SK272019A3 - Heat exchanger with coaxial twisted tubes - Google Patents

Heat exchanger with coaxial twisted tubes Download PDF

Info

Publication number
SK272019A3
SK272019A3 SK27-2019A SK272019A SK272019A3 SK 272019 A3 SK272019 A3 SK 272019A3 SK 272019 A SK272019 A SK 272019A SK 272019 A3 SK272019 A3 SK 272019A3
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
tube
heat exchanger
pipe
coil
fluid
Prior art date
Application number
SK27-2019A
Other languages
Slovak (sk)
Other versions
SK289023B6 (en
Inventor
František Dzianik
Štefan Gužela
Original Assignee
Slovenska Technicka Univerzita V Bratislave
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 Slovenska Technicka Univerzita V Bratislave filed Critical Slovenska Technicka Univerzita V Bratislave
Priority to SK27-2019A priority Critical patent/SK289023B6/en
Publication of SK272019A3 publication Critical patent/SK272019A3/en
Publication of SK289023B6 publication Critical patent/SK289023B6/en

Links

Abstract

Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami je tvorený koaxiálnym rúrkovým zvitkom so skrutkovicovým usporiadaním centrálnej rúry (7) a vonkajšej rúry (6) tak, že v medzikružnom priestore (22) rúrového zvitku sú pozdĺž toku teplovýmennej tekutiny umiestnené prvé vírotvorné prvky (17) a/alebo vo vnútornom priestore (21) centrálnej rúry (7) rúrového zvitku sú pozdĺž toku teplovýmennej tekutiny umiestnené druhé vírotvorné prvky (16). Prívodná časť centrálnej rúry (7) nadväzuje na priamy úsek rúry (5) na prívod tekutiny axiálne vedenej osou rúrkového zvitku tak, že v hornej začiatočnej časti rúrkového zvitku sa rúra (5) na prívod tekutiny zakrivuje a vytvára prechod do centrálnej rúry (7). Do vstupnej oblasti medzikružného priestoru (22) v spodnej časti rúrového zvitku k vonkajšej rúre (6) rúrového zvitku je pripojená axiálne vedená vstupná rúra (9) na prívod teplovýmennej tekutiny a do výstupnej oblasti medzikružného priestoru (22) v hornej časti rúrového zvitku k vonkajšej rúre (6) rúrového zvitku je pripojená axiálne vedená výstupná rúra (10) na odvod teplovýmennej tekutiny. Výstup centrálnej rúry (7) rúrového zvitku je ukončený difúzorom (8) a/alebo výstupnou rúrou (4) na odvod tekutiny.The heat exchanger with coaxial helically wound tubes is formed by a coaxial tube coil with a helical arrangement of the central tube (7) and the outer tube (6) so that in the annular space (22) of the tube coil the first vortex elements (17) are located along the heat exchange fluid flow. / or in the inner space (21) of the central tube (7) of the tube coil, second vortex elements (16) are arranged along the flow of the heat exchange fluid. The supply part of the central tube (7) connects to the straight section of the fluid supply tube (5) axially guided by the axis of the tube coil so that in the upper initial part of the tube coil the fluid supply tube (5) is curved and forms a transition to the central tube (7). . An axially guided inlet pipe (9) for the supply of heat exchange fluid is connected to the inlet region of the annular space (22) in the lower part of the pipe coil to the outer pipe (6) of the pipe coil and to the outlet region of the annular space (22) in the upper part of the pipe coil to the outer An axially guided outlet pipe (10) is connected to the pipe (6) of the pipe coil to drain the heat exchange fluid. The outlet of the central tube (7) of the tube coil is terminated by a diffuser (8) and / or an outlet tube (4) for draining the fluid.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka konštrukcie výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami. Vynález spadá do oblasti: tepelnej a jadrovej energetiky, technológií v chemickom a potravinárskom priemysle, environmentálnych technológií a technológií úpravy prostredia ako je vykurovanie, chladenie a klimatizácia.The invention relates to the construction of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes. The invention falls into the field of: thermal and nuclear energy, technologies in the chemical and food industries, environmental technologies and environmental treatment technologies such as heating, cooling and air conditioning.

Doterajší stav technikyPrior art

V súčasnosti v technickej praxi používané rekuperačné výmenníky tepla možno z hľadiska tvaru stien oddeľujúcich teplovýmenné tekutiny rozdeliť na rúrkové výmenníky tepla, v ktorých sú teplovýmenné tekutiny oddelené stenami rúrok a výmenníky tepla, v ktorých sú teplovýmenné tekutiny oddelené plochými stenami (rovinnými alebo zakrivenými). K hlavným typom rúrkových výmenníkov tepla patria výmenníky tepla so sústavami rúrok (rúrkovými zväzkami), ktoré sú upevnené v plochých doskách s otvormi na rúrky (rúrkovniciach), pričom sústavy rúrok s rúrkovnicami sú konštrukčne uzatvorené v plášťoch s hrdlami na vstup a výstup teplovýmenných tekutín (výmenníky tepla s pevnými rúrkovnicami, výmenníky tepla s plávajúcou hlavou, výmenníky tepla s U-rúrkami a pod.). Ďalším typom rúrkových výmenníkov tepla sú výmenníky tepla so skrutkovito alebo špirálovito stočenými rúrkami, pričom rúrky môžu mať okrem kruhového aj iné tvary prierezov. Špeciálnym typom rúrkových výmenníkov tepla sú výmenníky tepla typu rúrka v rúrke. K hlavným typom výmenníkov tepla, v ktorých sú teplovýmenné tekutiny oddelené plochými stenami patria rôzne konštrukčné varianty doskových výmenníkov tepla a špirálových výmenníkov tepla. Činné povrchy stien, prichádzajúce do styku s tep lový menný mi tekutinami vo výmenníkoch tepla, môžu byť rôzne konštrukčne upravené (orebrovanie, zvlnenie, žliabkovanie a pod.) s cieľom intenzifikovať prestup tepla. Uvedené konkurenčné typy výmenníkov tepla zvyčajne môžu mať určité obmedzenia ich použitia alebo prevádzky (strata tlaku, termická účinnosť, použitý typ teplovýmenných tekutín, pracovné teploty a tlaky, inkrustácia a pod.). Výmenníky tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami, ktoré možno v súčasnosti nájsť v niektorých priemyselných alebo iných aplikáciách, obsahujú jeden alebo niekoľko rúrových zvitkov, pričomtieto rúrové zvitky zvyčajne pozostávajú iba z dvoch jednoduchých skrutkovito stočených koaxiálne usporiadaných rúr. Konštrukčné riešenie takýchto výmenníkov tepla zvyčajne neumožňuje širšiu flexibilitu kvalitatívneho ovplyvňovania tepelno-hydrodynamických podmienok dosahovaných v teplovýmenných tekutinách počas prevádzky nezávisle v jednotlivých pracovných priestoroch výmenníka tepla.Recuperative heat exchangers currently used in technical practice can be divided into tubular heat exchangers in terms of the shape of the walls separating the heat exchange fluids, in which the heat exchange fluids are separated by tube walls and heat exchangers in which the heat exchange fluids are separated by flat walls (planar or curved). The main types of tube heat exchangers include heat exchangers with tube assemblies (tube bundles) which are mounted in flat plates with holes for the tubes (tube tubes), the tube assemblies with tube tubes being structurally enclosed in jackets with heat inlet and outlet ports (heat exchangers). heat exchangers with fixed tube sheets, heat exchangers with floating head, heat exchangers with U-tubes, etc.). Another type of tubular heat exchangers are heat exchangers with helically or helically wound tubes, whereby the tubes can have other cross-sectional shapes in addition to circular. A special type of tubular heat exchangers are tube-in-tube heat exchangers. The main types of heat exchangers in which the heat exchange fluids are separated by flat walls include various design variants of plate heat exchangers and spiral heat exchangers. The active surfaces of the walls, which come into contact with the heat exchange fluids in the heat exchangers, can be variously designed (ribbing, corrugation, grooving, etc.) in order to intensify the heat transfer. These competing types of heat exchangers can usually have certain limitations on their use or operation (pressure loss, thermal efficiency, type of heat exchange fluids used, operating temperatures and pressures, incrustation, etc.). Heat exchangers with coaxial helically wound tubes, which can currently be found in some industrial or other applications, comprise one or more tube coils, these tube coils usually consisting of only two simple helically wound coaxially arranged tubes. The design of such heat exchangers usually does not allow a wider flexibility of qualitative influencing of thermo-hydrodynamic conditions achieved in heat exchange fluids during operation independently in the individual working spaces of the heat exchanger.

