Теплообменная труба (варианты)
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к оребренным теплообменным трубам и может быть использована в теплообменных аппаратах применяемых в энергомашиностроении, химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности. Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении теплоаэродинамических характеристик оребренной трубы, увеличении площади теплообменной поверхности, снижении энергопотребления, повышение жесткости и надежности работы оребренной трубы. Заявленный технический результат достигается тем, что используют теплообменную трубу, содержащую несущую трубу, выполненную плоскоовальной или эллиптической в плоскости поперечноготсечения, и наружное поперечное оребрение, содержащее поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает. При этом, полная высота ребер наружного поперечного оребрения постоянна. 2 н.п.ф, 3 илл.
Назначение и область применения
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к оребренным теплообменным трубам и может быть использована в теплообменных аппаратах применяемых в энергомашиностроении, химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности.
Предшествующий уровень техники
Для интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах используются развитые поверхности, в том числе трубы с ребрами.
Известны теплообменные трубы со спиральными ребрами и винтовым наружным оребрением в виде ленты (А.С. СССР 
1513367, 1989 г.). Однако данные трубы обладают низким коэффициентом теплоотдачи, недолговечны, сложны в изготовлении и имеют ограниченную область применения.
Наиболее близким решением по совокупности существенных признаков, принятым за прототип, является конструкция оребренной трубы пучка теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения (с патент РФ 2266496, 26.03.2004), характеризующаяся тем, что оребренная труба содержит собственно тело теплообменной трубы - несущую трубу с неполным наружным поперечным оребрением переменной толщины и высоты, которое выполнено преимущественно из алюминиевого сплава. К числу недостатков данного решения следует отнести сложность в изготовлении и недостаточная тепловая эффективность вследствие чего для возможности получения компактного теплообменного аппарата требуются трубы большой протяженности.
Сущность полезной модели.
Техническая задача, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в предложении простого, компактного решения теплообменной трубы с высокой эффективностью теплообмена.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении теплоаэродинамических характеристик оребренной трубы, увеличении площади теплообменной поверхности, снижении энергопотребления, повышение жесткости и надежности работы оребренной трубы.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют теплообменную трубу, содержащую несущую трубу и наружное поперечное оребрение отличающуюся от прототипа тем, что несущая труба выполнена плоскоовальной в плоскости поперечного сечения, а наружное оребрение содержит поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает.
Заявленный технический результат также достигается тем, что используют теплообменную трубу, содержащую несущую трубу и наружное поперечное оребрение отличающуюся от прототипа тем, что несущая труба выполнена эллиптической в плоскости поперечного сечения, а наружное оребрение содержит поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели по любому из вышеуказанных вариантов осуществления, полная высота ребер наружного поперечного оребрения, между их внешним и внутренним контуром, постоянна. При этом, очевидно, что внешний контур ребер также как и внутренний, повторяет очертания контура поперечного сечения несущей трубы.
Также несущая труба согласно любому из вышеуказанных вариантов осуществления полезной модели может быть выполнена из стали, а оребрение из алюминия. При этом, несущая труба может быть выполнена двухслойной, где внутренний слой выполнен из стали, а внешний из алюминия, причем, ребра наружного оребрения также могут быть выполнены из стали и/или алюминия, а труба выполнена биметаллической.
Оребрение трубы, согласно полезной модели по любому из вышеуказанных вариантов осуществления, может быть выполнено в виде поперечно-винтового наката ребер, или навивки алюминиевой ленты с натягом или стальной ленты с обваркой, а ребра наружного оребрения могут быть выполнены напрессовкой натягом.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, где фиг. 1 - Теплообменная туба по первому варианту с плоскоовальной в поперечном сечении несущей трубой: а) поперечное сечение, б) вырез продольного сечения; фиг. 2 - Теплообменная туба по второму варианту с эллиптической в поперечном сечении несущей трубой: а) поперечное сечение, б) вырез продольного сечения; фиг. 3 - линии тока при расчете поля скоростей конденсирующейся смеси.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только некоторые наиболее предпочтительные варианты выполнения полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает и другие варианты выполнения.
Осуществимость полезной модели.
В соответствии с чертежами, представленными на фиг. 1 и 2 теплообменная труба 1 по любому из вариантов осуществления полезной модели представляет собой оребренную, а именно, поперечно-оребренную, трубу, содержащую несущую трубу 2 с оребрением на наружной поверхности, состоящим из плоских поперечных ребер 3 с замкнутым внешним и внутренним контуром, повторяющим очертание контура поперечного сечения несущей трубы 2. Ребра 3 равномерно распределены в продольном направлении с образованием зазора 4 между соседними ребрами. Высота ребра выбирается в зависимости от тепловых расчетов, учитывающих требуемые эксплуатационные характеристики конструкции. На практике, наиболее предпочтителен выбор высоты ребра в диапазоне от 5 мм до 17 мм, а толщины ребра от 0,35 мм до 0,9 мм. При этом в пределах конструкции выбранная высота ребра постоянна.
