Теплообменная труба

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники. В теплообменной трубе канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями: l2=(90-100)h; l1=(90-100)h; l'/l1=0,05; h/D=0.03, где l2 - длина канавки, мм; l1 - длина выступа, мм; l' - длина участка выступа между неглубокими канавками, мм; h - высота выступа, мм; D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм. Технический результат - повышение энергетической эффективности за счет снижения гидросопротивления. 4 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники.

Известна теплообменная труба [Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Абдрахманов А.Р. Расчет турбулентной теплоотдачи и сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками. // Изв. вузов. Авиационная техника. 1997. №3. С.56-68], канал которой выполнен с узкими кольцевыми канавками на внутренней поверхности трубы (канал «1»). В этом канале взаимодействие потока и стенки и существо механизма ИТО (интенсификации теплообмена) полностью определяется теплообменом и трением в пристенных внутренних пограничных слоях (ВПС) 1 и 2, турбулизацию которых обеспечивает рециркуляционная зона (РЗ). Совершенство механизма ИТО заключается в том, что в канале РЗ размещена в канавке, что позволяет сократить размеры РЗ. Опыты с кольцевыми канавками проведены только для наружной поверхности труб в межтрубном потоке теплообменного аппарата (ТА), в ограниченном диапазоне характеристических параметров - t ¯ 20 ; Re=3·103-2·104, где t ¯ = t / h - относительный шаг выступов, Re - число Рейнольдса.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является теплообменная труба [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор). // Теплофизика высоких температур. 2007. №6. С.925-953], канал которой выполнен с выступами и канавками (канал «2»). В канале «2» в качестве интенсификатора теплообмена (ИТ) служат узкие выступы на внутренней поверхности трубы (l<t, где l - длина канавки, t - длина типового участка канала с выступом и канавкой). Идея схемы потока следующая. После каждого выступа образуется РЗ1, на поверхности которой и далее за точкой присоединения xk≈6h, где h - высота выступа, развивается турбулентный внутренний пограничный слой - ВПС1 (толщиной δ). Под РЗ1 формируется возвратный ВПС2 (Малая Р32 не учитывается). Участок канала с шагом t - типовой (повторяющийся). Теплогидродинамическое взаимодействие потока со стенкой полностью определяется процессами переноса внутри ВПС1 и 2. Основной вклад в интенсификацию теплообмена вносят факторы повышенной теплоотдачи в зоне присоединения и малого термического сопротивления тонкого обновленного турбулизированного ВПС1 за точкой присоединения. Главное назначение отрывной рециркуляционной области течения - РЗ1 - производство дополнительной турбулентности, воздействие которой на обновленный ВПС1 стимулирует процесс теплообмена около стенки (Отрыв потока, обновление ПС и образование РЗ1 - результат действия выступа).

Недостатком известных теплообменных труб является высокое гидросопротивление и низкая эффективность.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической эффективности за счет снижения гидросопротивления.

Технический результат достигается тем, что в теплообменной трубе, согласно заявляемому изобретению, канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями

l2=(90-100)h; l1=(90-100)h; l'/l1=0,05; h/D=0.03,

где

l2 - длина канавки, мм,

l1 - длина выступа, мм,

l'- длина участка выступа между неглубокими канавками, мм,

h - высота выступа, мм,

D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей, где на фиг.1 изображен канал предлагаемой теплообменной трубы (канал «3»), на фиг.2, 3, 4, табл.1 показаны результаты расчетов эффективности (интенсивность теплоотдачи, коэффициент гидравлического сопротивления, относительный энергетический коэффициент) каналов «7», «2» и «3».