Uvedené nedostatky poskytli možnosť riešiť tento problém vhodnými technickými prostriedkami. Výsledkom tohto úsilia je ďalej popisovaná konštrukcia výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa predkladaného vynálezu.These shortcomings provided an opportunity to address this issue by appropriate technical means. The result of this effort is the further described construction of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to the present invention.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Výššie uvedené nedostatky sú v podstatnej miere odstránené konštrukciou výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa vynálezu. Určený je na prenos (výmenu) tepla medzi dvoma teplovýmennými prostrediami (tekutinami), ktoré sú navzájom oddelené pevnými stenami v tvare koaxiálne usporiadaných a skrutkovito zvinutých rúr (rekuperačný výmenník tepla), pričom ako celok predstavuje originálne technické riešenie. Dokáže spoľahlivo pracovať aj pri extrémnejších prevádzkových podmienkach vyznačujúcich sa vysokými alebo nízkymi teplotami a tlakmi teplovýmenných tekutín, alebo vysokými rozdielmi medzi teplotami a tlakmi teplovýmenných tekutín. Koaxiálne skrutkovito zvinuté rúry predstavujú hlavný procesný prvok výmenníka tepla a v jeho základnom variante sú umiestnené vo vnútri plášťa. V plášti výmenníka tepla môžu byť okrem jednoduchých rúrových zvitkov umiestnené aj dvoj a viacnásobné rúrové zvitky, ktoré majú zvyčajne spoločnú centrálnu os. Alternatívny variant výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami je bez vonkajšieho plášťa. Obidva varianty výmenníka tepla sa vyznačujú použitím vírotvomých prvkov v medzikružných priestoroch a prípadne aj vo vnútorných priestoroch centrálnych rúr ich koaxiálnych rúrových zvitkov. Vo variante výmenníka tepla s vonkajším plášťom vyúsťuje vnútorný priestor centrálnej rúry do vnútorného priestoru plášťa, pričom toto vyústenie môže byť cez zakrivený difúzor. Vonkajšie povrchy vonkajších rúr koaxiálnych rúrových zvitkov môžu byť celé alebo sčasti orebrované. Z vnútorného priestore plášťa výmenníka tepla je teplovýmenná tekutina odvádzaná cez výstup, ktorý môže mať axiálnu, tangenciálnu, špirálovú alebo skratkovitú konfiguráciu.The above drawbacks are substantially eliminated by the construction of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to the invention. It is intended for heat transfer between two heat exchange media (fluids), which are separated from each other by solid walls in the form of coaxially arranged and helically wound pipes (recuperative heat exchanger), while as a whole it represents an original technical solution. It can work reliably even in more extreme operating conditions characterized by high or low temperatures and pressures of heat exchange fluids, or high differences between temperatures and pressures of heat exchange fluids. Coaxially helically wound tubes are the main process element of the heat exchanger and in its basic variant are located inside the casing. In addition to single pipe coils, double and multiple pipe coils, which usually have a common central axis, can be arranged in the housing of the heat exchanger. An alternative variant of the heat exchanger with coaxial helically wound tubes is without an outer jacket. Both variants of the heat exchanger are characterized by the use of vortex elements in the annular spaces and possibly also in the inner spaces of the central tubes of their coaxial tube coils. In a variant of the heat exchanger with an outer jacket, the inner space of the central tube opens into the inner space of the jacket, which outlet can be via a curved diffuser. The outer surfaces of the outer tubes of the coaxial tube coils may be fully or partially ribbed. From the interior of the heat exchanger shell, the heat exchange fluid is discharged through an outlet, which may have an axial, tangential, helical or abbreviated configuration.

Podstata konštrukčného riešenia výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa vynálezu spočíva jednak v uložení sústavy koaxiálnych skrutkovito stočených rúr, ktorá je hlavnýmprocesným prvkom tohto výmenníka tepla, do vnútra rotačné symetrického plášťa s optimalizovanou geometriou a tiež v použití prvých vírotvomých prvkov v medzikružnom priestore a prípadne aj v použití drahých vírotvomých prvkov vo vnútornom priestore centrálnej rúry rúrového zvitku výmenníka tepla. Vyústenie vnútorného priestoru centrálnej rúry do vnútorného priestoru vonkajšieho plášťa výmenníka tepla môže byť cez zakrivený diThe essence of the design of the coaxial helically wound tube heat exchanger according to the invention lies in the arrangement of the coaxial helically wound tube system, which is the main process element of this heat exchanger, inside the rotationally symmetrical shell with optimized geometry and also in the use of first vortex elements also in the use of expensive whirlpool elements in the interior of the central tube of the heat exchanger tube coil. The outlet of the inner space of the central tube into the inner space of the outer shell of the heat exchanger can be through a curved di

S K 27-2019 Α3 fúzor. Prvé a druhé vírotvomé prvky, pozostávajúce z tvarovo optimalizovaných a vhodne usporiadaných sústav lamiel, spôsobujú generovanie intenzívneho vírového prúdenia, ktoré v superpozícii s primárnym mechanizmom generovania vírového prúdenia účinkom odstredivej sily pôsobiacej na teplovýmenné tekutiny prúdiace v zakrivených kanáloch (Deanove víry) priaznivo ovplyvňuje konvektívny prestup tepla medzi teplovýmennými tekutinami a povrchnú pevnej steny a tiež zamedzuje prípadnému zanášaniu (inkrustácia) pracovných priestorov výmenníka tepla. Použitie (alebo nepoužitie) a geometria zakriveného difúzora umožňuje dosiahnuť vhodné hydrodynamické podmienky prúdenia teplovýmennej tekutiny vo vnútornom priestore vonkajšieho plášťa výmenníka tepla z hľadiska optimalizácie konvektívneho prestupu tepla medzi touto teplovýmennou tekutinou a vonkajším povrchom vonkajšej rúry rúrového zvitku výmenníka tepla, prípadne z hľadiska minimalizácie tlakovej straty teplovýmennej tekutiny vo vnútri vonkajšieho plášťa výmenníka tepla. Celkové konštrukčné riešenie výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami umožňuje rozsiahlejšiu flexibilitu v nezávislom kvalitatívnom ovplyvňovaní tcpclno-hydrodynamických podnúenok vo všetkých troch pracovných priestoroch výmenníka tepla, chápané ako vnútorný priestor centrálnej rúry, medzikružný priestor, vnútorný priestor vonkajšieho plášťa výmenníka tepla, s ohľadomna dané teplovýmenné tekutiny a požadované procesné vlastnosti výmenníka tepla. Týmto spôsobommožno vo väčšej miere cielene optimalizovať prevádzku výmenníka tepla.S K 27-2019 Α3 fuzzor. The first and second vortex elements, consisting of shape-optimized and suitably arranged lamella systems, cause the generation of intense vortex flow, which in superposition with the primary vortex flow mechanism by centrifugal force acting on heat exchange fluids flowing in curved channels D heat between the heat exchange fluids and the surface of the solid wall and also prevents possible clogging (incrustation) of the working spaces of the heat exchanger. The use (or non-use) and geometry of the curved diffuser allows to achieve suitable hydrodynamic conditions of heat exchange fluid flow in the inner space of the heat exchanger shell in terms of optimizing convective heat transfer between this heat exchange fluid and the outer surface of the outer tube of the heat exchanger tube coil or minimizing pressure loss. heat exchange fluid inside the outer shell of the heat exchanger. The overall design of the heat exchanger with coaxial helically wound tubes allows greater flexibility in independently qualitatively influencing the heat-hydrodynamic stimuli in all three working spaces of the heat exchanger, understood as the inner space of the central tube, inter-ring space, inner space of the heat exchanger outer shell given the heat exchanger fluids and required process properties of the heat exchanger. In this way, the operation of the heat exchanger can be optimized in a more targeted manner.

