should preferably have an equal width Δ .
Работа аппарата происходит следующим образом. Первый (горячий) теплоноситель Т/Н 1 подается в тангенциальный патрубок 8 нижней вихревой камеры 1, и он совершает вращательное движение внутри кольцевого пространства 18, образованного пластинами дугового профиля 14. Теплоноситель Т/Н 1 омывает поверхность теплообмена диска 5 в его периферийной части, обеспечивая равномерное распределение скоростей на всём протяжении внешнего пространства 18. По мере вращательного движения теплоносителя в пространстве 18 происходит равномерный отвод теплоносителя Т/Н 1 во внутреннее пространство 19 через щели 20. При этом обеспечивается равномерное омывание центральной части теплообменной поверхности диска 5. Теплообмен происходит в условиях зонирования поверхности теплообмена, движение теплоносителя носит вращательно-поступательный характер с вихреобразованием, что обеспечивает высокую интенсивность теплоотдачи.The device operates as follows. The first (hot) coolant T/H 1 is supplied to the tangential pipe 8 of the lower vortex chamber 1, and it performs a rotational movement inside the annular space 18 formed by the plates of the arc profile 14. The coolant T/H 1 washes the heat transfer surface of the disk 5 in its peripheral part, ensuring a uniform distribution of velocities throughout the entire outer space 18. As the coolant rotates in space 18, the coolant T/N 1 is uniformly removed into the inner space 19 through the slots 20. This ensures uniform washing of the central part of the heat transfer surface of the disk 5. Heat exchange occurs in conditions of zoning the heat exchange surface, the movement of the coolant is rotational-translational in nature with vortex formation, which ensures high heat transfer intensity.
Теплоноситель Т/Н 1 покидает вихревую камеру 1 через патрубок 10.Coolant T/N 1 leaves the vortex chamber 1 through pipe 10.
Второй (холодный) теплоноситель подается в верхнюю камеру 2 через патрубок 9. Процессы, происходящие в камере 2 аналогичны с процессами в камере 1. Тепло от горячего Т/Н 1 через теплообменный диск 5 передается к холодному Т/Н 2. Теплоноситель Т/Н 2 покидает вихревую камеру 2 через патрубок 11.The second (cold) coolant is supplied to the upper chamber 2 through pipe 9. The processes occurring in chamber 2 are similar to the processes in chamber 1. Heat from the hot T/N 1 is transferred through the heat exchange disk 5 to the cold T/N 2. Coolant T/N 2 leaves the vortex chamber 2 through pipe 11.
Таким образом, при указанном движении теплоносителей внутри обеих камер аппарата создаются условия отвечающие оптимальному распределению теплоносителей по объёму вихревых камер, что ведёт к снижению гидравлического сопротивления аппарата и рациональному использованию поверхности теплообмена в пределах внешнего пространства 18 и внутреннее пространства 19 камер. Зонирование камер вихревого теплообменного аппарата пластинами дугового профиля 14 обеспечивает снижение затрат энергии на перекачку теплоносителей при высоких показателях теплопередачи.Thus, with the specified movement of coolants inside both chambers of the apparatus, conditions are created that correspond to the optimal distribution of coolants throughout the volume of the vortex chambers, which leads to a decrease in the hydraulic resistance of the apparatus and the rational use of the heat exchange surface within the outer space 18 and the inner space 19 of the chambers. Zoning the chambers of the vortex heat exchanger with arc profile plates 14 ensures a reduction in energy costs for pumping coolants at high heat transfer rates.
Для изучения работы предлагаемого аппарата были выполнены опыты.Experiments were performed to study the operation of the proposed apparatus.
Опыты проводили на стенде, который включал опытный теплообменный аппарат, бак с ТЭНом для горячей воды, центробежный насос, ротаметры для измерения расхода горячей и холодной воды.The experiments were carried out on a stand that included an experimental heat exchanger, a tank with a heating element for hot water, a centrifugal pump, and rotameters for measuring the flow of hot and cold water.