Таким образом, для достижения технического результата предложена заявляемая конструкция теплообменной трубы, канал которой (канал «3») является последовательностью широких канавок l2=(90-100)h и широких выступов l1=(90-100)h, на выступах которого в качестве дополнительных ИТ используются дискретные поперечные к потоку канавки 4 (одна или несколько). Модель течения (и механизм ИТО) в канале «3» основывается на тонких (обновленных) внутренних пограничных слоях - ВПС1, ВПС2 и ВПС3, которые турбулизируются (под воздействием внешней турбулентности) вихревыми возмущениями от рециркуляционной зоны РЗ1, образующейся за обратным уступом при входе потока в канавку (l2), и возмущениями, возникающими на прямом уступе при натекании потока на выступ (Р32) и канавкой 4. При h/D<0.05 происходит быстрая перестройка ВПС1 и ВПС3 к состоянию «стандартного» турбулентного ПС (ТПС) на гладкой стенке [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) // ТВТ. 2007. №6. С.925-953]. При соотношениях толщин соответствующих пограничных слоев и пристенное течение в канале можно рассматривать как течение на плоской стенке, и для расчета ВПС воспользоваться моделью пограничного слоя на пластине. Предлагаемая в данной работе модель расчета канала «3», построенная на основе представлений по ВПС, подобна тем, формирующимся при обтекании ИТ, что использовались в [Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления турбулентного потока в дискретно шероховатых каналах. //Изв. вузов. Авиационная техника. 1991. №4. С.69-72. Олимпиев В.В. Анализ результатов расчета по модели внутренних пограничных слоев теплоотдачи и сопротивления труб с поперечными кольцевыми выступами.// Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. №3. С.103-106].

Расчет канала «3» строится следующим образом. Местные коэффициенты теплоотдачи для ВПС1 на отрезке от хк до l2 вычисляются по соотношению

где число Нуссельта Nuxx/λ; х - текущая координата; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя (жидкости); Rex=wx/v; w - среднерасходная скорость жидкости в канале; ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости; Tw, Tf - температуры стенки и потока.

Затем вводится поправка αхистx, учитывающая влияние внешней турбулентности Tu на теплоотдачу в ВПС1 [Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука. 1982]

n 1 = 3.71 10 3   T u max 1.41 ,

где αхист - истинное значение коэффициента местной теплоотдачи; Tu - локальное значение степени турбулентности; Tumax=10% (или 0.1) [Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления турбулентного потока в дискретно шероховатых каналах // Изв. вузов. Авиационная техника. 1991. №4. С.69-72. Олимпиев В.В. Анализ результатов расчета по модели внутренних пограничных слоев теплоотдачи и сопротивления труб с поперечными кольцевыми выступами // Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. №3. С.103-106.], Tumax - максимальное значение Tu.

Местные коэффициент сопротивления и касательное напряжение τwx трения для ВПС1 рассчитываются по формулам

c f x 2 = 0.029 Re x 0.2 ;                                  ( 3 )

где ρ - плотность теплоносителя.

Расчет для ВПС3 (на отрезках l') проводится аналогично ВПС1.

Локальные коэффициенты теплоотдачи для ВПС2 (на длине РЗ1 - L) вычисляются с помощью универсальной функции для обратного уступа αx2xk=f(x/xk) [Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. / Под общ. ред. B.C. Авдуевского и др. М.: Машиностроение. 1992.], где рассчитывается по формуле (1) при x=xk. Трение для ВПС2 рассчитывается аналогично.

Осреднение местных параметров ВПС1, ВПС2 и ВПС3 позволяет получить средние значения коэффициента теплоотдачи α и касательного напряжения трения τw на участке t (и во всем канале).

Суммарные потери давления на этом участке можно рассчитать по формуле

где Δpmp=Rmp/(πD2/4) - потери давления на трение, Rmp=πDtτw - сила трения; Δpp и Δpc - местные потери давления на внезапные расширение и сужение канала при обтекании канавки l2 (определяются по [Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение. 1992]). Коэффициент сопротивления ξ на участке t (и во всем канале) рассчитывается из формулы Дарси

Расчеты проводились для тех же условий, что и в [Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи // Изв. РАН. Энергетика. 2002. №3. С.102-118]. Относительная высота выступа была принята из рекомендованного в [Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп, А.С. Мякочин. М.: Энергоатомиздат, 1998.] диапазона, а число Рейнольдса составляла 104-106. Были проведены многовариантные расчеты с различными сочетаниями геометрических параметров ИТ для каналов всех типов. При расчете канала «3» параметр l'/l1 изменялся в пределах 0-1.