Поперечное сечение несущей трубы по форме близко к овальному, причем в решении согласно первому варианту осуществления полезной модели, представленному на фиг. 1, несущая труба выполнена с плоскоовальным контуром поперечного сечения, а в соответствии со вторым вариантом осуществления полезной модели, представленному на на фиг. 2 с эллиптическим контуром поперечного сечения.
Теплообменные трубы с поперечным оребрением согласно полезной модели могут быть изготовлены различными способами, например, методом точного литья (чугунные и стальные трубы, а также стальные трубы с алюминиевыми ребрами); методом насадки или механической навивки винтового (спирально-ленточного) оребрения, например, навивки алюминиевой ленты с натягом (с насечкой или без насечки наружной поверхности несущей трубы), а также навивки с последующей завальцовкой ее в винтовую канавку на поверхности несущей трубы или навивки стальной ленты с обваркой; поперечно-винтового накатывания ребер на алюминиевой трубе, надетой на гладкую несущую трубу, с образованием биметаллической оребренной трубы; напрессовкой с натягом стальных или алюминиевых ребер (пластин) или методом приварки ребер электородуговой сваркой под флюсом или токами высокой частоты. Наиболее предпочтительными и технологичными являются стальные трубы выполненные напрессовкой с натягом стальных или алюминиевых ребер (пластин), а также поперечно-винтового накатывания ребер. Однако, в зависимости от условий эксплуатации теплообменной трубы и охлаждаемой среды, протекающей внутри ее несущей трубы, материальное исполнение конструкции теплообменной трубы может меняться, тем не менее, в качестве материала несущей трубы использование стали (например, Ст 20,09Г2С, 12Х18Н10Т и т.д.) предпочтительно.
При этом, поперечно-оребренные трубы с плоскоовальной или эллиптической несущей трубой согласно полезной модели, за счет вытянутой формы несущей трубы, имеют высокую степень развития теплообменной поверхности. Так, например, при расчете площади поверхности оребренной трубы F, м2 косвенным методом по формуле:
, где
D - измеренный наружный диаметр оребренной трубы, м;
H - измеренная высота ребра, м;
Sp - измеренная толщина ребра при вершине, м;
S0 - измеренное расстояние между ребрами, м;
L - измеренная длина оребренной части трубы, м-1;
m - действительное линейное число ребер, шт.;
n - действительное число труб в аппарате без учета заглушенных, шт,
при длине трубы 1 м площадь поверхности оребренной трубы с наружным диаметром 25 мм и коэффициентом оребрения 20 составляет - 1,628 м2, а соответствующей заменяющей ее плоскоовальной трубы 25×45 с коэффициентом оребрения 20 составит уже - 2,9 м2, что обеспечивает существенное преимущество с точки зрения повышения эффективности обеспечения теплообменного процесса оребренных труб с плосокоовальной несущей трубой, по сравнению с традиционными несущими трубами круглого сечения. Очевидно, что для несущей трубы с поперечным сечением эллиптической формы значения площади поверхности оребренной трубы будут близки вышеуказанным расчетным значениям для несущей трубы с плоскоовальным поперечным сечением.
При этом теплообменные трубы согласно полезной модели за счет применения плоскоовальной или эллиптической формы как несущих труб, так и наружного оребрения обладают низким аэродинамическим сопротивлением воздушному потоку охлаждающего воздуха, за счет уменьшения (сужения) размера по ширине трубы и как следствие уменьшение поверхности сопротивления в поперечном направлении, а соответственно уменьшение затрачиваемой мощности на продувку холодного теплоносителя. Это позволяет достигать не менее 20-30% показателей по энергосбережению при работе аппаратов воздушного охлаждения Экспериментально установлено, для труб разных размеров, применение поперечно-оребренных труб с плоскоовальной или эллиптической несущей трубой позволяет в 1,5-2 раза увеличить интенсивность теплопередачи и энергоэффективность конструкции. Так при сопоставлении показателей при работе аппаратов воздушного охлаждения с применением оребренных труб с несущей трубой круглого сечения с наружным диаметром 25 мм и несущих труб эллиптического сечения с диаметрами 16 мм и 30 мм с ребрами той же конфигурации, расчетная мощность вентиляторов в первом случае составила 5,8 кВт, а в случае применения несущей трубы согласно полезной модели - 4,1 кВт, что свидетельствует о существенном уменьшении энергопотребления конструкции и повышении ее энергоэффективности. Очевидно также, что за счет повышения энергоэффективности конструкции для достижения расчетных мощностей аппарата воздушного охлаждения потребуется меньшее количество поперечно-оребренных труб с плоскоовальной и эллиптической несущей трубой, что позволяет выпускать компактные конструкции аппаратов воздушного охлаждения на их основе и способствует снижению материалоемкости конструкции теплообменной трубы.