Схема стенда обеспечивала циркуляцию горячей воды. Для подачи холодной воды использовали водопровод. Подачу насоса регулировали частотным регулятором и вентилями.The stand circuit ensured the circulation of hot water. A plumbing system was used to supply cold water. The pump flow was regulated by a frequency regulator and valves.
Опытный аппарат (см.фиг.1) состоял из двух вихревых камер, разделенных теплообменным диском. Диаметр обеих камер равен D = 610 мм при высоте камер В = 30 мм. Аппарат изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, имеет разборную конструкцию. Основные элементы аппарата соединены шпильками М10 (20 шт.).The experimental apparatus (see Fig. 1) consisted of two vortex chambers separated by a heat exchange disk. The diameter of both chambers is D = 610 mm with the chamber height B = 30 mm. The device is made of stainless steel 12Х18Н10Т, has a collapsible design. The main elements of the device are connected with M10 studs (20 pcs.).
Опытный аппарат размещали так, чтобы теплообменный диск был горизонтален. Гидравлическое сопротивление ΔР измеряли в нижней камере с горячим теплоносителем с входным тангенциальным патрубком и выходным патрубком в центре нижней крышки. Давление на входе и выходе из камеры измеряли цифровым прибором, и разность показаний соответствовала гидравлическому сопротивлению (ΔР) камеры. Устройство верхней камеры с холодным теплоносителем было полностью аналогично устройству нижней камеры. Воду в неё подавали через тангенциальный патрубок.The experimental apparatus was placed so that the heat exchange disk was horizontal. Hydraulic resistance ΔP was measured in the lower chamber with hot coolant with an inlet tangential pipe and an outlet pipe in the center of the bottom cover. The pressure at the inlet and outlet of the chamber was measured with a digital device, and the difference in readings corresponded to the hydraulic resistance (ΔР ) of the chamber. The design of the upper chamber with cold coolant was completely similar to the design of the lower chamber. Water was supplied to it through a tangential pipe.
Опыты на вихревом теплообменном аппарате выполняли сериями:Experiments on a vortex heat exchanger were performed in series:
в серии 1 опытов - с пустыми вихревыми камерами. В сериях 2, 3,4 опыты выполняли с камерами, где были установлены внутренние устройства - пластины дугового профиля из нержавеющей стали толщиной 2 мм в количестве шести штук. Пластины размещались на окружности диаметром 500 мм. Зазоры между концами пластин Δ устанавливали одинаковые в верхней и нижней камере. Зазоры Δ меняли и они составлял в серии 2 - 6 мм; в серии 3 - 10 мм, в серии 4 - 15 мм. Для установки требуемого зазора Δ использовали винты М4 с гайками (см.фиг. 5).in series 1 of experiments - with empty vortex chambers. In series 2, 3,4, experiments were carried out with chambers in which internal devices were installed - six stainless steel arc profile plates 2 mm thick. The plates were placed on a circle with a diameter of 500 mm. Gaps between plate endsΔinstalled the same ones in the upper and lower chambers.GapsΔthey changed too ranged from 2 to 6 mm in series; in series 3 - 10 mm, in series 4 - 15 mm. To set the required gapΔ used M4 screws with nuts (see Fig. 5).
Опыты выполняли на воде, в ходе которых расход меняли по горячей - от 0,172 до 2,73 м3/ч, по холодной - от 0,155 до 1,76 м3/ч. Начальная температура воды в опытах составлял: для горячей - 40÷43°С, для холодной - 9÷10°С. Результаты части опытов приведены в таблице 1. Расход холодной воды для всех приведённых опытов - V х = 1,76 м3/ч.Experiments were carried out on water, during which the flow rate was changed for hot water - from 0.172 to 2.73 m 3 / h, for cold water - from 0.155 to 1.76 m 3 / h. The initial water temperature in the experiments was: for hot water - 40÷43°C, for cold water - 9÷10°C. The results of some of the experiments are shown in Table 1. Cold water consumption for all the above experiments is V x = 1.76 m 3 /h.