Výhody konštrukcie výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa vynálezu sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavujú navonok. Vo všeobecnosti možno konštatovať, že originalita predloženého riešenia spočíva v tom, že vhodne konštrukčne a prevádzkovo, tepelno-hydrodynamický optimalizovaný nový výmenník tepla sa vyznačuje relatívne vysokou dosahovanou hodnotou hustoty tepelného toku (pomer preneseného tepelného výkonu medzi teplovýmennýnú tekutinami a velkosti teplovýmennej plochy) a relatívne dobrou termickou účinnosťou pri relatívne nízkych hodnotách tlakových strát teplovýmenných tekutín. Z konštrukčného hľadiska sa jedná o pomerne kompaktne riešený rekuperačný výmenník tepla, vhodný aj pre vysoké hodnoty teplôt a tlakov teplovýmenných tekutín, vyznačujúci sa nízkou náchylnosťou na zanášanie t.j. inkrustácia. Nízka náchylnosť na zanášanie, inkrustáciu výmenníka tepla vyplýva z charakteru prúdenia teplovýmenných tekutín vo výmenníku. Nový výmenník tepla synergicky využíva niektoré prevádzkové alebo konštrukčné prednosti iných typov výmenníkov tepla, v dôsledku čoho možno u neho dosiahnuť deklarované priaznivé prevádzkové parametre. Uvedené atribúty nového výmenníka tepla poukazujú na konkrétne možnosti jeho priemyselného použitia. Opísané riešenie výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami umožňuje rozsiahlejšiu flexibilitu v nezávislom kvalitatívnom ovplyvňovaní tepelno-hydrodynamických podmienok v jednotlivých pracovných priestoroch výmenníka tepla, z čoho vyplýva širšia možnosť cielene optimalizovať jeho prevádzku. Výmenník tepla sa vyznačuje relatívne kompaktným konštrukčným usporiadaním Základný konštrukčný variant výmenníka tepla obsahuje sústavu koaxiálnych skrutkovito stočených rúrok, ktorá je uložená v rotačné symetrickom plášti s hydrodynamický a pevnostné optimalizovanou geometriou. Dosahované procesné tepelno-hydrodynamické parametre výmenníka tepla t. j. súčiniteľ prechodu tepla medzi teplovýmennýnú tekutinami, tlaková strata teplovýmenných tekutín, termická účinnosť a pod. pri jeho relatívne kompaktnej konfigurácii ho predurčujú aj na efektívnu aplikáciu v systémoch, v ktorých sa požaduje prirodzená pasívna cirkulácia jednej alebo obidvoch teplovýmenných tekutín.The advantages of the construction of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to the invention are evident from the effects which manifest themselves externally. In general, it can be stated that the originality of the presented solution lies in the fact that a suitably structurally and operationally thermo-hydrodynamically optimized new heat exchanger is characterized by a relatively high achieved heat flux density (ratio of heat transfer between heat exchange fluids and heat exchange area) and relatively good thermal efficiency at relatively low values of pressure losses of heat exchange fluids. From the design point of view, it is a relatively compact recuperative heat exchanger, suitable also for high values of temperatures and pressures of heat exchange fluids, characterized by low susceptibility to clogging, i. encrustation. The low susceptibility to clogging, incrustation of the heat exchanger results from the nature of the flow of heat exchange fluids in the exchanger. The new heat exchanger synergistically uses some of the operational or design advantages of other types of heat exchangers, as a result of which the declared favorable operating parameters can be achieved. The above attributes of the new heat exchanger point to specific possibilities of its industrial use. The described solution of the heat exchanger with coaxial helically wound tubes allows greater flexibility in independent qualitative influencing of thermal-hydrodynamic conditions in individual working spaces of the heat exchanger, which results in a wider possibility of targeted optimization of its operation. The heat exchanger is characterized by a relatively compact design. The basic design variant of the heat exchanger includes a set of coaxial helically wound tubes, which is housed in a rotating symmetrical shell with hydrodynamic and strength optimized geometry. Achieved process thermal-hydrodynamic parameters of heat exchanger t. j. heat transfer coefficient between heat exchange fluids, pressure loss of heat exchange fluids, thermal efficiency, etc. due to its relatively compact configuration, they also predestine it for efficient application in systems in which natural passive circulation of one or both heat exchange fluids is required.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of figures in the drawings

Konštrukcia výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa vynálezu bude bližšie zobrazená na výkresoch, kde na obr. 1 je znázornený výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúranú ako variant s vonkajším plášťom Na obr. 2 je znázornený tangenciálny výstup tekutiny z vnútorného priestoru plášťa výmenníka tepla. Na obr. 3 je znázornený špirálový výstup tekutiny z vnútorného priestoru plášťa výmenníka tepla. Na obr. 4 je znázornený skratkovitý výstup tekutiny z vnútorného priestoru plášťa výmenníka tepla. Na obr. 5 je znázornený výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúranú ako variant bez vonkajšieho plášťa.The construction of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to the invention will be shown in more detail in the drawings, where in fig. 1 shows a heat exchanger with coaxial helically wound tubes as a variant with an outer shell. FIG. 2 shows the tangential outlet of the fluid from the interior of the heat exchanger shell. In FIG. 3 shows a helical fluid outlet from the interior of the heat exchanger shell. In FIG. 4 shows an abbreviated fluid outlet from the interior of the heat exchanger shell. In FIG. 5 shows a heat exchanger with coaxial helically wound tubes as a variant without an outer shell.

Príklady uskutočnenia vynálezuExamples of embodiments of the invention

Rozumie sa, že jednotlivé uskutočnenia podľa vynálezu sú predstavované pre ilustráciu a nie ako obmedzenia technických riešení. Odborníci znalí stavom techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam vynálezu. Aj takéto ekvivalenty budú spadať do rozsahu nasledujúcich patentových nárokov. Pre odborníkov znalých stavom techniky nemôže robiť problém optimálneho navrhnutia konštrukcie, preto tieto znaky neboli detailne riešené.It is to be understood that the individual embodiments of the invention are presented by way of illustration and not by way of limitation of the technical solutions. Those skilled in the art will find, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, many equivalents to specific embodiments of the invention. Such equivalents will also fall within the scope of the following claims. For those skilled in the art, it cannot be a problem of optimal design, so these features have not been addressed in detail.

S K 27-2019 Α3S K 27-2019 Α3

Príklad 1Example 1

Vtomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísaný základný konštrukčný variant výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami, ktorý je znázornený na obr. 1 a ktorý je určený na prenos (výmenu) tepla medzi dvoma teplovýmennými prostrediami (tekutinami), ktoré sú navzájom oddelené pevnými stenami v tvare koaxiálne usporiadaných a skrutkovito zvinutých rúr (rekuperačný výmenník tepla), pričom ako celok predstavuje originálne technické riešenie. Dokáže spoľahlivo pracovať aj pri extrémnejších prevádzkových podmienkach vyznačujúcich sa vysokými alebo nízkymi teplotami a tlakmi teplovýmenných tekutín, alebo vysokými rozdielmi medzi teplotami a tlakmi teplovýmenných tekutín. Koaxiálne skrutkovito zvinuté rúry predstavujú hlavný procesný prvok výmenníka tepla a v jeho základnom variante sú umiestnené vo vnútri plášťa.In this example of a specific embodiment of the subject of the invention, a basic construction variant of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes is described, which is shown in FIG. 1 and which is intended for heat transfer (exchange) between two heat exchange media (fluids), which are separated from each other by solid walls in the form of coaxially arranged and helically wound tubes (recuperative heat exchanger), while as a whole it represents an original technical solution. It can work reliably even in more extreme operating conditions characterized by high or low temperatures and pressures of heat exchange fluids, or high differences between temperatures and pressures of heat exchange fluids. Coaxially helically wound tubes are the main process element of the heat exchanger and in its basic variant are located inside the casing.

Hlavné konštrukčné časti základného konštrukčného variantu výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami sú vonkajší plášť a sústava dvoch koaxiálne usporiadaných rúr, ktoré sú skrutkovito zvinuté a umiestnené vo vnútri plášťa výmenníka tepla, pričom rúrový zvitok a vonkajší plášť majú spoločnú os symetrie. Geometrické rozmery rúr (priemery, hrúbky stien, dĺžka), geometria rúrového zvitku (priemer, stúpanie a počet závitov) a hlavné rozmery vonkajšieho plášťa priamo súvisia s procesnými podmienkami (pracovné teploty a tlaky, tepelný výkon, použité teplovýmenné média, tepelnohydro-dynamické podmienky prevádzky a pod.) prevádzky výmenníka tepla a použitými konštrukčnými materiálmi.The main components of the basic design of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes are the outer jacket and a set of two coaxially arranged tubes which are helically wound and located inside the heat exchanger jacket, the tube coil and outer jacket having a common axis of symmetry. The geometric dimensions of the pipes (diameters, wall thicknesses, length), the geometry of the pipe coil (diameter, pitch and number of threads) and the main dimensions of the outer jacket are directly related to process conditions (operating temperatures and pressures, heat output, heat exchange media used, heat-dynamic conditions operation, etc.) operation of the heat exchanger and the construction materials used.

