RU2039922C1 - Tubular heat exchanger - Google Patents

Abstract

FIELD: heat power engineering. SUBSTANCE: diaphragm-type local resistances are mounted inside tubes; dimensions of these resistances and distances between them are determined by formulae taking into account characteristics of flow. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в частности в нефтеперерабатывающей промышленности. The invention relates to heat engineering and can be used in various sectors of the economy, in particular in the oil refining industry.

Известны трубчатые теплообменные аппараты (теплообменники, холодильники, кипятильники, печи и т.п.), внутренняя и наружная поверхности труб которых гладкая [1]
Известны трубчатые теплообменные аппараты (печи, аппараты воздушного охлаждения и др.), наружная поверхность труб которых оребрена или ошипована [2]
Недостатком указанных трубчатых теплообменных аппаратов является невысокая интенсивность теплообмена ввиду низкой степени турбулентности потока, проходящего внутри труб.Known tubular heat exchangers (heat exchangers, refrigerators, boilers, furnaces, etc.), the inner and outer surfaces of the pipes of which are smooth [1]
Known tubular heat exchangers (furnaces, air coolers, etc.), the outer surface of the pipes of which are ribbed or studded [2]
The disadvantage of these tubular heat exchangers is the low heat transfer rate due to the low degree of turbulence of the flow passing inside the pipes.

Известны также конструкции теплообменных труб, которые с внутренней или с наружной стороны снабжены разнотипными диафрагмами и ребрами [3 и 4]
Недостатком таких конструкций является эмпирический подход к их форме и расстоянию между ними без учета свойств потока.Also known are the designs of heat transfer tubes, which are provided with diaphragms and ribs of different types on the inside or outside [3 and 4]
The disadvantage of such designs is an empirical approach to their shape and the distance between them without regard to flow properties.

Известна конструкция трубчатого теплообменного аппарата, в котором теплообменные трубы имеют участки переменного сечения, выполненные в виде соединенных большими основаниями усеченных конусов со следующими соотношениями размеров: 0,035 ≅

≅ 0,6 и 1,2d ≅ D≅ 3d, где D и d диаметры большего и меньшего оснований конуса соответственно, мм; h длина участка переменного сечения, мм [5]
Недостатком указанной конструкции является сложность изготовления теплообменных труб, содержащих участки переменного сечения.A known design of a tubular heat exchanger, in which heat transfer tubes have sections of variable cross-section, made in the form of truncated cones connected by large bases with the following size ratios: 0.035 ≅

≅ 0.6 and 1.2d ≅ D≅ 3d, where D and d are the diameters of the larger and smaller bases of the cone, respectively, mm; h the length of the section of variable cross-section, mm [5]
The disadvantage of this design is the complexity of manufacturing heat transfer tubes containing sections of variable cross-section.

Известна конструкция кольцевых турбулизаторов в трубчатом канале, выбранная в качестве прототипа, которые перемещают совместно с нагревателями с целью повышения точности исследований по способу определения характера распределения жидкости в двухфазном потоке теплоносителя [6]
Недостатком этой конструкции является эмпирический (экспериментальный) подбор размеров колец и расстояния между ними за счет поиска турбулентного режима теплоносителя в канале с помощью нагревателей. На практике, обычно, ставится обратная задача, а именно найти такие конфигурации местных сопротивлений и расстояния между ними в трубе (ах), которые обеспечивают объемную турбулизацию потока, приемлемые гидравлические сопротивления и высокие показатели в теплоотдаче.A known design of annular turbulators in a tubular channel, selected as a prototype, which are moved together with heaters in order to improve the accuracy of research on the method for determining the nature of the distribution of liquid in a two-phase flow of coolant [6]
The disadvantage of this design is the empirical (experimental) selection of the size of the rings and the distance between them due to the search for the turbulent mode of the coolant in the channel using heaters. In practice, usually, the inverse problem is posed, namely, to find such configurations of local resistances and the distances between them in the pipe (s) that provide volumetric turbulization of the flow, acceptable hydraulic resistances, and high rates in heat transfer.

Проведенный анализ показал, что при использовании известных устройство для интенсификации теплообмена в конкретных условиях нельзя гарантировать их высокие показатели, так как в опубликованной по ним литературе отсутствует взаимосвязь между механическими характеристиками турбулизаторов теплообменных труб и свойствами протекающего потока, а следовательно, не подтверждаются высокие показатели в теплоотдаче. The analysis showed that when using a known device for heat transfer enhancement under specific conditions, their high indices cannot be guaranteed, since the literature published on them does not have a correlation between the mechanical characteristics of the heat exchanger turbulators and the properties of the flowing stream, and therefore, high indices in heat transfer are not confirmed .

Целью изобретения является интенсификация теплоотдачи через стенки труб диаметром D путем повышения турбулизации потока, проходящего через трубы аппарата, и упрощение конструкции турбулизирующих устройств. The aim of the invention is the intensification of heat transfer through the walls of pipes with diameter D by increasing the turbulization of the flow passing through the pipes of the apparatus, and simplifying the design of turbulizing devices.