Коэффициенты теплопередачи К (Вт/м2К) определяли из основного уравнентия теплопередачи по количеству тепла, которое получила холодная вода:Heat transfer coefficients K (W/m 2 K) were determined from the basic heat transfer equation based on the amount of heat , which the cold water received:
K = , K = ,
где F - поверхность теплообмена аппарата;where F is the heat exchange surface of the apparatus;
- средняя разность температур теплоносителей. - average temperature difference of coolants.
Пустая ВК (прототип)Episode 1
Empty VK (prototype)
Зазор Δ = 6 ммEpisode 2
Gap Δ = 6 mm
Зазор Δ =10 ммEpisode 3
Gap Δ =10 mm
Зазор Δ =15 ммEpisode 4
Gap Δ =15 mm
Из таблицы 1 видно, что применение в вихревой камере внутренних устройств (пластин дугового профиля) позволяет существенно снизить гидравлическое сопротивление вихревого теплообменного аппарата. Так при расходе теплоносителя V г = 1,615м3/ч для прототипа сопротивление равно ΔP г = 11,8 кПа (100%). Для предлагаемого аппарата с зазором Δ = 6 мм сопротивление меньше и составляет ΔP г = 5,4 кПа (или 45,8%). При этом коэффициенты К различаются незначительно. И так далее. Таким образом, сопротивление предлагаемого аппарата с пластинами дугового профиля составляет от 45,8 до 77% сопротивления прототипа. Соответственно, затраты энергии на прокачку теплоносителей через аппарат при одинаковом их расходе могут быть сокращены на 54 ÷ 23 % при одновременном повышении надёжности аппарата. Результаты опытов по теплообмену подтвердили эффективность аппарата. Коэффициенты теплопередачи К (таблица 1) имеют значения 890 ÷1100 Вт/м2 К.From Table 1 it can be seen that the use of internal devices (arc profile plates) in the vortex chamber can significantly reduce the hydraulic resistance of the vortex heat exchanger. So, with a coolant flow rate V g = 1.615 m 3 /h for the prototype, the resistance is ΔP g = 11.8 kPa (100%). For the proposed device with a gap Δ = 6 mm, the resistance is less and is ΔP g = 5.4 kPa (or 45.8%). However, the K coefficients differ slightly. And so on. Thus, the resistance of the proposed device with arc profile plates ranges from 45.8 to 77% of the resistance of the prototype. Accordingly, energy costs for pumping coolants through the apparatus at the same flow rate can be reduced by 54 ÷ 23% while simultaneously increasing the reliability of the apparatus. The results of heat transfer experiments confirmed the effectiveness of the device. Heat transfer coefficients K (Table 1) have values of 890 ÷ 1100 W/m 2 K.
Список использованных источниковList of sources used
1.Полезная модель к патенту РФ 117596 U1, МПКF28D 9/04, Спиральный теплообменник/ Боташев А.Ю., Малсугенов Р.С. - опубл. 27.06.2012, Бюл. №18.1.Utility model for RF patent 117596 U1, MPKF28D 9/04, Spiral heat exchanger/ Botashev A.Yu., Malsugenov R.S. - publ. 06/27/2012, Bulletin. No. 18.
2. Патент РФ 2269080, МПКF28D7/10, Теплообменник / Лядухин В.И, Болдов В.Ю. - опубл. 27.01.2006, Бюл № 03.2. RF Patent 2269080, MPKF28D7/10, Heat exchanger / Lyadukhin V.I., Boldov V.Yu. - publ. 01/27/2006, Bulletin No. 03.