Vonkajší plášť je tvorený valcovou časťou 1 plášťa, kužeľovou časťou 2 plášťa a klenutýmvekom 3 plášťa. V dolnej kužeľovej časti 2 plášťa je medzikružný osovo symetrický otvor 20, ktorého os symetrie je totožná s osou plášťa výmenníka tepla. Cez medzikružný osovo symetrický otvor 20 ústi vnútorný priestor plášťa výmenníka tepla do rúry 4 na odvod tekutiny. Vonkajší povrch plášťa výmenníka tepla a vonkajší povrch rúry 4 na odvod tekutiny môže byť tepelne zaizolovaný. Sústava skrutkovito zvinutých rúr (rúrový zvitok) pozostáva z centrálnej rúry 7 s konštantným prierezom a z vonkajšej rúry 6, ktorá je s centrálnou rúrou 7 koaxiálne usporiadaná. Prívodná časť centrálnej rúry 7 vstupuje do vnútorného priestoru plášťa výmenníka zospodu cez medzikružný osovo symetrický otvor 20 ako priamy úsek samostatnej rúry 5 na prívod tekutiny, pričom tvorí súosovú konfiguráciu s rúrou 4 na odvod tekutiny a tiež s rotačné symetrickýmplášťom výmenníka tepla. V hornej časti vnútorného priestoru plášťa sa rúra 5 na prívod tekutiny zakrivuje tak, aby toto zakrivenie vytváralo geometricky jednoduchý a hydrodynamický optimalizovaný prechod k začiatočnej časti rúrového zvitku. Začiatočná časť rúrového zvitku (minimálne polovica jedného závitu rúrového zvitku) je tvorená iba samostatnou rúrou 5 na prívod tekutiny. Za začiatočnou časťou rúrového zvitku nasleduje sústava dvoch koaxiálnych skrutkovito stočených rúr, tvoriacich skrutkovicový rúrový zvitok s prednostne ľavotočivým charakterom skrutkovice. Táto hlavná časť rúrového zvitku je najdôležitejším procesným prvkom výmenníka tepla. Centrálna rúra 7 v hlavnej časti rúrového zvitku súosovo prechádza vo vnútri vonkajšej rúry 6. Medzikružný priestor 22, vymedzený vonkajším povrchom centrálnej rúry 7 a vnútorným povrchom vonkajšej rúry 6, je na čelných plochách t.j. začiatok a koniec medzikružného priestoru, nepriepustné uzavretý. Vstupný a výstupný otvor pre prívod a odvod teplovýmennej tekutiny do medzikružného priestoru 22 je umiestnený na obvode vonkajšej rúry 6 v začiatočnej a koncovej oblasti tohto priestoru, pričom geometrická konfigurácia vstupu t.j. sústava vstupnej rúry 9 a vonkajšej rúry 6 rúrového zvitku vo vstupnej oblasti medzikružného priestoru 22, a výstupu t.j. sústava výstupnej rúry 10 a vonkajšej rúry 6 rúrového zvitku vo výstupnej oblasti medzikružného priestoru 22, je hydrodynamický optimalizovaná. Teplovýmenná tekutina má prívod 13 do medzikružného priestoru 22 cez vstupnú rúru 9 a má odvod 14 z medzikružného priestoru 22 cez výstupnú rúru 10. Vstupná rúra 9 a výstupná rúra 10 vyúsťujú cez vonkajší plášť výmenníka tepla v tvare hrdiel. Vprípade, ak vstupná rúra 9 a výstupná rúra 10 napevno spájajú vostavbu výmenníka tepla ako rúrový zvitok s prívodnou centrálnou rúrou, s jeho vonkajšímplášťom, je potrebné pri konkrétnom konštrukčnom riešení pre konkrétnu prevádzkovú aplikáciu uvažovať s kompenzáciou rozdielnej teplotnej dilatácie vostavby a vonkajšieho plášťa výmenníka. Na tento účel možno vhodne využiť aj skrutkovicový tvar rúrového zvitku výmenníka tepla v kombinácii s optimalizovanou geometrickou konfiguráciou častí vstupnej rúry 9 a výstupnej rúry 10 vo vnútornom priestore výmenníka. V medzikružnom priestore 22 rúrového zvitku výmenníka tepla sú pozdĺž toku teplovýmennej tekutiny umiestnené prvé vírotvomé prvky 17, pozostávajúce z tvarovo optimalizovaných a vhodne usporiadaných sústav lamiel, ktoré spôsobujú generovanie intenzívneho vírového prúdenia. Počet inštalovaných prvých vírotvomých prvkov 17 je ovplyvnený celkovou dĺžkou medzikružného priestoru 22 a požadovanou hydrodynamikou prúdenia teplovýmennej tekutiny v tomto priestore. Prvé vírotvomé prvky 17 tiež vymedzujú geometriu medzikružia t.j. rotačnú symetriu podľa osi medzikružia, pozdĺž zvinutých koaxiálnych rúr, pričom musia byť umiestnené tak, aby ich vzájomná poloha pozdĺž zvinutých koaxiálnych rúr nebránila rozdielnej dilatácii medzi centrálnou rúrou 7 a vonkajšou rúrou 6 v ich koaxiálnom usporiadaní pri nestacionárnych prevádzkových stavoch výmenníka tepla napr. uvádzanie do prevádzky, odstavovanie z prevádzky a pod. Vo vnútornom priestore 21 centrálnej rúry 7 rúrového zvitku môžu byť pozdĺž toku teplovýmennej tekutiny taktiež umiestnené druhé vírotvomé prvky 16 s podobným účelom, t.j. upraviť hydrodynamické pomery prúdenia teplovýmennej tekutiny generovaním intenzívneho vírového prúdenia. Za hlavnou časťou rúrového zvitku výmenníka tepla, tvorenou sústavou dvoch koaxiálnychThe outer casing is formed by a cylindrical part 1 of the casing, a conical part 2 of the casing and an arched part 3 of the casing. In the lower conical part 2 of the shell there is an inter-circular axially symmetrical opening 20, the axis of symmetry of which is identical with the axis of the shell of the heat exchanger. Through the annular axially symmetrical opening 20, the inner space of the heat exchanger shell opens into the fluid discharge pipe 4. The outer surface of the heat exchanger shell and the outer surface of the fluid drain pipe 4 may be thermally insulated. The set of helically wound pipes (pipe coil) consists of a central pipe 7 with a constant cross-section and of an outer pipe 6, which is coaxially arranged with the central pipe 7. The supply part of the central tube 7 enters the inner space of the exchanger shell from below through an annular axially symmetrical opening 20 as a straight section of a separate fluid supply tube 5, forming a coaxial configuration with the fluid drain pipe 4 and also with the rotationally symmetrical heat exchanger jacket. In the upper part of the inner space of the casing, the fluid supply pipe 5 is curved so that this curvature creates a geometrically simple and hydrodynamically optimized transition to the initial part of the pipe coil. The initial part of the pipe coil (at least half of one thread of the pipe coil) is formed only by a separate pipe 5 for the supply of fluid. The initial part of the pipe coil is followed by a set of two coaxial helically wound pipes forming a helical pipe coil with a preferably counterclockwise helical character. This main part of the pipe coil is the most important process element of the heat exchanger. The central tube 7 in the main part of the tube coil extends coaxially inside the outer tube 6. The annular space 22 defined by the outer surface of the central tube 7 and the inner surface of the outer tube 6 is on the end faces, i. beginning and end of the annular space, impermeable closed. The inlet and outlet openings for the supply and discharge of the heat exchange fluid to the annular space 22 are located on the circumference of the outer tube 6 in the initial and end regions of this space, the geometric configuration of the inlet i. an assembly of an inlet pipe 9 and an outer pipe 6 of the pipe coil in the inlet region of the annular space 22, and the outlet i. the system of the outlet pipe 10 and the outer pipe 6 of the pipe coil in the outlet region of the annular space 22 is hydrodynamically optimized. The heat exchange fluid has an inlet 13 to the annular space 22 via an inlet pipe 9 and has an outlet 14 from the annular space 22 via an outlet pipe 10. The inlet pipe 9 and the outlet pipe 10 open through the outer shell of the neck-shaped heat exchanger. In the case where the inlet pipe 9 and the outlet pipe 10 firmly connect the heat exchanger assembly as a pipe coil to the supply central pipe, with its outer jacket, it is necessary to consider compensating for the different thermal expansion of the building and the outer jacket in a particular design for a particular operating application. For this purpose, the helical shape of the tube coil of the heat exchanger can also be suitably used in combination with the optimized geometric configuration of the parts of the inlet pipe 9 and the outlet pipe 10 in the interior of the exchanger. In the annular space 22 of the tube coil of the heat exchanger, first vortex elements 17 are arranged along the heat exchange fluid flow, consisting of shape-optimized and suitably arranged lamella systems, which cause the generation of an intense vortex flow. The number of installed first vortex elements 17 is influenced by the total length of the annular space 22 and the required hydrodynamics of the flow of the heat exchange fluid in this space. The first vortex elements 17 also define the geometry of the annulus, i. rotational symmetry along the axis of the annulus, along the coiled coaxial tubes, and must be positioned so that their relative position along the coiled coaxial tubes does not prevent differential expansion between the central tube 7 and the outer tube 6 in their coaxial arrangement at non-stationary heat exchange states. commissioning, decommissioning, etc. In the inner space 21 of the central tube 7 of the tube coil, second vortex elements 16 for a similar purpose can also be arranged along the flow of the heat exchange fluid, i. adjust the hydrodynamic flow rates of the heat exchange fluid by generating an intense vortex flow. Behind the main part of the tube coil of the heat exchanger, formed by a system of two coaxial ones