В качестве критерия эффективности канала и оптимального выбора размера ИТ, как и в работах [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) //ТВТ. 2007. №6. С.925-953. Rudy M.P. et all. Developments in Enhanceed Heat Transfer Technology from a Petroleum Industry Perspective in 2012// Proceedings of the ASME 2012 Heat Transfer Conference. July 8-12, 2012, Puerto Rico.] служил относительный энергетический коэффициент

,

где Nuгл и ξгл - число Нуссельта и коэффициент сопротивления трения для гладкого канала.

При сопоставлении вариантов для канала одного типа (при каждом значении числа Рейнольдса) показателем наиболее высокой эффективности канала и оптимальных размеров ИТ являлось максимальное значение относительного энергетического коэффициента, для которого даны все материалы расчетов.

Некоторые результаты расчетов для всех каналов даны в табл.1 и на фиг.2-4. При детальной оценке можно отметить, что N u ¯ 3 > N u ¯ 2 > N u ¯ 1 , при этом N u ¯ 3 превышает N u ¯ 2 примерно на 28%. Относительная теплоотдача не зависит от числа Re ( N u ¯ f ( Re ) ) , т.к. характер функций Nu=f(Re") идентичный для гладкого канала и каналов «1;2;3». Модели всех каналов объективно отражают их свойства: при повышенных числах Re и h ¯ = c o n s t нарастание сопротивления обгоняет увеличение теплоотдачи ξ ¯ > N u ¯ , табл.1.

Размерные коэффициенты ξ для всех каналов автомодельны относительно числа Re-ξ/(Re), - что свойственно дискретной и песчано - зернистой шероховатости Никурадзе в режиме полного проявления шероховатости. Расчеты подтвердили сделанное в настоящей работе предположение - сопротивление канала «1» оказалось несколько меньше ξ ¯ 3 , фиг.3. На всем диапазоне чисел Re сопротивление канала «3» заметно ниже величины ξ ¯ 2 (до 43%), фиг.3, что, вероятно, связано с меньшим количеством РЗ на единицу длины в канале «3». Улучшенная теплоотдача и пониженное сопротивление привели к повышенной эффективности канала «3» по сравнению с др., табл.1, фиг.4.

В равных условиях эффективность канала «3» выше, чем показатель проверенного практикой высокоэффективного канала «2», фиг.4.

Таблица 1
Эффективность и оптимальные размеры каналов
Канал «1» (t/h=100)
Re 10000 250000 500000 750000 1000000
Nu/Nuгл 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406
ξ/ξгл 0,948 2,12 2,521 2,79 2,998
1.483 0,663 0,558 0,504 0,469
Канал «2» (t/h=100)
Re 10000 250000 500000 750000 1000000
Nu/Nuгл 1,414 1,414 1,414 1,414 1,414
ξ/ξгл 2,093 3,465 3,914 4,211 4,44
0,676 0,408 0,361 0,336 0,319
Канал «3»(l'/l1=0,05)
Re 10000 250000 500000 750000 1000000
Nu/Nuгл 1,953 1,953 1,953 1,953 1,953
ξ/ξгл 1,94 2,642 2,853 2,99 3,094
1,007 0,739 0,685 0,653 0,631

Теплообменная труба, канал которой выполнен с канавками и выступами, отличающаяся тем, что канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями
l2=(90-100)h; l1=(90-100)h; l'/l1=0,05; h/D=0.03,
где
l2 - длина канавки, мм,
l1 - длина выступа, мм,
l' - длина участка выступа между неглубокими канавками, мм,
h - высота выступа, мм,
D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники. В теплообменной трубе, канал которой выполнен с выступами и канавками, согласно заявляемому изобретению, канал образован гладкими участками трубы и узкими канавками с геометрическими соотношениями: h/D=0.1, (t-l)/h=1, l/h<(3-5), где h - высота выступа, мм, D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм, t - длина типового участка канала с выступом и канавкой, мм, l - длина канавки, мм.

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств. Теплообменник типа «труба в трубе», во внутренней трубе и в межтрубном пространстве которого установлены винтовые вставки.

Заявленное изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйств. Теплообменник типа труба в трубе для жидких и газообразных сред, содержащий концентрично расположенные в цилиндрическом корпусе теплообменную трубу и наружный турбулизатор, делящий межтрубное пространство на входную и выходную полости.

