Теплообменное устройство

Полезная модель направлена на повышение теплоотдачи и снижение отложений. Указанный технический результат достигается тем, что теплообменное устройство содержит корпус и установленные в нем трубные доски с одной витой трубой или пучком витых труб, имеющих внешний диаметр D трубы, у которых расстояние между соседними витками, относительный шаг закрутки, -S, находится в интервале:

8S/D20,

при этом на всей или части поверхности одиночной витой трубы или витой трубы в пучке труб выполнены углубления двойной кривизны, причем радиусы кривизны выпуклой и вогнутой частей углублений находятся в диапазоне:

10 ^-3R₍₊₎/R_(-)1,

отношение глубины каждого углубления h к его диаметру d находится в интервале

0,025h/d0,5,

отношение диаметра окружности D, описанной около витой трубы, к диаметру d углубления находится в интервале

5D/d500,

а отношение расстояния между центрами углублений L к диаметру углублений d находится в интервале

1L/d3.

6 з.п.ф., 2 илл.

Полезная модель относится к области энергетики, в частности, к теплообменным устройствам.

Известны технологии, названные смерчевыми технологиями (TORNADO LIKE JET TECHNOLOGY - TLJT), обеспечивающие самоорганизацию в потоках теплоносителей смерчеобразных закрученных струй за счет нанесения на обтекаемые ими энергообменные поверхности трехмерных рельефов (рельефы TLJT), и приводящие к достижению указанных выше целей. Рельефы TLJT - трехмерные рельефы двойной кривизны не являются особым видом шероховатости, так как закономерности обменных процессов и обтекания этих рельефов существенно отличаются от аналогичных закономерностей для гладких поверхностей, обтекаемых турбулентными потоками, или поверхностей, порождающих в этих потоках за счет шероховатости дополнительную турбулентность (см., например, А.с. 1538190 СССР, RU 2001370, RU 2002128,; RU 2020304, RU 2040127, RU 2044248, RU 205988, SG47069, SG 48062, EP0839309, EP 92911873, EP 96927047, US. 6,006,823, US 6,119,987, W003004868, WO 2004048871, WO 2004083651, PCT/RU 2005/000096, WO 03827, DE 10347022, EP 1565659, EP 1604122, EP 1671038 EP 1725449, PCT/RU 2006/000465, WO 2007036349).

Однако, перечисленные Патенты и другие источники научно-технической информации не содержат предложений по поводу использования рельефов TLJT для изготовления и применения в теплообменных устройствах витых труб с трехмерными вогнутыми рельефами, придающими витым трубам новые свойства, повышающие их эффективность. В первую очередь, повышение эффективности связано с интенсификацией теплообмена между потоком теплоносителя и витой трубой с рельефами TLJT по сравнению с витой трубой, имеющей гладкую поверхность, при неизменном по сравнению с гладкой поверхностью трубы или отстающем от меры достигнутой интенсификации на витой трубе с лунками гидравлическом сопротивлении и уменьшением отложений на обтекаемую поверхность витой трубы с рельефами TLJT.

Известно теплообменное устройство, содержащее корпус и установленные в нем трубные доски, по меньшей мере, с одной витой трубой или пучком труб (см., например, RU 2152574 С1, 10.07.2000).

Недостатками известного устройства являются невысокая теплоотдача при возрастающем гидравлическом сопротивлении и отложения на обтекаемых поверхностях.

Техническим результатом предложенного устройства является повышение теплоотдачи, снижение гидравлических потерь и уменьшение отложений за

счет нанесения на обтекаемые поверхности витой трубы трехмерных рельефов (лунок) двойной кривизны.

Технический результат достигается тем, что теплообменное устройство содержит корпус и установленные в нем трубные доски с одной витой трубой или пучком витых труб, имеющих внешний диаметр D трубы, у которых расстояние между соседними витками, относительный шаг закрутки, -S, находится в интервале:

8S/D20,

при этом на всей или части поверхности одиночной витой трубы или витой трубы в пучке труб выполнены углубления двойной кривизны, причем радиусы кривизны выпуклой и вогнутой частей углублений находятся в диапазоне:

10 ^-3R₍₊₎/R_(-)1,

отношение глубины каждого углубления h к его диаметру d находится в интервале

0,025h/d0,5,

отношение диаметра окружности D, описанной около витой трубы, к диаметру d углубления находится в интервале

5D/d500,

а отношение расстояния между центрами углублений L к диаметру углублений d находится в интервале

1L/d3

На внутренней поверхности корпуса и на поверхностях трубных досок выполнены углубления.

Углубления на обтекаемых поверхностях расположены в шахматном порядке.

Углубления расположены на обтекаемых поверхностях в коридорном порядке

Отношение диаметра d углублений, нанесенных на внутреннюю поверхность корпуса, к диаметру D_к корпуса находится в диапазоне

0,01d/D_к0,1.

Отношение диаметра d. углублений, нанесенных на внутреннюю поверхность трубных досок, к диаметру корпуса D _к, находится в диапазоне

0,001d/D_к0,05.

Устройство снабжено приемником отложений, размещенным за пределами корпуса.

На фиг.1 показан общий вид теплообменника с пучком витых труб.