S K 27-2019 Α3 skrutkovito zvinutý ch rúr, nadväzuje na centrálnu rúru 7 zakrivený difúzor 8 s kruhovým prierezom prietokového kanála, ktorého geometrický tvar je z hydrodynamického hľadiska optimalizovaný optimálnym vrcholovým uhlom zakrivenej kužeľovej plochy definujúcim rozširovania kruhového prierezu v smere toku tekutiny. Skratkovitá os divergentného t.j. rozširujúceho sa prietokového kanála zakriveného difúzora 8 má rovnaký priemer aj stúpanie ako spoločná os prietokových kanálov v sústave dvoch koaxiálnych skrutkovito zvinutých vonkajšej rúry 6 a centrálnej rúry 7 tvoriacich hlavnú časť rúrového zvitku výmenníka tepla. Zakrivený difúzor 8 nemusí byť použitý v každej aplikácií výmenníka tepla. Jeho použitie závisí od konkrétnych požiadaviek na tepelno-hydrodynamické parametre prevádzky daného výmenníka tepla.With K 27-2019 Α3 helically wound pipes, a curved diffuser 8 with a circular cross-section of the flow channel is connected to the central pipe 7, the geometric shape of which is optimally hydrodynamically optimized by the apex angle of the curved conical surface defining the widening of the circular cross-section. The abbreviated axis of the divergent i. of the expanding flow channel of the curved diffuser 8 has the same diameter and pitch as the common axis of the flow channels in an assembly of two coaxially helically wound outer tube 6 and a central tube 7 forming the main part of the heat exchanger tube coil. The curved diffuser 8 may not be used in every heat exchanger application. Its use depends on the specific requirements for the thermal-hydrodynamic parameters of the operation of a given heat exchanger.

Funkcia výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami je nasledovná. Horúca teplovýmenná tekutina 11 t.j. teplovýmenná tekutina určená na ochladzovanie vo výmenníku tepla vteká zdola rúrou 5 na prívod tekutiny do vnútorného priestoru výmenníka tepla a ďalej tečie vzostupne v priamomúseku rúry 5 na prívod tekutiny do hornej časti vnútorného priestoru výmenníka tepla. Vhomej časti vnútorného priestoru výmenníka tepla pokračuje tok horúcej teplovýmennej tekutiny 11 skrutkovito stočeným úsekom centrálnej rúry 7 zostupne, pričom nastáva jej ochladzovanie prostredníctvom chladiacej teplovýmennej tekutiny 13, ktorá prúdi v medzikružnom priestore 22 skrutkovito stočených koaxiálnej vonkajšej rúry 6 a centrálnej rúry 7 vo vnútri výmenníka tepla. Pri prúdení teplovýmenných tekutín skrutkovito stočeným úsekom koaxiálnej vonkajšej rúry 6 a centrálnej 7 je vygenerovaný vírový charakter prúdenia ochladzovanej teplovýmennej tekutiny 11 v centrálnej rúre 7 a chladiacej teplovýmennej tekutiny 13 v medzikružnom priestore 22 skrutkovicového rúrového zvitku. Vírový charakter prúdenia sa vyznačuje okrem primárnych zložiek rýchlosti prúdenia tekutiny v smere jej hlavného toku t. j. v smere osi skrutkovito stočených koaxiálnych rúr, ktorá má tvar skrutkovice, aj sekundárnymi zložkami rýchlosti prúdenia tekutiny v smere kolmom na jej hlavný tok. Opísané vírové prúdenie je generované jednak účinkom odstredivej sily pôsobiacej na teplovýmenné tekutiny prúdiace v zakrivených kanáloch tvorených vnútorným priestorom 21 centrálnej rúry 7 a medzikružným priestorom 22 vymedzeným vonkajšou rúrou 6 a centrálnou rúrou 7, pričom vznikajú tzv. Deanove víry. Avšak vírové prúdenie teplovýmenných tekutín môže byť generované vo vnútornom priestore 21 centrálnej rúry 7 a v medzikružnom priestore 22 skrutkovicového rúrového zvitku aj prostredníctvomprvých a druhých vírotvomých prvkov 17 a 16 a v takom prípade nastáva superpozícia obidvoch mechanizmov generovania vírového prúdenia. Prvé a drahé vírotvomé prvky 17 a 16 sú tvarovo optimalizované a vhodne usporiadané sústavy lamiel, ktoré môžu byť opakovane umiestnené v pracovných priestoroch pozdĺž toku teplovýmenných tekutín. Na dosiahnutie optimálneho superpozičného efektu pri súčasnomgenerovaní vírového prúdeniav zakrivených kanáloch dvoma opísanými mechanizmami je potrebné optimalizovať geometrickú konfiguráciu zakrivených kanálov t.j. skrutkovito stočených koaxiálnych rúr výmenníka tepla, vrátane geometrického tvaru a rozmiestnenia prvých a druhých vírotvomých prvkov 17 a 16 s ohľadom na procesné podmienky prevádzky výmenníka tepla. Ochladzovaná tekutina vyteká výtokom 15 z vnútorného priestoru 21 centrálnej rúry 7 cez zakrivený difúzor 8 do vnútorného priestoru vonkajšieho plášťa výmenníka tepla, pričom v centrálnej oblasti 18 skrutkovito stočených rúr prúdi vírovým pohybom vzostupne a v okrajovej oblasti 19 medzi vonkajším obvodom skrutkovito stočených rúr a vnútorným povrchom valcovej časti 1 plášťa a kužeľovej časti 2 plášťa výmenníka tepla zostupne. Opísané prúdenie v priestoroch centrálnej oblasti 18 skrutkovito stočených rúr a okrajovej oblasti 19 výmenníka tepla je vygenerované vhodnou geometrickou konfiguráciou jeho vonkajšieho plášťa pri uvedenom spôsobe výtoku 15 ochladzovanej tekutiny zvnútra 21 centrálnej rúry 7 cez zakrivený difúzor 8. Pri takomto prúdení nastáva sekundárny prestup tepla cez stenu vonkajšej rúry 6 medzi ochladzovanou tekutinou vo vnútri vonkajšieho plášťa výmenníka tepla a chladiacou tekutinou prúdiacou v medzikružnompriestore 22 skrutkovito stočených koaxiálnych rúr. Pre intenzifikáciu prestupu tepla na vonkajšom povrchu vonkajšej skrutkovito zvinutej rúry 6, môže byť tento povrch celý alebo sčasti orebrovaný. Aby opísaný sekundárny prestup tepla prispelk zvýšeniu účinnosti výmenníka tepla je potrebné optimalizovať jeho konštrukciu a prevádzku vzhľadom na íýzikálno-chemické vlastnosti a prevádzkové podmienky (teplota, tlak, rýchlosť prúdenia) použitých teplovýmenných tekutín. Vurčitých prípadoch by pri daných prevádzkových podmienkach mohol opísaný sekundárny prestup tepla vo výmenníku tepla znižovať jeho účinnosť. Toto môže nastať napríklad ak teplota výstupného prúdu 14 chladiacej resp. ohrievajúcej sa teplovýmennej tekutiny bude vyššia ako teplota na výtoku 15 ochladzovanej teplovýmennej tekutiny zo zakriveného difúzora 8 do vnútra vonkajšieho plášťa výmenníka. V uvedenom prípade by pri nevhodných hydrodynamických pomeroch prúdenia ochladzovanej teplovýmennej tekutiny vo vnútri vonkajšieho plášťa výmenníka tepla (relatívne veľká kinetická energia ochladzovanej teplovýmennej tekutiny vytekajúcej zo zakriveného difúzora 8) mohlo nastať čiastočné sekundárne ohrievanie ochladzovanej teplovýmennej tekutiny v hornej časti vnútorného priestoru vonkajšieho plášťa výmenníka tepla. Tento nepriaznivý jav možno potlačiť okrem optimalizácie hydrodynamických pomerov prúdenia teplovýmennej tekutiny vo vnútri vonkajšieho plášťa výmenníka tepla, tiež zaizolovaním časti vonkajšieho povrchu vonkajšej skrutkovito zvinutej rúry 6, prípadne neorebrovaním tejto časti vonkajšieho povrchu, cez ktorú by mohol nastať uv edený nežiaduci prestup tepla. Ochladená teplovýmenná tekutina má výtok 12 z vnútorného priestoru vonkajšieho plášťa výmenníka tepla cez otvor 20 do osovo symetrického medzikružného priestoru 23 vymedzenej predĺženou priamouThe function of the heat exchanger with coaxial helically wound tubes is as follows. The hot heat exchange fluid 11 i. the heat exchange fluid to be cooled in the heat exchanger flows from below through the fluid supply pipe 5 into the inner space of the heat exchanger and further flows upwards in a straight section of the fluid supply pipe 5 into the upper part of the inner space of the heat exchanger. In the inner part of the interior of the heat exchanger, the flow of hot heat exchange fluid 11 through the helically wound section of the central tube 7 continues downwards, cooling by means of cooling heat exchange fluid 13 flowing in the annular space 22 of the helically wound coaxial outer tube 6 and the central tube 7. . As the heat exchange fluids flow through the helically wound section of the coaxial outer tube 6 and the central 7, a vortex pattern of the flow of the cooled heat exchange fluid 11 in the central tube 7 and the cooling heat exchange fluid 13 is generated in the annular space 22 of the helical tube coil. The vortex nature of the flow is characterized in addition to the primary components of the flow rate of the fluid in the direction of its main flow t. j. in the direction of the axis of helically wound coaxial tubes, which has the shape of a helix, also by secondary components of the fluid flow rate in the direction perpendicular to its main flow. The described vortex flow is generated on the one hand by the effect of the centrifugal force acting on the heat exchange fluids flowing in the curved channels formed by the inner space 21 of the central tube 7 and the annular space 22 defined by the outer tube 6 and the central tube 7. Dean's beliefs. However, the vortex flow of the heat exchange fluids can be generated in the inner space 21 of the central tube 7 and in the annular space 22 of the helical tube coil also by the first and second vortex elements 17 and 16, in which case both vortex flow generating mechanisms are superimposed. The first and expensive vortex elements 17 and 16 are shape-optimized and suitably arranged lamella systems which can be repeatedly placed in the working spaces along the flow of heat exchange fluids. In order to achieve an optimal superposition effect while simultaneously generating vortex flow in curved channels by the two described mechanisms, it is necessary to optimize the geometric configuration of the curved channels, i. helically wound coaxial heat exchanger tubes, including the geometric shape and arrangement of the first and second vortex elements 17 and 16 with respect to the process conditions of operation of the heat exchanger. The cooled fluid flows out of the inner space 21 of the central tube 7 through a curved diffuser 8 into the inner space of the outer shell of the heat exchanger, flowing upwards in the central region 18 of helically wound tubes and in the edge region 19 between the outer circumference of helically wound tubes and inner tube. housing part 1 and the conical part 2 of the heat exchanger housing in descending order. The described flow in the spaces of the central region 18 of helically wound tubes and the peripheral region 19 of the heat exchanger is generated by a suitable geometric configuration of its outer shell in said method of outlet 15 of cooled fluid from inside 21 of the central tube 7 through a curved diffuser 8. At such flow a secondary heat transfer through the wall occurs. of the outer tube 6 between the cooled fluid inside the outer shell of the heat exchanger and the cooling fluid flowing in the annular space 22 of the helically wound coaxial tubes. To intensify the heat transfer on the outer surface of the outer helically wound tube 6, this surface can be ribbed in whole or in part. In order for the described secondary heat transfer to contribute to increasing the efficiency of the heat exchanger, it is necessary to optimize its design and operation with respect to the physicochemical properties and operating conditions (temperature, pressure, flow rate) of the used heat exchange fluids. In certain cases, under the given operating conditions, the described secondary heat transfer in the heat exchanger could reduce its efficiency. This can occur, for example, if the temperature of the outlet stream 14 of the cooling resp. of the heating heat exchange fluid will be higher than the temperature at the outlet 15 of the cooled heat exchange fluid from the curved diffuser 8 to the inside of the outer shell of the exchanger. In this case, with unsuitable hydrodynamic flow rates of the cooled heat exchanger fluid inside the outer shell of the heat exchanger (relatively high kinetic energy of the cooled heat exchanger fluid flowing out of the curved diffuser 8), partial secondary heating of the cooled heat exchanger fluid in the upper outer space space could occur. This unfavorable phenomenon can be suppressed not only by optimizing the hydrodynamic flow rates of the heat exchange fluid inside the outer shell of the heat exchanger, but also by insulating a part of the outer surface of the outer helically wound tube 6 or by not removing this part of the outer surface through which said undesired heat transfer could occur. The cooled heat exchange fluid has an outlet 12 from the inner space of the outer shell of the heat exchanger through an opening 20 into an axially symmetrical annular space 23 defined by an elongated direct

