теплообменная труба с размещенной внутри вставкой
Классы МПК: | F28F1/40 расположенными только внутри трубчатого элемента F28F13/12 турбулизацией движения, например посредством перемешивания, усиления циркуляции |
Автор(ы): | Ерченко Г.Н., Богов И.А., Ерченко Н.Г. |
Патентообладатель(и): | Ерченко Герман Николаевич, Богов Игорь Александрович, Ерченко Николай Германович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-12-25 публикация патента:
20.01.1995 |
Использование: в теплообменных аппаратах и конденсаторах паровых турбин. Сущность изобретения: в теплообменной трубе размещена внутри вставка 2, выполненная в форме соосных усеченных конусов с одинаковой толщиной стенки в каждом сечении, установленных с зазором относительно стенки трубы 1. К торцу большего основания 4 примыкает кольцо 5 соответствующего диаметра, а в зазоре межу кольцом 5 и внутренней стенкой трубы 1 в контакте с последней симметрично размещены распорные элементы 6. К торцу меньшего основания 7 каждого конуса 3 примыкает кольцо 8 с диаметром, равным диаметру этого основания с заостренными свободными кромками 9. Стенки конуса 3 выполнены с равномерно расположенными щелевыми вырезами 10. По оси трубы расположен стержень 11, жестко прикрепленный к внутренним стенкам колец 8, а распорные элементы 6 выполнены в виде выступов на наружной поверхности кольца 5 большего диаметра. 23 з.п. ф-лы, 17 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17
Формула изобретения
1. ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА С РАЗМЕЩЕННОЙ ВНУТРИ ВСТАВКОЙ, выполненной в форме соосных пустотелых усеченных конусов с одинаковой толщиной стенки в каждом сечении, установленных с зазором относительно стенки трубы, причем к торцу большего основания примыкает кольцо соответствующего диаметра, а в зазоре между кольцом и внутренней стенкой трубы в контакте с последней симметрично размещены распорные элементы, отличающаяся тем, что к торцу меньшего основания каждого конуса примыкает кольцо диаметром, равным диаметру этого основания, с заостренными свободными кромками, стенки конуса выполнены с равномерно расположенными щелевыми вырезами, причем по оси трубы расположен стержень, жестко прикрепленный к внутренним стенкам колец, примыкающих к меньшему основанию, а распорные элементы выполнены в виде выступов на наружной поверхности кольца большего диаметра. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что вырезы примыкают к кольцу большего диаметра и выполнены на части длины стенки конуса. 3. Труба по п.1, отличающаяся тем, что вырезы выполнены по всей длине стенки конуса. 4. Труба по п.1, отличающаяся тем, что распорные элементы имеют плоские боковые поверхности, параллельные оси трубы. 5. Труба по п.1, отличающаяся тем, что распорные элементы имеют плоские боковые поверхности, расположенные под углом к оси трубы. 6. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что стенки конуса имеют отогнутые наружу участки, расположенные по обе стороны щелевого выреза, и имеющие длину, равную длине выреза. 7. Труба по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что стенки конуса со стороны кольца меньшего диаметра имеют отогнутые наружу участки, расположенные по обе стороны щелевого выреза и имеющие длину, меньшую длины упомянутого выреза. 8. Труба по п.1, отличающаяся тем, что вырезы выполнены шириной, постоянной по длине стенки конуса. 9. Труба по п.1, отличающаяся тем, что вырезы выполнены шириной, возрастающей в направлении большего основания конуса. 10. Труба по п.1, отличающаяся тем, что ширина вырезов смежных конусов увеличивается в направлении движения теплоносителя. 11. Труба по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между смежными элементами вставки, образованными конусом и кольцами, постоянно по длине трубы. 12. Труба по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между смежными элементами вставки уменьшается в направлении движения теплоносителя. 13. Труба по п.1, отличающаяся тем, что радиус меньшего основания конуса и радиус примыкающего к нему кольца уменьшаются от элемента к элементу в направлении движения теплоносителя. 