close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY8333

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8333
(13) C1
(19)
(46) 2006.08.30
(12)
7
(51) F 28F 1/00, 1/08
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА
(21) Номер заявки: a 20031137
(22) 2003.12.03
(43) 2005.06.30
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Могилевский государственный университет продовольствия" (BY)
(72) Автор: Федоров Геннадий Степанович (BY)
(73) Патентообладатель: Учреждение образования "Могилевский государственный
университет продовольствия" (BY)
(56) SU 1408192, 1988.
RU 2197693 С2, 2003.
SU 1416848 A1, 1988.
SU 1765680 A1, 1992.
SU 1719873 A1, 1992.
DE 4343405 A, 1995.
BY 8333 C1 2006.08.30
(57)
1. Теплообменная труба с винтовыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности, отличающаяся тем, что выполнена винтообразно закрученной относительно своей оси с образованием сопряженных
винтовых цилиндрических полостей, при этом шаг закручивания равен 6-15 максимального размера поперечного сечения трубы, а противолежащие выступы на внутренней поверхности расположены с равным смещением e в противоположные стороны от оси
трубы.
2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что отношение радиуса винтовых цилиндрических полостей ρ к величине смещения противолежащих выступов e составляет 1,2-8.
Фиг. 1
Изобретение относится к теплообменным устройствам, применяемым в энергетике,
строительстве, пищевой и химической промышленности, газодобыче, газопереработке, и
может быть использовано в теплообменниках, конденсаторах, холодильниках и других
теплообменных аппаратах.
Известны многочисленные теплообменные трубы с винтовыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности. Интен-
BY 8333 C1 2006.08.30
сификация конвективного теплообмена достигается в них за счет закрутки только пристенного слоя и только за счет механизма молекулярного трения слоев, непосредственно
примыкающих к винтовым канавкам.
Недостатком данных устройств является невысокая интенсивность конвективного теплообмена вследствие крайне слабого влияния поверхностей закрутки на внутренние слои
среды, удаленные от стенки трубы. Поэтому значимой такая интенсификация будет только для труб малого диаметра при высоких скоростях движения среды, что всегда обуславливает высокий расход энергии на прокачку среды по теплообменным трубам. Другой
причиной низкого теплообмена является отсутствие перемешивания поперек трубы и
большие значения эквивалентного диаметра, в сущности равные внутреннему диаметру
трубы.
Известна теплообменная труба с канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней поверхности [1]. Труба винтообразно закручена и
имеет овальный профиль поперечного сечения. Кольцевые канавки (выдавки) выполнены
поперек трубы.
Эта труба позволяет интенсифицировать теплообмен за счет увеличения турбулентной
теплопроводности от пульсаций давления. Однако рост гидравлического сопротивления
от периодического сужения площади поперечного сечения в 1,8-2,2 раза превышает прирост интенсивности теплообмена, т.к. коэффициент теплоотдачи α ~ V0,8, а перепад давления по длине трубы ∆Р ~ V1,75-2,5, где V- скорость потока жидкости или газа.
Задачей настоящего изобретения является интенсификация конвективного теплообмена при снижении затрат энергии на прокачку рабочей среды за счет организации встречных вторичных течений поперек трубы, уменьшения эквивалентного диаметра для всего
потока и инерционной закрутки всей массы теплоносителя внутри трубы.
Технический результат достигается тем, что в теплообменной трубе с винтовыми канавками на наружной поверхности и соответствующими им выступами на внутренней
поверхности, согласно изобретению, труба выполнена винтообразно закрученной относительно своей оси с образованием сопряженных винтовых цилиндрических полостей.
При этом шаг закручивания равен 6-15 максимального размера поперечного сечения
трубы, а противолежащие выступы на внутренней поверхности расположены с равным
смещением е в противоположные стороны от оси трубы.
Допустимо, чтобы в теплообменной трубе, согласно изобретению, отношение радиуса
винтовых цилиндрических полостей ρ к величине смещения противолежащих выступов е
составляло 1,2-8.
На рабочую среду, протекающую вдоль трубы, вследствие ее винтообразного закручивания относительно оси накладывается центробежное поле. Из гидродинамики известно, что в поле центробежных сил по радиусу вращения образуется поле давления,
величина которого увеличивается от оси к периферии и пропорционально Rвpn, где Rвp радиус удаления от центра вращения, n>1 - опытный показатель степени. При таком распределении давления по радиусу величина этого давления на большем радиусе будет
всегда больше давления на меньшем радиусе вращающегося потока. Так как труба выполнена винтообразно закрученной относительно своей оси с образованием сопряженных
винтовых цилиндрических полостей, а противолежащие выступы на внутренней поверхности расположены с равным смещением е в противоположные стороны от оси трубы, то
из обеих винтовых полостей, расположенных на значительно большем радиусе вращения,
возникают встречные потоки пристенного газа, т.к. его плотность в пограничных слоях
обеих полостей существенно ниже плотности менее нагретого газа в области выступов.