Трубы согласно полезной модели эффективнее и предпочтительнее также и с точки зрения наличия увеличенной, по сравнению с известными из уровня техники конструкциями теплообменных труб с поперечным оребрением, внутренней поверхности соприкосновения и распределения парожидкостной смеси внутри трубы в процессе конденсации продукта, т.к. процесс конденсации продукта происходит в большей степени в пристеночных областях, а внутренний периметр плоскоовальной или эллиптической трубы больше чем круглой. Так сравнение периметров круглой и плоскоовальной несущей трубы показывает: общий периметр несущей трубы с круглым перечным сечением диаметром 25 мм и толщиной стенки 2 мм составляет 0,0659715 мм, а заменяющей ее трубы с плоскоовальной формой поперечного сечения размером 25×45,5 со стенкой 2 мм составляет - 0,10697 мм, что в 1,6 раз больше аналогичного параметра для известных несущих труб с круглым поперечным сечение.. При этом, при конденсации в плоскоовальных и эллиптических трубах образующийся слой жидкости в меньшей степени перекрывает внутреннюю поверхность трубы, чем в круглых, позволяя продукту далее конденсироваться на больших площадях, не давая жидкостной пленке выпариться и образовать «сухую стенку».
При расчете поля скоростей конденсирующейся смеси, были получены линии тока указанные на фиг. 3. Анализ течения конденсатной пленки показывает, что на трубках, с уменьшающейся кривизной профиля поперечного сечения, движение жидкости носит нисходящий характер, независимо от того, учитываются силы поверхностного натяжения или нет, что приводит к образованию больших поверхностных точек конденсации по сравнению с трубой круглого поперечного сечения.
Теплообменная труба выполненная согласно полезной модели, с плоскоовальной или эллиптической формой поперечного сечения несущей трубы и соответствующих им поперечных ребер оребрения, размещенная в пучке теплообменных труб аппарата воздушного охлаждения, работает следующим образом: при подаче охлаждающего теплоносителя (воздуха) на пучок оребренных теплообменных труб, по которым транспортируют охлаждаемый продукт под давлением, происходит обтекание пучка труб воздухом и контактный теплообмен с охлаждением продукта протекающего в трубном пространстве до требуемых значений. При этом за счет применения несущих труб и оребрения плоскоовальной или эллиптической формы, достигается:
- улучшение аэродинамических условий обтекания оребренных теплообменных труб пучка охлаждающим теплоносителем и снижение потребляемой мощности вентиляторов, требуемой на прокачку охлаждающего воздуха;
- увеличение суммарной площади теплообменной поверхности пучка, за счет применения формы оребренных труб согласно полезной модели и возможности более плотного размещения труб в пучке.
При этом, предлагаемая теплообменная труба проста в изготовлении и обеспечивает повышении теплоаэродинамических характеристик оребренной трубы, увеличение площади теплообменной поверхности, снижение энергопотребления, повышение жесткости, за счет замкнутой поверхности ребер, охватывающих несущую трубу по наружному контуру ее поперечного сечения и надежности работы оребренной трубы, за счет повышения теплообменных характеристик и повышенной энергоэффективности.
1. Теплообменная труба, содержащая несущую трубу и наружное поперечное оребрение, отличающаяся тем, что несущая труба выполнена с плоскоовальным контуром поперечного сечения, а наружное оребрение содержит поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает.
2. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что полная высота ребер наружного поперечного оребрения постоянна.
3. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что внешний контур ребер повторяет очертания контура поперечного сечения несущей трубы.
4. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что несущая труба выполнена из стали.
5. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что несущая труба выполнена, по меньшей мере, двухслойной.
6. Теплообменная труба по п.5, отличающаяся тем, что внутренний слой несущей трубы выполнен из стали, а внешний из алюминия.
7. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что наружное оребрение выполнено из алюминия или стали.
8. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что выполнена биметаллической.
9. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено в виде поперечно-винтового наката ребер.
10. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено в виде навивки алюминиевой ленты с натягом.
11. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено в виде навивки стальной ленты с обваркой.
12. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено напрессовкой ребер с натягом.
13. Теплообменная труба, содержащая несущую трубу и наружное поперечное оребрение, отличающаяся тем, что несущая труба выполнена с эллиптическим контуром поперечного сечения, а наружное оребрение содержит поперечные пластинчатые ребра с замкнутым внешним и внутренним контуром, где внутренний контур соответствует наружному контуру несущей трубы и полностью его охватывает.
14. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что полная высота ребер наружного поперечного оребрения постоянна.
15. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что внешний контур ребер повторяет очертания контура поперечного сечения несущей трубы.
16. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что несущая труба выполнена из стали.
17. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что несущая труба выполнена, по меньшей мере, двухслойной.
18. Теплообменная труба по п.17, отличающаяся тем, что внутренний слой несущей трубы выполнен из стали, а внешний из алюминия.
19. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что наружное оребрение выполнено из алюминия или стали.
20. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что выполнена биметаллической
21. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено в виде поперечно-винтового наката ребер.
22. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено в виде навивки алюминиевой ленты с натягом.
23. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено в виде навивки стальной ленты с обваркой.
24. Теплообменная труба по п.1, отличающаяся тем, что оребрение трубы выполнено напрессовкой ребер с натягом.