14. Труба по п.1, отличающаяся тем, что радиус меньшего основания конуса и радиус примыкающего к нему кольца у всех элементов имеют одинаковую величину. 15. Труба по п.1, отличающаяся тем, что радиус большего основания конуса и радиус примыкающего к нему кольца увеличиваются от элемента к элементу в направлении движения теплоносителя. 16. Труба по п.1, отличающаяся тем, что длина элементов уменьшается в направлении движения теплоносителя. 17. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что все элементы вставки имеют равную длину. 18. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что стержень имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, большая сторона которого равна внутреннему диаметру кольца, примыкающего к меньшему основанию конуса. 19. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что стержень имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, большая сторона которого меньше внутреннего диаметра кольца, примыкающего к меньшему основанию конуса, а на боковых поверхностях стержня выполнены выступы, контактирующие с внутренней поверхностью кольца. 20. Труба по п.1, отличающаяся тем, что стержень имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, причем величина его большей стороны ступенчато уменьшается по длине трубы в направлении движения теплоносителя. 21. Труба по п.1, отличающаяся тем, что стержень имеет в поперечном сечении форму круга, диаметр которого равен внутреннему диаметру кольца, примыкающего к меньшему основанию конуса. 22. Труба по п.1, отличающаяся тем, что стержень снабжен выступами обтекаемой формы, расположенными в зоне колец, примыкающих к меньшему основанию конуса, и установленными в контакте с внутренней поверхностью упомянутых колец. 23. Труба по п.1, отличающаяся тем, что каждый последующий в направлении движения теплоносителя элемент вставки, образованный конусом и кольцами, расположен идентично предыдущему элементу. 24. Труба по п.1, отличающаяся тем, что каждый последующий в направлении движения теплоносителя элемент вставки, образованный конусом и кольцами, размещен с угловым смещением относительно предыдущего элемента.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к кожухотрубным теплообменникам и может быть использовано в теплообменных аппаратах и конденсаторах паровых турбин. Известна теплообменная труба (1), содержащая конфузорно-диффузионные участки, при этом в наименьшем сечении эти участки имеют форму правильных многоугольников и многоугольник каждого последующего участка повернут относительно предыдущего. При протекании рабочей среды по трубе происходит ее последовательное расширение и сжатие на конфузорно- диффузорном участке (КДУ). При этом среда турбулизируется. Поворот КДУ и соответственно участков перехода один относительно другого обеспечивает дополнительную турбулентность пристенного слоя потока рабочей среды. Наружный поток рабочей среды турбулизируется за счет переходных участков больше, чем при омывании круглой газовой трубы. Недостатком такой теплообменной трубы является невозможность использования наружного оребрения для интенсификации теплообмена, а также технологическая трудоемкость ее изготовления. Известна также теплообменная труба (2), состоящая из чередующихся по длине трубы участков, имеющих овальное входное и выходное сечения с взаимно перпендикулярными большими осями овалов. Образующая трубы на каждом участке выполнена в виде плавной линии, соединяющей входное и выходное сечения участка. При этом в промежуточных сечениях образуются овалы с соотношениями осей, отличающимися от соотношений входного и выходного сечений. Большие оси валов расположены под углом 45о к оси трубы. По длине трубы образуются диффузорные и конфузорные участки. В процессе работы трубы среда, проходящая внутри нее, закручивает благодаря перетеканию из одного сечения в другое, перпендикулярное. Участки увеличенных скоростей во входном и выходном овальных сечениях чередуются с участками пониженных скоростей в областях между ними. Это приводит к интенсивному смешиванию слоев жидкости за счет возникновения кавитационного режима течения в сопловых сечениях. Около стенок трубы скорость прохождения