S K 27-2019 Α3 časťou rúry 5 na prívod tekutiny a rúrou 4 na odvod tekutiny. Vprípade, ak má prúd ochladenej teplovýmennej tekutiny (výtok 12) z výmenníka tepla relatívne väčšiu tangenciálnu zložku rýchlosti, t.j. vyznačuje sa relatívne väčšou kinetickou energiou, môžu byť na začiatku medzikružného priestoru 23 nainštalované vhodne tvarované lamely s cieľom transformovať s čo najvyššou účinnosťou dynamický tlak zodpovedajúci tangenciálnej zložke rýchlosti prúdenia ochladenej tekutiny na statický tlak, v dôsledku čoho sa zvýši celkový statický tlak v ochladenej teplovýmennej tekutine na výtoku 12 z výmenníka tepla. Uvedeným spôsobom možno znížiť celkovú tlakovú stratu vznikajúcu pri prúdení ochladzujúcej sa teplovýmennej tekutiny vo výmenníku tepla. Pracovné priestory t.j. vnútorný priestor 21 centrálnej rúry 7 amedzikružný priestor 22 skrutkovicového rúrového zvitku, ochladzovanej a ohrievanej teplovýmennej tekutiny vo výmenníku tepla môžu byť na rozdiel od prípadu opísaného v predchádzajúcom texte vymenené, t.j. vnútorným priestorom 21 centrálnej rúry 7 skrutkovicového rúrového zvitku výmenníka tepla môže pretekať ohrievaná teplovýmenná tekutina a medzikružným priestorom 22 ochladzovaná teplovýmenná tekutina. Tomu je potrebné čiastočne prispôsobiť aj konštrukčné usporiadanie výmenníka tepla najmä v prípadoch, ak bude požadovaná prirodzená (pasívna) cirkulácia jednej alebo obidvoch teplovýmenných tekutín v systéme, v ktorombude výmenník tepla použitý. Taktiež vzájomná orientácia hlavných tokov teplovýmenných tekutín môže byť suprúdova na rozdiel od prípadu znázorneného na obr. 1 a obr. 3, kde je protiprúdová.With K 27-2019 Α3 part of the tube 5 for fluid supply and the tube 4 for fluid drainage. In the case where the stream of cooled heat exchange fluid (outlet 12) from the heat exchanger has a relatively larger tangential velocity component, i. characterized by a relatively higher kinetic energy, suitably shaped lamellae can be installed at the beginning of the annular space 23 in order to transform with maximum efficiency the dynamic pressure corresponding to the tangential component of the cooled fluid flow rate to static pressure, as a result of which the total static pressure in the cooled heat exchange fluid increases at the outlet 12 of the heat exchanger. In this way, the total pressure loss caused by the flow of the cooling heat exchange fluid in the heat exchanger can be reduced. Workspaces i.e. the inner space 21 of the central tube 7 and the annular space 22 of the helical tube coil, of the cooled and heated heat exchange fluid in the heat exchanger can be exchanged, i.e. contrary to the case described above, i. The heated heat exchange fluid can flow through the inner space 21 of the central tube 7 of the helical tube coil of the heat exchanger, and the cooled heat exchange fluid can flow through the intermediate ring 22. The design of the heat exchanger must be partially adapted to this, especially in cases where natural (passive) circulation of one or both heat exchange fluids in the system in which the heat exchanger will be used will be required. Also, the relative orientation of the main heat exchange fluid streams can be supercurrent, in contrast to the case shown in FIG. 1 and FIG. 3, where it is countercurrent.