Вследствие этого в центральной области трубы, между противолежащими выступами, образуется вращающееся ядро потока, из которого менее нагретый газ по диаметральной
плоскости вновь сбрасывается в обе цилиндрические полости.
2
BY 8333 C1 2006.08.30
Таким образом, в пристенной области обеих винтовых цилиндрических полостей
возникает усиленное обновление рабочей среды, благодаря энергичному замещению одних ее элементов другими. В каждой винтовой цилиндрической полости возникает парный вихрь, выполняющий функцию носителя теплоты более эффективно, чем функцию
носителя количества движения, что определяет снижение затрат энергии на прокачку
теплоносителя. Кроме того, закручивание трубы с образованием двух сопряженных цилиндрических полостей обеспечивает существенное уменьшение эквивалентного диаметра для всего потока и рост интенсивности теплообмена, т.к.
0, 2
α ~ d −экв
,
где α - коэффициент теплоотдачи (интенсивность теплообмена);
dэкв - эквивалентный диаметр расчлененного выступами на три самостоятельных потока общего потока теплоносителя.
Отношение радиуса винтовых цилиндрических полостей ρ к величине смещения е
противолежащих выступов в пределах 1,2-8 обеспечивает интенсивный сброс менее нагретого газа из ядра потока между выступами в обе винтовые цилиндрические полости
при изготовлении теплообменников, трубный пучок которых компонуется из труб любых
диаметров, работающих при любой разнице температур теплообменивающих сред, при
любой интенсивности теплоотдачи. При значении ρ/е = 1,2 объем кругового вихря увеличивается, т.е. растет его мощность и, как следует из фундаментального закона сохранения
момента количества движения, обеспечивается интенсивный сброс газа из ядра потока в
обе винтовые цилиндрические полости. Такое соотношение целесообразно применять при
компоновке трубного пучка из труб малых диаметров и при высокой интенсивности теплоотдачи. И наоборот, при значении ρ/е = 8 объем и мощность кругового вихря уменьшаются. Его целесообразно применять для теплообменников, работающих при низкой
интенсивности теплопередачи, преимущественно для воздушных калориферов, либо газовых теплообменников. При отношении ρ/е меньшем, чем 1,2, и большем, чем 8, интенсификация теплообмена недостаточна.
Смещение противолежащих выступов в противоположные стороны от оси трубы, закрученной с образованием винтовых цилиндрических полостей, создает такую гидродинамическую ситуацию, при которой направление вращения теплоносителя в центральном
круговом вихре изменяется на противоположное через каждые полшага t закручивания
трубы. Это вызвано тем, что встречный сброс пограничных слоев из сопряженных цилиндрических полостей происходит над диаметральной плоскостью вверху центрального
вихря и под диаметральной плоскостью внизу центрального вихря. Через каждые полшага
t закручивания трубы направление вращения теплоносителя в центральном вихре изменяется на противоположное, что гарантирует полное перемешивание теплоносителя именно
поперек потока, а это вносит существенный вклад в интенсификацию теплообмена.
Таким образом, задача изобретения решена благодаря ориентации вторичных течений,
обеспечивающих максимально полное перемешивание среды в обеих винтовых цилиндрических полостях и в центральном круговом вихре, именно поперек потока, что является
самым мощным интенсифицирующим воздействием на пристенные (пограничные) слои,
определяющие основное термическое сопротивление процессу теплопередачи.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид теплообменной трубы; на фиг. 2 - поперечное сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечное сечение Б-Б на фиг. 1.
Теплообменная труба 1 содержит винтовые канавки 2 на наружной поверхности и соответствующие им выступы 3 на внутренней поверхности. При этом противолежащие выступы 3 расположены с равным смещением е в противоположные стороны от оси 4 трубы
1, и она винтообразно закручена относительно своей оси с шагом t = 6-15 максимального
размера поперечного сечения, так что образованы сопряженные винтовые цилиндриче3
BY 8333 C1 2006.08.30
ские полости 5, 6 радиусом ρ. По диаметру прямых концов 7 труба 1 закреплена в трубной
решетке 8, причем соседние трубы для повышения их виброустойчивости установлены
одна относительно другой с касанием по максимальному размеру поперечного сечения.