3. Попов А.С., Косырев В.М. Разработка стенда для изучения вихревого теплообменного аппарата. В сборнике «Наука. Технология. Производство-2014: тезисы докладов Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых» / редкол.: Евдокимова Н.Г. и др. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - 98 с. ISBN 978-5-7831-1181-5 С. 36-37. – Прототип.3. Popov A.S., Kosyrev V.M. Development of a stand for studying a vortex heat exchanger. In the collection “Science. Technology. Production-2014: abstracts of reports of the International Scientific and Technical Conference of Students, Postgraduate Students and Young Scientists” / editorial board: Evdokimova N.G. and others - Ufa: RIC USNTU, 2014. - 98 p. ISBN 978-5-7831-1181-5 pp. 36-37. - Prototype.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2813402C1 true RU2813402C1 (en) | 2024-02-12 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2269080C2 (en) * | 2003-08-11 | 2006-01-27 | Открытое акционерное общество "Калориферный завод" | Heat exchanger |
| RU117596U1 (en) * | 2011-12-19 | 2012-06-27 | Анвар Юсуфович Боташев | SPIRAL HEAT EXCHANGER |
| RU129616U1 (en) * | 2012-12-11 | 2013-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | VORTEX HEAT EXCHANGE ELEMENT |
| CN110307739A (en) * | 2019-07-28 | 2019-10-08 | 南通海特科勒换热设备科技有限公司 | A kind of self-cleaning antiscale plate heat exchanger |
| RU2711569C1 (en) * | 2019-05-13 | 2020-01-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Vortex heat exchanger |
| RU2766504C1 (en) * | 2021-06-23 | 2022-03-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Vortex heat exchanger |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2269080C2 (en) * | 2003-08-11 | 2006-01-27 | Открытое акционерное общество "Калориферный завод" | Heat exchanger |
| RU117596U1 (en) * | 2011-12-19 | 2012-06-27 | Анвар Юсуфович Боташев | SPIRAL HEAT EXCHANGER |
| RU129616U1 (en) * | 2012-12-11 | 2013-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | VORTEX HEAT EXCHANGE ELEMENT |
| RU2711569C1 (en) * | 2019-05-13 | 2020-01-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Vortex heat exchanger |
| CN110307739A (en) * | 2019-07-28 | 2019-10-08 | 南通海特科勒换热设备科技有限公司 | A kind of self-cleaning antiscale plate heat exchanger |
| RU2766504C1 (en) * | 2021-06-23 | 2022-03-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Vortex heat exchanger |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105823360B (en) | Plate type heat exchanger containing wrong heat exhausting pipe array | |
| CN109579573A (en) | A kind of spiral lattice board shell-and-tube heat exchanger | |
| RU2813402C1 (en) | Vortex heat exchanger | |
| CN210522194U (en) | Graphite falling film absorber | |
| RU2711569C1 (en) | Vortex heat exchanger | |
| CN207501760U (en) | Two-layer spiral heat exchanger | |
| RU2747651C1 (en) | Disk heat exchanger | |
| CN109539836B (en) | Vertical multi-stage flowing solid bulk heat exchanger | |
| CN110749210B (en) | Shell-and-tube heat exchanger with variable tube diameter | |
| RU2332246C1 (en) | Film-type enthalpy exchanger | |
| CN210980933U (en) | Heat exchange device | |
| CN113624038A (en) | Shell and tube heat exchanger | |
| CN109237963B (en) | High-efficient heat exchanger is used in petrochemical production | |
| RU2766504C1 (en) | Vortex heat exchanger | |
| RU162675U1 (en) | SPIRAL HEAT EXCHANGER | |
| CN219551272U (en) | Vertical tubular heat exchanger | |
| RU2804787C1 (en) | Flap heat exchanger | |
| CN206037815U (en) | Spiral baffling board for heat exchanger | |
| RU2750678C1 (en) | Spiral-plate heat exchanger | |
| RU2774015C1 (en) | Heat exchanger | |
| RU2804786C1 (en) | Loop heat exchanger | |
| CN108225061A (en) | A kind of single flow heat exchanger | |
| CN110617724B (en) | Shell-and-tube heat exchanger with variable side length | |
| RU2740326C1 (en) | Air cooling unit with angled finning | |
| CN111336839B (en) | Shell-and-tube heat exchanger with variable kernel spacing |