Príklad 2Example 2

Základný konštrukčný variant výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito zvinutými rúrami umiestnenými vo vnútri vonkajšieho plášťa opísaný v príklade 1 a znázornený na obr. 1 môže mať aj alternatívne konštrukčné alebo procesné usporiadania. Na obr. 2 až 4 sú znázornené alternatívne konštrukčné riešenia výstupu teplovýmennej tekutiny z vnútorného priestoru plášťa výmenníka tepla. Na rozdiel od axiálneho výstupu 12 teplovýmennej tekutiny je v prípade znázornenom na obr. 2 výstupná rúra 4 tangenciálne pripojená k dolnej kužeľovej časti 2 vonkajšieho plášťa výmenníka tepla. V tomto prípade sa jedná o tangenciálny výstup 12 teplovýmennej tekutiny z vnútorného priestoru plášťa výmenníka tepla. Priama časť rúry 5 na prívod tekutiny je vedená cez uzáver 24 v dolnej kužeľovej časti 2 vonkajšieho plášťa výmenníka tepla. Pripojenie výstupného kanála k dolnej kužeľovej časti vonkajšieho plášťa výmenníka tepla môže mať tiež špirálové usporiadanie ako je to znázornené na obr. 3 alebo skrutkovité usporiadanie ako je to znázornené na obr. 4.The basic design variant of the heat exchanger with coaxial helically wound tubes located inside the outer shell described in Example 1 and shown in FIG. 1 may also have alternative constructional or process arrangements. In FIG. Figures 2 to 4 show alternative constructional solutions for the outlet of the heat exchange fluid from the interior of the heat exchanger shell. In contrast to the axial outlet 12 of the heat exchange fluid, in the case shown in FIG. 2 outlet pipe 4 tangentially connected to the lower conical part 2 of the outer shell of the heat exchanger. In this case, it is a tangential outlet 12 of the heat exchange fluid from the interior of the heat exchanger shell. The straight part of the fluid supply pipe 5 is guided through a cap 24 in the lower conical part 2 of the outer shell of the heat exchanger. The connection of the outlet channel to the lower conical part of the outer shell of the heat exchanger may also have a helical arrangement as shown in FIG. 3 or a helical arrangement as shown in FIG. 4.

Príklad 3Example 3

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísaný alternatívny konštrukčný variant výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami bez vonkajšieho plášťa, ktorý je znázornený na obr. 5. V tomto prípade nie sú koaxiálne skrutkovito zvinuté rúry umiestnené vo vonkajšom plášti, ale tvoria samostatný konštrukčný celok, pričom centrálna rúra 7 rúrového zvitku má priamu časť rúry 5 na prívod teplovýmennej tekutiny a rúru 4 na odvod teplovýmennej tekutiny ukončenú hrdlami, podobne ako v prípade konštrukčného riešenia vstupnej rúry 9 a výstupnej rúry 10 pre teplovýmennú tekutinu pretekajúcu medzikružným priestorom 22 výmenníka tepla. V medzikružnom priestore 22 rúrového zvitku výmenníka tepla a prípadne aj vo vnútornom priestore 21 jeho centrálnej rúry 7 sú umiestnené prvé a druhé vírotvomé prvky 17 a 16 podobne ako v konštrukčnom variante výmenníka tepla s vonkajším plášťom Prechod tepla medzi tep lový menný mi tekutinami v sústave dvoch koaxiálne skrutkovito stočených rúr nastáva výhradne cez stenu centrálnej rúry 7. Cez stenu vonkajšej rúry 6 môže prebiehať výmena tepla medzi teplovýmennou tekutinou prúdiacou v medzikružnom priestore 22 výmenníka tepla a okolitým prostredím, pričom vonkajší povrch vonkajšej rúry 6 môže byť z dôvodu intenzifikácie prestupu tepla orebrovaný. Vprípade požiadavky na zamedzenie prestupu tepla medzi teplovýmennou tekutinou prúdiacou v medzikružnom priestore 22 výmenníka tepla a okohtým prostredím bude na vonkajšom povrchu vonkajšej rúry 6 výmenníka tepla izolačná vrstva.In this example of a specific embodiment of the invention, an alternative construction variant of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes without an outer jacket is described, which is shown in FIG. 5. In this case, the coaxially helically wound tubes are not located in the outer casing, but form a separate structural unit, the central tube 7 of the tube coil having a straight part of the heat exchange fluid supply pipe 5 and the heat exchange fluid discharge pipe 4 terminated by necks, similar to in the case of the design of the inlet pipe 9 and the outlet pipe 10 for the heat exchange fluid flowing through the annular space 22 of the heat exchanger. The first and second vortex elements 17 and 16 are arranged in the annular space 22 of the heat exchanger tube coil and possibly also in the inner space 21 of its central tube 7, similarly to the design variant of the heat exchanger with outer shell. Heat transfer between heat exchange fluids in a system of two coaxially helically wound tubes occur exclusively through the wall of the central tube 7. Heat exchange between the heat exchanger fluid flowing in the annular space 22 of the heat exchanger and the surrounding environment can take place via the wall of the outer tube 6, the outer surface of the outer tube 6 being edged due to heat intensification. In the case of a requirement to prevent heat transfer between the heat exchange fluid flowing in the annular space 22 of the heat exchanger and the surrounding environment, there will be an insulating layer on the outer surface of the outer tube 6 of the heat exchanger.

Konštrukčné vyjasnenia. Opísané konštrukčné varianty výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito zvinutými rúrami môžu obsahovať okrem jednoduchých rúrových zvitkov aj dvoj a viacnásobné rúrové zvitky, ktoré majú zvyčajne spoločnú centrálnu os. Z hľadiska procesu môžu byť dvoj a viacnásobné rúrové zvitky zapojené paralelne, sériovo alebo kombinovane. Cieľom takéhoto usporiadania rúrových zvitkov je zväčšiť teplovýmennú plochu a s ohľadom na použité teplovýmenné tekutiny dosiahnuť vhodné procesné (tepelno hydrodynamické) podmienky v pracovných priestoroch výmenníka tepla pri zvýšení miery kompaktnosti konštrukcie výmenníka tepla. Z hľadiska hydrodynamiky prúdenia teplovýmenných tekutín sa výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami vyznačuje núteným vírovým prúdením: vo vnútornom priestore 21 centrálnej rúry 7 aj v medzikružnom priestore 22, medzi vonkajším povrchom centrálnej rúry 7 a vnútorným povrchom vonkajšej rúry 6. Takýto charakter prúdenia teplovýmenných tekutín priaznivo ovplyvňuje konvektívny prestup tepla medzi teplový menný mi tekutinami a povrchnú pevnej steny (povrchy centrálnej rúry, vnútorný povrch vonkajšej rúry). Intenzívne vírové prúdenie teplovýmenných tekutín tiež zamedzuje prípadnému zanášaniu, inkrustácií pracovných priestorov výmenníka tepla.Design clarifications. The described design variants of the heat exchanger with coaxial helically wound tubes can contain, in addition to single tube coils, also double and multiple tube coils, which usually have a common central axis. From a process point of view, double and multiple pipe coils can be connected in parallel, in series or in combination. The aim of such an arrangement of tube coils is to increase the heat exchange area and, with regard to the used heat exchange fluids, to achieve suitable process (thermal hydrodynamic) conditions in the working spaces of the heat exchanger while increasing the compactness of the heat exchanger design. In terms of the hydrodynamics of the flow of heat exchange fluids, the heat exchanger with coaxial helically wound tubes is characterized by a forced vortex flow: in the inner space 21 of the central tube 7 as well as in the annulus 22, between the outer surface of the central tube 7 and the inner surface of the outer tube 6. favorably affects the convective heat transfer between the heat transfer fluids and the surface of the solid wall (central tube surfaces, inner surface of the outer tube). Intensive vortex flow of heat exchange fluids also prevents possible clogging, incrustation of the working spaces of the heat exchanger.

S K 27-2019 Α3S K 27-2019 Α3

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Priemyselná využiteľnosť konštrukcie výmenníka tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa vynálezu nachádza uplatnenie v tepelnej a jadrovej energetike, v priemyselných technológiách chcmic5 kého a potravinárskeho priemyslu, v environmentálnych technológiách, v technológiách úpravy prostredia ako je vykurovanie, chladenie a klimatizácia.The industrial applicability of the construction of a heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to the invention finds application in thermal and nuclear energy, in industrial technologies of the chemical and food industry, in environmental technologies, in environmental treatment technologies such as heating, cooling and air conditioning.

S K 27-2019 Α3S K 27-2019 Α3

Zoznam vzťahových značiekList of reference marks

- valcová časť plášťa- cylindrical part of the casing

- kužeľová časť plášťa- conical part of the casing

- klenuté veko plášťa- arched mantle lid

- rúra na odvod tekutiny- fluid drain oven

- rúra na prívod tekutiny- fluid supply oven

- vonkajšia rúra- outer oven

- centrálna rúra- central oven

- difúzor- diffuser

- vstupnárúra- entrance hall

- výstupná rúra- outlet pipe

- vstup ochladzovanej tekutiny do centrálnej rúry- entry of cooled fluid into the central tube

- výstup ochladzovanej tekutiny z vnútorného priestoru plášťa- the outlet of the cooled fluid from the inner space of the casing

- prívod chladiacej tekutiny do medzikružného priestoru- coolant supply to the annular space

- odvod chladiacej tekutiny z medzikružného priestoru- coolant drainage from the annular space

- výtok ochladzovanej teplovýmennej tekutiny- outflow of cooled heat exchange fluid

- druhý vírotvomý prvok- the second vortex element

- prvý vírotvomý prvok- the first vortex element

- centrálna oblasť skrutkovito stočených rúr- central area of helically wound pipes

- okrajová oblasť- peripheral area

- medzikružný osovo symetrický otvor- annular axially symmetrical hole

- vnútorný priestorcentrálnej rúry- internal space - central tube

- medzikružný priestor- annular space

- osovo symetrický medzikružný priestor- axially symmetric annular space

- uzáver v dolnej kužeľovej časti plášťa- a cap in the lower conical part of the casing

Claims (7)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami, vyznačujúci sa tým, že je tvorený koaxiálnym rúrkovým zvitkom so skrutkovicovým usporiadaním centrálnej rúry (7) a vonkajšej rúry (6) tak, že v medzikružnom priestore (22) rúrového zvitku sú pozdĺž toku teplový mennej tekutiny umiestnené prvé vírotvomé prvky (17) a/alebo vo vnútornom priestore (21) centrálnej rúry (7) rúrového zvitku sú pozdĺž toku teplovýmennej tekutiny umiestnené druhé vírotvomé prvky (16), pričom prívodná časť centrálnej rúry (7) nadväzuje na priamy úsek rúry (5) na prívod tekutiny axiálne vedenej osou rúrkového zvitku tak, že v hornej začiatočnej časti rúrkového zvitku sa rúra (5) na prívod tekutiny zakrivuje a vytvára prechod do centrálnej rúiy (7); do vstupnej oblasti medzikružného priestoru (22) v spodnej časti rúrového zvitku k vonkajšej rúre (6) rúrového zvitku je pripojená axiálne vedená vstupná rúra (9) pre prívod teplovýmennej tekutiny a do výstupnej oblasti medzikružného priestoru (22) v hornej časti rúrového zvitku k vonkajšej rúre (6) rúrového zvitku je pripojená axiálne vedená výstupná rúra (10) pre odvod teplovýmennej tekutiny; výstup centrálnej riny (7) rúrového zvitku je ukončený difúzorom (8) a/alebo výstupnou rúrou (4) na odvod tekutiny.Heat exchanger with coaxial helically wound tubes, characterized in that it is formed by a coaxial tube coil with a helical arrangement of the central tube (7) and the outer tube (6) such that in the inter-circular space (22) of the tube coil there are heat exchangers along the flow. The first vortex elements (17) and / or in the inner space (21) of the central tube (7) of the tube coil are arranged along the heat exchange fluid, the second vortex elements (16), the supply part of the central tube (7) adjoining a straight section of the tube. (5) for the supply of fluid axially guided by the axis of the tubular coil such that in the upper initial part of the tubular coil, the tube (5) for the supply of fluid is curved and forms a transition to the central tube (7); an axially guided inlet pipe (9) for the supply of heat exchange fluid is connected to the inlet region of the annular space (22) in the lower part of the pipe coil to the outer pipe (6) of the pipe coil and to the outlet region of the annular space (22) in the upper part of the pipe coil to the outer an axially guided outlet pipe (10) for draining the heat exchange fluid is connected to the tube (6) of the tube coil; the outlet of the central pipe (7) of the pipe coil is terminated by a diffuser (8) and / or an outlet pipe (4) for draining the fluid. 2. Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že rúrkový zvitok so skrutkovicovým usporiadaním centrálnej rúry (7) a vonkajšej rúry (6) je umiestnený vo vonkajšom plášti, ktorý je tvorený valcovou časťou (1) plášťa, kužeľovou časťou (2) plášťa a klenutým vekom (3) plášťa.Heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to claim 1, characterized in that the tube coil with the helical arrangement of the central tube (7) and the outer tube (6) is arranged in an outer casing which is formed by a cylindrical casing part (1). a conical part (2) of the casing and an arched lid (3) of the casing. 3. Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prvé vírotvomé prvky (17) a/alebo druhé vírotvomé prvky (16) sú tvorené sústavou lamiel.Heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to Claim 1, characterized in that the first vortex elements (17) and / or the second vortex elements (16) are formed by a system of fins. 4. Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa nároku laž3, vyznačujúci sa tým, že výstupná rúra (4) na odvod tekutiny je vedená axiálne zo spodnej oblasti kužeľovej časti (2) plášťa tak, že so vstupnou rúrou (5) na prívod tekutiny tvoria osovo symetrický medzikružný priestor (23).Heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to claim 1 to 3, characterized in that the outlet pipe (4) for draining the fluid is guided axially from the lower region of the conical part (2) of the housing so that the inlet pipe (5) for fluid supply they form an axially symmetrical annular space (23). 5. Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa nároku laž3, vyznačujúci sa tým, že výstupná rúra (4) na odvod tekutiny má skrutkovicový výstup z kužeľovej časti (2) plášťa.Heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to claim 1 to 3, characterized in that the outlet pipe (4) for draining the fluid has a helical outlet from the conical part (2) of the casing. 6. Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa nároku laž3, vyznačujúci sa tým, že výstupnárúra (4) na odvod tekutiny má špirálový výstup z kužeľovej časti (2) plášťa.Heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to claim 1 to 3, characterized in that the fluid outlet outlet (4) has a helical outlet from the conical part (2) of the casing. 7. Výmenník tepla s koaxiálnymi skrutkovito stočenými rúrami podľa nároku laž3, vyznačujúci sa tým, že výstupná rúra (4) na odvod tekutiny má tangenciálny výstup z kužeľov ej časti (2) plášťa.Heat exchanger with coaxial helically wound tubes according to claim 1 to 3, characterized in that the outlet pipe (4) for draining the fluid has a tangential outlet from the cones of the housing part (2).
SK27-2019A 2019-03-12 2019-03-12 Heat exchanger with coaxial twisted tubes SK289023B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK27-2019A SK289023B6 (en) 2019-03-12 2019-03-12 Heat exchanger with coaxial twisted tubes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK27-2019A SK289023B6 (en) 2019-03-12 2019-03-12 Heat exchanger with coaxial twisted tubes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SK272019A3 true SK272019A3 (en) 2020-10-02
SK289023B6 SK289023B6 (en) 2022-12-21

Family

ID=72659407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK27-2019A SK289023B6 (en) 2019-03-12 2019-03-12 Heat exchanger with coaxial twisted tubes

Country Status (1)

Country Link
SK (1) SK289023B6 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
SK289023B6 (en) 2022-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5579836A (en) Heat-exchanger coil assembly and complex thereof
US20160018168A1 (en) Angled Tube Fins to Support Shell Side Flow
EP2771622B1 (en) Heat exchanger for the condensing boiler
WO2017111636A1 (en) Fired heat exchanger
US3336974A (en) Serpentine tube boiler
EP2852804B1 (en) Waste heat boiler with bypass and mixer
KR20220119361A (en) flow reactor
EP1724543A1 (en) Heat exchange unit and heat exchanger using the heat exchange unit
SK272019A3 (en) Heat exchanger with coaxial twisted tubes
RU2386096C2 (en) Honeycomb heat exchanger with flow swirling
SK302019U1 (en) Heat exchanger with coaxial twisted tubes
EP3336474B1 (en) Heat exchanger
RU2631963C1 (en) Self-cleaning shell-and-tube heat exchanger
RU2391613C1 (en) Shell-and-tube heat exchanger
RU2673119C2 (en) Heat exchanging device
SU1746196A1 (en) Heat exchange tube
RU2192593C1 (en) Helical heat exchanger
RU2705711C1 (en) "pipe-in-pipe" heat exchanger with rotating spiral tape
RU2027137C1 (en) Heat exchanger
EP2446210B1 (en) Heat-exchanger configuration
RU2219454C1 (en) Multi-section shell-and-tube heat exchanger
US20230330616A1 (en) A shell-and-tube heat exchanger, method of exchanging heat and use of heat exchanger
CN108827042B (en) Finned tube fluidized bed heat collector
RU2115876C1 (en) Tube-in-tube heat exchanger
EA046308B1 (en) SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER, HEAT EXCHANGE METHOD AND APPLICATION OF HEAT EXCHANGER