На фиг.2 показан пучок витых труб с углублениями.

На фиг.3 представлено углубление в увеличенном масштабе.

Устройство содержит корпус 1 и установленные в нем трубные доски 2 с пучком труб 3. На обтекаемых поверхностях выполнены углубления 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Направляют среду в межтрубное пространство, образованное витыми трубами 3, на поверхности которых нанесены углубления 4 описанной выше конфигурации, порождающей самоорганизацию смерчеобразных закрученных струй, встроенных в обтекающий поток. Посторонние частицы, либо присутствующие в среде в виде примесей, либо возникающие в ней в процессе массо и/или теплообмена, всасываются смерчеобразными струями при осаждении частиц на формованные поверхности, и выносятся этими струями за пределы межтрубного пространства. Далее эти частицы попадают в специальный приемник (на чертеже не показан), осаждаются в нем и периодически, при очистке удаляются из теплообменника.

Углубления 4 имеют обтекаемую поверхность второго порядка в виде сопряженных участков с противоположными знаками кривизны, в которых, под действием сил инерции, инициированных формой рельефа углубления 4, формируется вторичное течение и происходит его эволюция. Обтекание углублений 4 двойной кривизны приводит к возникновению и самоорганизации вторичных смерчеобразных струй вследствие взаимодействия между основным потоком вязкой сплошной среды и той же средой в углублении. Основной поток увлекает среду в углубление за счет сил вязкости. Увлеченная масса среды натекает на нижние по потоку скаты углубления, упруго от них отражается, в результате чего внутри углубления, вблизи его криволинейного дна, возникает возвратное движение. Возвратное течение среды в углублении достигает его верхних по потоку скатов, где препятствия для контакта с натекающим течением уже нет. В этой зоне возвратное течение, имея скорость, из-за упругого отражения от нижних по потоку скатов, практически, равную скорости натекающего потока, подхватывается им и замыкает циркуляцию среды в углублении. Прямой и возвратный потоки порождают трехмерный пограничный слой, состоящий из вихрей типа вихрей Гертлера. Именно посредством этих вихрей, образующих мелкодисперсный трехмерный пограничный слой, осуществляется взаимодействие вторичных вихрей в углублении с его криволинейной поверхностью. Вторичные смерчеобразные вихри отсасывают с криволинейной поверхности углубления гертлеровских вихри из части пограничного слоя и переносят эту массу в

основной поток, существенно интенсифицируя тепломассообмен. В ядре течения, обтекающего витые трубы и/или их пучки, наряду с продольной составляющей вектора скорости, формируется поперечная составляющая скорости, что увеличивает интенсивность перемешивания теплоносителя между соседними ячейками пучка труб и в пучке витых труб, в целом.

Вторичные смерчеобразные струи, возникающие при обтекании витой трубы 3. формованной рельефами TLJT, уменьшают отложения на поверхности.

Опыты при исследовании и использовании рельефов TLJT на энергообменных поверхностях указывают, что эффект интенсификации теплоотдачи, отставания гидравлических потерь от меры интенсификации и уменьшения отложений на поверхности труб 3 с углублениями 4 достигается только в интервале указанных соотношений.

Для проверки измеряют расход, давление, температуру среды и стенки, потери давления на преодоление сопротивления рабочего участка, определяют число Рейнольдса, коэффициенты теплоотдачи и гидравлического сопротивления, контролируют состояние облуненной поверхности путем фотографирования, изготовления шлифов, введения в поток частиц - трассеров с последующим сравнением гладкой и облуненной поверхностей, испытанных в равных условиях.

1. Теплообменное устройство, характеризующееся тем, что содержит корпус и установленные в нем трубные доски с одной витой трубой или пучком витых труб, имеющих внешний диаметр D трубы, у которых расстояние между соседними витками, относительный шаг закрутки, -S, находится в интервале:

8S/D20,

при этом на всей или части поверхности одиночной витой трубы или витой трубы в пучке труб выполнены углубления двойной кривизны, причем радиусы кривизны выпуклой и вогнутой частей углублений находятся в диапазоне:

10 ^-3R₍₊₎/R_(-)1,

отношение глубины каждого углубления h к его диаметру d находится в интервале

0,025h/d0,5,

отношение диаметра окружности D, описанной около витой трубы, к диаметру d углубления находится в интервале

5D/d500,

а отношение расстояния между центрами углублений L к диаметру углублений d находится в интервале

1L/d3.

2. Устройство по п.1, в котором на внутренней поверхности корпуса и на поверхностях трубных досок выполнены углубления.

3. Устройство по п.2, в котором углубления на обтекаемых поверхностях расположены в шахматном порядке.

4. Устройство по п.2, в котором углубления расположены на обтекаемых поверхностях в коридорном порядке.

5. Устройство по 2, в котором отношение диаметра d углублений, нанесенных на внутреннюю поверхность корпуса, к диаметру D_к корпуса находится в диапазоне

0,01d/D_к0,1.

6. Устройство по п.2, в котором отношение диаметра d углублений, нанесенных на внутреннюю поверхность трубных досок, к диаметру корпуса D_к находится в диапазоне

0,001d/D_к0,05.

7. Устройство по п.1, снабжено приемником отложений, размещенным за пределами корпуса.