особенно увеличивается, что разрушает неподвижный слой жидкости на стенках и интенсифицирует теплообмен. Снаружи трубу омывает пар за счет протекания внутри трубы охлаждающей среды конденсируется на ее поверхности. Недостатком такой теплообменной трубы также является невозможность использования наружного оребрения для интенсификации теплообмена, а также технологическая трудоемкость ее изготовления. Известна теплообменная труба (3), внутри которой размещена турбулизирующая вставка, выполненная в виде гофрированной ленты, линии перегибов которой расположены под углом друг к другу и к стенке трубы с образованием на торцах ленты точек пересечения и размещены в одной плоскости, смещенной относительно централь- ной оси трубы. Дополнительные линии гибов перпендикулярны торцам ленты, проходят через указанные точки пересечения и расположены в различных плоскостях с образованием в продольном сечении трубы конфузорно-диффузорного канала. Такое выполнение способствует возникновению неоднородного поля давления по длине трубы и позволяет перетекать теплоносителю из одной зоны течения в другую, что приводит к дополнительной турбулизации потока в плоскости поперечного сечения трубы. Так как данная труба круглая гладкая, то поэтому она может быть выполнена снаружи и оребренной с целью интенсификации теплообмена при конденсации пара на ее наружной поверхности. Недостатком ее является низкий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны, так как приведенная конструкция турбулизирующей вставки не обеспечивает надлежащую закрутку потока, а следовательно, его турбулизацию, кроме того, она не позволяет получить длину конфузорного участка больше длины диффузорного участка, что также ухудшает турбулизацию потока, а следовательно, не позволяет получать высокие коэффициенты теплоотдачи с внутренней стороны трубы, а также технологичность конструкции такой теплообменной трубы. Известна также теплообменная труба с размещенной внутри нее турбулизирующей вставкой (4), состоящей из примыкающих друг к другу усеченных конусов таким образом, что между внутренней поверхностью теплообменной трубы и вставкой образуется кольцевой канал типа диффузор-конфузор. Благодаря наличию участков увеличенных скоростей и пониженных скоростей, чередующихся друг с другом, происходит интенсивное смешивание слоев жидкости за счет возникновения кавитационного режима течения в сопловых сечениях. Около стенок трубы скорость прохождения особенно увеличивается, что разрушает неподвижный слой жидкости на стенках и интенсифицирует теплообмен. Снаружи трубу омывает пар или жидкость и соответственно, за счет протекания внутри трубы охлаждающей среды пар конденсируется на ее поверхности, а жидкость охлаждается. Недостатками такой теплообменной трубы является низкий коэффициент теплоотдачи из-за чрезмерного загромождения турбулизирующей вставкой каждого проходного сечения трубы, большая масса, сложность ее изготовления, а также крепления последней внутри трубы, повышенное гидравлическое сопротивление. Конструктивно наиболее близкой к предлагаемой теплообменной трубе с размещенной внутри вставкой является теплообменная труба вихревого кожухотрубного теплообменника (5), содержащая поярусно размещенные в ней завихрители, при этом внутри трубы дополнительно установлены конические обечайки с отверстиями на боковых поверхностях и размещены по оси обечайки Т-образные трубки, сообщенные с отверстиями в обечайке, причем, завихрители укреплены на Т-образных трубках внутри обечаек. В такой теплообменной трубе основной поток газа, поступающий снизу, встpечая на своем пути лопасти завихрителя, разбивается на отдельные струйки, приобретая вращательно-поступательное направление движения, а снисходящая пленка жидкости по внутренней поверхности трубы попадает в кольцевой зазор между стенкой трубы и обечайкой, где устанавливается подвижный гидрозатвор, а через отверстия в обечайке и по Т-образным трубкам жидкость из гидрозатвора поступает на вход потока газа в завихритель, подхватывается им, дробится, образуя двухфазную среду с увеличенной поверхностью теплообмена, благодаря чему происходит интенсификация последнего. Недостатками рассмотренной теплообменной трубы являются невозможность установки ее в горизонтальном положении и необходимость внутри трубы иметь две среды: газ, движущийся в одном направлении и жидкость, движущуюся в противоположном направлении по стенке трубы. При однофазной среде она работает неэффек- тивно и при этом резко возрастают гидравлические потери. Цель изобретения - интенсификация теплообмена. Указанная цель достигается тем, что в известной теплообменной трубе с размещенной внутри вставкой, выполненной в форме соосных пустотелых усеченных конусов с одинаковой толщиной стенки в каждом сечении, установленных с зазором относительно стенки трубы, причем, к торцу большего основания примыкает кольцо соответствующего диаметра, а в зазоре между кольцом и внутренней стенкой трубы в контакте с последней симметрично размещены распорные элементы, к торцу меньшего основания каждого конуса примыкает кольцо с диаметром, равным диаметру этого основания с заостренными свободными кромками, стенки конуса выполнены с равномерно расположенными щелевыми вырезами, причем, по оси трубы расположен стержень, жестко прикрепленный к внутренним стенкам колец, примыкающих к меньшему основанию, а распорные элементы выполнены в виде выступов на наружной поверхности кольца большего диаметра. Анализ известных технических решений - аналогов и прототипа - в исследуемой области, т.е. элементов теплообменных аппаратов, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками, описывающими заявляемую теплообменную трубу с размещенной внутри вставкой, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия". В частности, неизвестны теплообменные трубы с размещенной внутри вставкой, в которых к торцу меньшего основания каждого конуса примыкает кольцо с диаметром, равным диаметру этого основания с заостренными свободными кромками, стенки конуса выполнены с равномерно расположенными щелевыми вырезами, причем, по оси трубы расположен стержень, жестко прикрепленный к внутренним стенкам колец, примыкающих к меньшему основанию, а распорные элементы выполнены в виде выступов на наружной поверхности кольца большего диаметра. На фиг. 1 представлена теплообменная труба; на фиг. 2-6 - конус с кольцами; на фиг. 7-11 - теплообменная труба; на фиг. 12-14 - стержень; на фиг. 15 и 16 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 17 - стержень с конусами. В теплообменной трубе 1 с размещенной внутри вставкой 2 (см. фиг. 1), выполненной в форме соосных пустотелых усеченных конусов 3 с одинаковой толщиной стенки в каждом сечении, установленных с зазором а относительно стенки трубы 1, причем, к торцу большего основания 4 примыкает кольцо 5 соответствующего диаметра d1, а в зазоре а между кольцом 5 и внутренней стенкой трубы 1 в контакте с последней симметрично размещены распорные элементы 6, к торцу меньшего основания 7 каждого конуса 3 примыкает кольцо 8 с диаметром d2, равным диаметру d2 этого основания с заостренными свободными кромками 9, стенки конуса 3 выполнены с равномерно расположенными щелевыми вырезами 10, причем по оси трубы расположен стержень 11, жестко прикрепленный к внутренним стенкам колец 8, примыкающих к меньшему основанию 7, а распорные элементы 6 выполнены в виде выступов на наружной поверхности кольца 5 большего диаметра d1. При этом вырезы 10 могут примыкать к кольцу 5 большего диаметра d1 и могут быть выполнены на части длины стенки конуса 3 (см. фиг. 2), вырезы 10 могут быть выполнены по всей длине стенки конуса 3 (см. фиг. 3), распорные элементы 6 могут иметь плоские боковые поверхности, параллельные оси трубы 1 (см. фиг. 2), распорные элементы 6 могут иметь плоские боковые поверхности 12, расположенные под острым углом![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027034/981.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027034/981.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![теплообменная труба с размещенной внутри вставкой, патент № 2027137](/images/patents/446/2027069/936.gif)
Класс F28F1/40 расположенными только внутри трубчатого элемента
Класс F28F13/12 турбулизацией движения, например посредством перемешивания, усиления циркуляции