Максимальная интенсификация конвективного теплообмена достигается, если отношение
радиуса ρ винтовых цилиндрических полостей 5, 6 к величине смещения е противоположных выступов 3 составляет 1,2-8.
Теплообменная труба работает следующим образом.
Рабочая среда, протекая вдоль трубы 1, закручивается в обеих винтовых цилиндрических полостях 5, 6 за счет инерционных сил и касательных напряжений на поверхности
винтовых потоков теплоносителя. Так как противолежащие выступы 3 расположены с
равным смещением е в противоположные стороны от оси 4 трубы 1, то в области выступов 3 возникают встречные потоки пристенного газа, сбрасываемого из обеих винтовых
цилиндрических полостей 5, 6, т.е. из зон высокого центробежного давления, определяемого радиусом R. Встречные потоки создают круговой вихрь 9 между выступами 3, лежащими на меньшем радиусе r, т.е. в зоне минимального центробежного давления. По
диаметральной плоскости 10 газ из кругового вихря 9 вновь сбрасывается в противоположных направлениях в обе винтовые цилиндрические полости 5, 6, где генерируются
парные вихри, обеспечивающие интенсивное перемешивание всего потока и сильное интенсифицирующее воздействие именно на пограничные (пристенные) слои и именно поперек основного потока. Такая ориентация созданных вторичных течений позволяет
существенно интенсифицировать конвективный теплообмен внутри трубы и снизить затраты энергии на прокачку среды, т.к. парные вихри в обеих цилиндрических полостях 5,
6 выполняют функции носителей теплоты более эффективно, чем функцию носителей количества движения, что определяет снижение гидравлического сопротивления трубы, и,
как результат этого, уменьшаются затраты энергии на прокачку теплоносителя.
Этому же способствует расчленение общего потока теплоносителя на три самостоятельных потока со значительно меньшими эквивалентными диаметрами: круговой вихрь 9
между выступами 3 и два винтовых потока в винтовых цилиндрических полостях 5, 6.
Так, для труб ∅38 мм и их периметре П = 119,32 мм и шаге размещения на трубной решетке S = l,25 dнap = 47,5 мм, диаметр винтовых цилиндрических полостей 5, 6 составляет
всего 17-18 мм, а диаметр кругового вихря 9 - только 12-14 мм, что также способствует
интенсификации теплообмена.
Изменение отношения радиуса ρ витых цилиндрических полостей 5, 6 к величине смещения е противолежащих выступов 3 в пределах ρ/е = 1,2-8 обеспечивает интенсификацию теплообмена за счет варьирования объема и мощности центрального вихря 9 в
зависимости от размеров применяемых труб, при любой разнице рабочих температур теплоносителей и при различной интенсивности теплоотдачи α = 40-20000 Вт/(м2град).
Существенная интенсификация теплообмена достигается вследствие того, что при
каждой половине шага t закручивания труб направление вращения теплоносителя в центральном вихре 9 изменяется на противоположное. Так, в начале трубы 1 (фиг. 2) в вихре
9 теплоноситель вращается по часовой стрелке, т.к. над диаметральной плоскостью 10 пограничные слои сбрасываются в правую половину вихря 9, а под диаметральной плоскостью 10 в левую половину вихря 9. Уже через полшага t закручивания трубы 1
направление вращения в вихре 9 меняется на противоположное, т.к. над диаметральной
плоскостью 10 пограничные слои из винтовых полостей 5, 6 сбрасываются в левую половину вихря 9, а под - в правую половину вихря (фиг. 3). Такая радикальная перестройка
эпюры скоростей вращательного движения в вихре 9, и именно поперек потока теплоносителя, вносит существенный вклад в интенсификацию теплообмена.
Технически замена традиционных круглых труб на витые не усложнит производство
теплообменников, так как изготовление предлагаемых труб осуществляется за одну операцию - протягивание с одновременным вращением круглых труб через разъемную про4
BY 8333 C1 2006.08.30
филированную оправку (фильеру), а народнохозяйственный эффект в виде экономии
энергии на прокачку теплоносителя и металла на изготовление теплообменников весьма
значителен.
1. А.с. СССР 1386843, МПК F28F 1/02, 1/16, 1988 // Бюл. 13.
2. А.с. СССР 1408192, МПК F28F 1/42, 1988 // Бюл. 25 (прототип)
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
234 Кб
Теги
by8333, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа