L международная выставка-презентация
научных, технических, учебно-методических и литературно-художественных изданий
Теплообменник
| Название | Теплообменник |
|---|---|
| Разработчик (Авторы) | Картошкин Александр Петрович, Евсеев Александр Сергеевич, Агапов Дмитрий Станиславович |
| Вид объекта патентного права | Изобретение |
| Регистрационный номер | 2799161 |
| Дата регистрации | 04.07.2023 |
| Правообладатель | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО СПбГАУ) |
| Область применения (класс МПК) | F28D 7/16 (2006.01) F28F 1/42 (2006.01) |
Описание изобретения
Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменным аппаратам, и может быть использовано в технологических процессах различных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйств. Теплообменник состоит из наружной и внутренней трубок, имеющих входной патрубок и выходной патрубок наружной трубки, а также входной патрубок и выходной патрубок внутренней трубки, и фланцы подсоединения дополнительных секций. При этом внутренняя трубка и наружная трубка имеют винтовые канавки с одинаковым шагом и глубиной канавки, причем винтовая канавка внутренней трубки противоположно направлена к винтовой канавке наружной трубки. Также к теплообменнику возможно подсоединить дополнительные секции. Технический результат заключается в интенсификации теплообмена за счёт повышения коэффициента теплоотдачи. 4 ил.
Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменным аппаратам и может быть использовано в технологических процессах различных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйств.
Известен винтовой теплообменник [RU 2415363, F28D 1/04, F28F 9/22]. Винтовой теплообменник содержит трубные доски, теплообменные трубки, съемные с двух сторон крышки, содержит пучки с шахматным расположением трубок для первого теплоносителя, расположенные диаметрально по кругу вокруг центральной трубы, подводящей этот теплоноситель и винтовую пластину, направляющую движение второго теплоносителя поперечно этим трубкам.
Недостатками являются сложность конструкции и необходимость учета перемещения трубных досок при работе теплообменника.
Известна труба теплообменника [RU 2200925, F28F 1/00], содержащая оребрение в виде проволочной пружины, навитой по спирали, причем оребрение расположено на наружной и внутренней поверхностях трубы, оребрение на внутренней поверхности трубы выполнено из спирали, расположенной на каркасе. Согласно изобретению оребрение на внутренней поверхности трубы выполнено в виде сдвоенной спирали, размещенной на каркасе, который представляет собой витую сдвоенную проволоку, диаметр проволоки оребрения выбран в пределах 0,3-1,0 мм, шаг пружины выбран в пределах 2-6 мм диаметров проволоки, а шаг спирали наружной навивки выбран от 1 до 2 диаметров пружины.
Недостатки данного решения следующие: сложность конструкции
из-за наличия дополнительного элемента в виде проволочной пружины; не обеспечивает равномерного съема тепла вдоль потока межтрубной среды
из-за снижения движущей силы между теплообменными средами; для защиты элементов теплообменника от перегрева требует расхода охлаждающей среды, что значительно повышает эксплуатационные затраты.
Наиболее близким по технической сущности и технической сущности является теплообменник труба в трубе [RU 2502931, F28F1/42].
Теплообменник типа «труба в трубе», во внутренней трубе и в межтрубном пространстве которого установлены винтовые вставки, отличающийся тем, что внутреннее пространство внутренней трубы и межтрубное пространство между внутренней и наружной трубами представляют из себя винтовые полости, образованные стенками труб и винтовыми вставками, установленными таким образом, что внутренняя винтовая вставка соединена, преимущественно с помощью сварки или пайки, с внутренней поверхностью внутренней трубы, винтовая вставка в межтрубном пространстве соединена таким же образом с наружной поверхностью внутренней трубы и с внутренней поверхностью наружной трубы, причем материалы внутренней трубы, винтовых вставок и мест стыков винтовых вставок со стенками внутренней трубы должны иметь минимальное термическое сопротивление, потоки сред (жидких или газообразных) во внутренней трубе и в межтрубном пространстве протекают по винтовым спиралям.
Недостатком предложенного аналога является сложность изготовления конструкции. В частности, внутренняя винтовая вставка соединена с внутренней поверхностью внутренней трубы с помощью сварки или пайки, винтовая вставка в межтрубном пространстве соединена с наружной поверхностью внутренней трубы и с внутренней поверхностью наружной трубы также с помощью сварки или пайки. Кроме того, недостатком таких теплообменников является незначительное повышение турбулентности с опережающим ростом гидравлического сопротивления. Большое контактное термическое сопротивление лишает турбулизирующую вставку существенной своей функции - передавать тепло от нее к стенке внутренней трубы за счет теплопроводности.
Повышение эффективности теплообмена позволяет сократить необходимую площадь теплообмена, уменьшить длину теплообменника, другие его габариты и массу. Но повышение скоростей сред в трубах требует увеличения мощности насосов, которые прокачивают эти жидкости. Если учесть, что повышение турбулентности пропорционально скорости среды, а требующиеся мощности насосов пропорциональны скорости движения потока, то очевидно, что повышение скоростей сред имеет определенный предел, после достижения которого дальнейшее повышение скоростей становится невыгодным.
Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация теплообмена за счёт повышения коэффициента теплоотдачи.
Поставленная задача решается за счёт того, что теплообменник с винтовыми трубками передает теплоту от теплоносителя, движущегося по внутренней винтовой трубке к теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве. Шаг и глубина винтовых канавок на наружной и внутренней трубках одинакова для равного их температурного расширения и устранения термических деформаций, а направление накатки винтовых канавок разное, для увеличения турбулентности движения жидкости в межтрубном пространстве и повышения коэффициента теплоотдачи.
Новые существенные признаки:
- шаг и глубина винтовых канавок на наружной и внутренней трубках одинакова для равномерного их температурного расширения и устранения термических деформаций;
- направление накатки винтовых канавок наружной и внутренней трубок разное для увеличения турбулентности движения жидкости в межтрубном пространстве.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат
Технический результат заключается в интенсификации теплообмена за счет увеличения турбулентности движения жидкости. В конструкции учитывается тепловое расширение.
Сущность изобретения поясняется на приведённых чертежах, где:
- на фиг.1. изображена наружная трубка теплообменника;
- на фиг.2. внутренняя трубка теплообменника;
- фиг.3. представлена секция, собранная из предлагаемых теплообменников;
- фиг. 4 экспериментальные данные изменения температурного напора по длине теплообменника при работе его на прямоточном режиме.
Теплообменник содержит наружную трубку 1 (фиг. 1) с винтовой канавкой по наружной поверхности, являющейся корпусом; внутреннюю трубку 2 (фиг. 2) с винтовой канавкой, противоположно направленной винтовой канавки наружной трубки 1; соединительные патрубки: выходной патрубок 4 наружной трубки 1, входной патрубок 6 внутренней трубки 2, выходной патрубок 8 внутренней трубки 2, входной патрубок 10 наружной трубки 1 с фланцами: фланец входного патрубка 3 наружной трубки 1, фланец выходного патрубка 5 наружной трубки 1, фланец входного патрубка 7 внутренней трубки 2, фланец выходного патрубка 9 внутренней трубки 2; входной патрубок 10 наружной трубки 1 с фланцем входного патрубка 3 наружной трубки 1; выходной патрубок 4 с фланцем выходного патрубка 5 наружной трубки 1; входной патрубок 6 внутренней трубки 2 с фланцем входного патрубка 7 внутренней трубки 2; выходной патрубок 8 внутренней трубки 2 с фланцем выходного патрубка 9 внутренней трубки 2; через фланец входного патрубка 7 и фланец выходного патрубка 9 внутренней трубки 2 имеется возможность подсоединения дополнительных секций через калач 11.
Теплообменник работает следующим образом.
Первый нагревающий теплоноситель II (фиг. 2) поступает во входной патрубок 10 наружной трубки 1 и проходит в межтрубное пространство секции синяя стрелка, движется вдоль винтовой наружной трубки 1 и винтовой внутренней трубки 2 и приобретает турбулентное движение за счёт особенностей навивки винтовых канавок, что повышает число Рейнольдса и как следствие, улучшает коэффициент теплоотдачи и теплообмен в целом, затем выходит через выходной патрубок 4 наружной трубки 1 с другой температурой. Второй нагреваемый теплоноситель I (фиг. 2) через входной патрубок 6 поступает в полость внутренней трубки 2, движется вдоль теплообменной поверхности по спирали красная стрелка, обусловленной профилем винтовой канавки, выходит через выходной патрубок 8 внутренней трубки 2 с другой температурой. Причём, первый теплоноситель может быть нагреваемым, а второй теплоноситель может быть нагревающим. При необходимости к теплообменнику можно подсоединить через калач 11 ещё один или несколько теплообменников, образовав многосекционный теплообменник (фиг. 3).
Компенсация теплового расширения наружной 1 и внутренней 2 трубок достигается одинаковым шагом и глубиной навивки винтовых канавок. Увеличение коэффициента теплоотдачи и как следствие снижение металлоемкости обеспечивается за счет уменьшения необходимой поверхности теплообмена.
На фиг. 4 представлены экспериментальные данные изменения текущего температурного напора в случае работы теплообменника на прямоточном режиме. Исследования работы теплообменников показали, что винтовая канавка на трубках кожухотрубного теплообменника не только увеличивает площадь теплообменной поверхности примерно на 40%, но и коэффициент теплопередачи на 30-35%. Это происходит за счёт турбулизации потока и увеличения числа Рейнольдса, что в свою очередь повышает коэффициенты теплоотдачи и как следствие приводит к повышению эффективности всего теплообменника в целом.
Таким образом, создание винтовой канавки на трубках кожухотрубного теплообменника является простым и эффективным средством повышения эффективности работы теплообменных аппаратов.
Изобретение позволяет за счёт уменьшения необходимой поверхности теплообмена увеличить коэффициент теплоотдачи и как следствие снизить металлоемкости теплообменника.
Формула изобретения
Теплообменник, состоящий из наружной и внутренней трубок, имеющих входной и выходной патрубок наружной трубки, а также входной и выходной патрубок внутренней трубки, фланцы подсоединения дополнительных секций, отличающийся тем, что внутренняя и наружная трубка имеют винтовые канавки с одинаковым шагом и глубиной канавки, причем винтовая канавка внутренней трубки противоположно направлена к винтовой канавке наружной трубки, при этом имеется возможность с помощью калача подсоединить несколько секций к теплообменнику.
Медаль Альфреда Нобеля