Теплообменник содержит корпус с первым и вторым каналами для теплоносителей и сферические теплопередающие элементы, размещенные в сферических лунках. Каналы разделены теплопередающей поверхностью, входными и выходными патрубками первого канала, входными и выходными патрубками второго канала.

Изобретение относится к энергетике. Теплообменная труба, у которой канал выполнен с выступами и канавками, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями: h/Д=0,03, l1=(90-100)/h, l2=(90-100)h, где h - высота выступа, мм, Д - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм, l1 - длина выступа, мм, l2 - длина канавки, мм.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении теплообменников. Трубчатый теплообменник содержит трубы с ребрами.

Изобретение относится к конструкции теплообменника, в частности к теплообменнику металлическому системы отопления помещения. Теплообменник содержит трубопровод в виде стенки сквозной полости с внешней поверхностью, концевыми участками, а также внешние элементы теплопередачи, которые закреплены к одному концевому участку.

Изобретение относится к технологии изготовления элементов системы отопления жилых и других зданий и может быть использовано при изготовлении теплообменника металлического системы отопления помещения.

Изобретение относится к технологии изготовления элементов системы отопления жилых и других зданий, в частности к способу изготовления теплообменника металлического системы отопления.

Изобретение относится к конструкции элементов системы отопления помещения, в частности к теплообменнику металлическому, и может быть использовано при изготовлении системы отопления помещения.
Изобретение относится к области теплотехники и гальванотехники и может использоваться в системах повышения теплоотдачи для улучшения характеристик теплоотдачи на различных поверхностях устройства теплопередачи.

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники. В теплообменной трубе, канал которой выполнен с выступами и канавками, согласно заявляемому изобретению, канал образован гладкими участками трубы и узкими канавками с геометрическими соотношениями: h/D=0.1, (t-l)/h=1, l/h<(3-5), где h - высота выступа, мм, D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм, t - длина типового участка канала с выступом и канавкой, мм, l - длина канавки, мм.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменных аппаратах. .

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в паровых и водогрейных котлах. .

Изобретение относится к энергетической промышленности, в частности к теплообменным аппаратам. .

Изобретение относится к теплотехнике , а точнее - к теплообменным поверхностям, обеспечивающим пульсирующее движение теплоносителя, и может быть использовано в теплообменниках различного назначения.

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться в теплообменных аппаратах для повышения критической плотности теплового потока в этих аппаратах. .

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к гелиотехнике, и может использоваться в солнечных коллекторах, предназначенных для нагрева воды от солнечного излучения. Для реализации этого процесса теплообменная панель с поглощающим покрытием помещается в теплоизолированный корпус со стеклом, через которое солнечный свет падает на поверхность этой панели, нагревает ее и прикрепленную к ней трубку с теплоносителем, по которой нагретый теплоноситель поступает в накопитель потребителя. Теплообменная панель и способ ее сборки содержит элементы из алюминиевых профилей со вставленной в их каналы трубкой теплоносителя, причем плоская поверхность алюминиевого профиля теплообменной панели изготовлена с V-образными продольными каналами шириной и глубиной 0,5 мм с шагом между центрами в 10 мм и покрыта жаропрочной нитрокраской, разведенной растворителем, а элементы алюминиевого профиля выполнены по противоположным краям с кромками, которые при стыковке одного элемента с другим образуют замкнутый контур вокруг трубки теплоносителя, являясь частью теплопроводящего сечения панели, и обжимают ее за счет некоторого конструктивно заданного натяга. Циркуляция теплоносителя по контуру позволяет накапливать горячую воду за счет охлаждения теплообменной панели. Для максимальной производительности этого процесса необходимо, чтобы теплообменная панель обладала минимальной теплоемкостью, но вместе с тем максимально быстро передавала тепло теплоносителю. В предлагаемом изобретении это реализуется путем изготовления теплообменной панели из материала с хорошей теплопроводностью - алюминия - и оптимизацией конструкции теплопроводящего сечения панели для наилучшего теплового контакта с трубкой теплоносителя. В этом случае профиль не имеет никаких дополнительных поверхностей, не участвующих в процессе теплопередачи. Вместе с тем обеспечивается максимальная теплопередача на трубку теплоносителя за счет плотного ее охвата одной стороной профиля и замыкания ее другой стороной с обеспечением необходимого поджима. 4 ил.
Наверх