Цель достигается тем, что внутри труб трубчатого теплообменного аппарата устанавливают местные сопротивления диафрагменного типа на расстоянии друг от друга L и с внутренним диаметром d, которые определяются по зависимостям, учитывающим характеристики потока (по критерию Рейнольдса Ре). The goal is achieved by the fact that inside the pipes of the tubular heat exchanger, local diaphragm type resistances are installed at a distance from each other L and with an inner diameter d, which are determined by the dependencies that take into account the flow characteristics (according to the Reynolds criterion Re).

Так, для 0,05 ≅ (d/D) ≅ 0,2 Ре должен быть не менее 5 ˙10³, для 0,2 ≅ (d/D)≅ 0,59 1˙10⁴, для 0,59≅ (d/D)≅ 0,64 2 ˙ 10⁴, L<[11,416-12,660 (d/D)²+8,321 (d/D)⁴] ˙D.So, for 0.05 ≅ (d / D) ≅ 0.2 Pe should be at least 5 ˙ 10 ³ , for 0.2 ≅ (d / D) ≅ 0.59 1 ˙ 10 ⁴ , for 0.59 ≅ (d / D) ≅ 0.64 2 ˙ 10 ⁴ , L <[11,416-12,660 (d / D) ² +8,321 (d / D) ⁴ ] ˙D.

Местные сопротивления диафрагменного типа устанавливают по всей длине труб, за исключением мест их развальцовки в трубной решетке и на изгибах (поворотах), если они имеются, например в трубных пучках с U-образными трубками. Local diaphragm type resistances are installed along the entire length of the pipes, except for places where they are flared in the tube sheet and at bends (turns), if they are, for example, in tube bundles with U-shaped tubes.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый трубчатый теплообменный аппарат отличается тем, что внутри его труб установлены местные сопротивления диафрагменного типа, внутренний диаметр и расстояние между которыми выбраны с учетом характеристик протекающего потока (скорость потока W, вязкость потока ν ), входящих в критерий Рейнольдса

Pe

. При этом исходим из известного положения о том, что по указанному критерию определяется турбулентность теплового потока и, как следствие, интенсивность теплоотдачи (особенно в пристенной области). Расстояние между местными сопротивлениями должно быть меньше, чем расстояние, на котором поток теряет свою турбулентность, от предыдущего местного сопротивления. Таким образом, заявляемый трубчатый теплообменный аппарат соответствует критерию "Новизна".Comparative analysis with the prototype shows that the inventive tubular heat exchanger is distinguished by the fact that inside its pipes local resistance of the diaphragm type is established, the inner diameter and the distance between which are selected taking into account the characteristics of the flowing stream (flow rate W, flow viscosity ν) included in the Reynolds criterion

Pe

. In this case, we proceed from the well-known position that the turbulence of the heat flux and, as a consequence, the heat transfer intensity (especially in the near-wall region) are determined by the specified criterion. The distance between local resistances should be less than the distance at which the flow loses its turbulence from the previous local resistance. Thus, the claimed tubular heat exchanger meets the criterion of "Novelty."

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено схематичное изображение кожухотрубчатого теплообменного аппарата жесткой конструкции. На фиг. 1 представлен аппарат, общий вид; на фиг. 2 теплообменная труба. The invention is illustrated by the drawing, which shows a schematic illustration of a shell-and-tube heat exchanger of a rigid structure. In FIG. 1 shows the apparatus, a General view; in FIG. 2 heat transfer pipe.

Трубчатый теплообменный аппарат имеет корпус 1, патрубки 2, 3 для входа теплообменивающихся потоков и 4, 5 соответственно для их выхода, крышки 6, решетки 7 для крепления труб и трубный пучок 8 с местными сопротивлениями 9. The tubular heat exchanger has a housing 1, nozzles 2, 3 for the entrance of heat-exchanging flows and 4, 5, respectively, for their output, cover 6, lattice 7 for fastening pipes and a tube bundle 8 with local resistances 9.

Предлагаемый трубчатый теплообменный аппарат изготавливается из материалов, устойчивых к рабочей среде, и работает следующим образом. The proposed tubular heat exchanger is made of materials resistant to the working environment, and works as follows.

Один из двух потоков, между которыми должен произойти теплообмен, направляется через патрубок 3 в межтрубное пространство (заключенное между корпусом 1, решетками 7 и трубным пучком 8) теплообменного аппарата. Передав тепло или приняв его от другого потока (прокачиваемого через патрубок 2, трубный пучок 8 и патрубок 4), данный поток выводится через патрубок 5. При этом теплоотдача потока, протекающего по трубкам, увеличена местными сопротивлениями 9 диафрагменного типа, усиливающими турбулизацию потока как по оси трубы, так и ее пристенной области. One of the two flows, between which heat exchange must occur, is directed through the pipe 3 into the annulus (enclosed between the housing 1, the grilles 7 and the tube bundle 8) of the heat exchanger. Having transferred heat or having received it from another stream (pumped through pipe 2, tube bundle 8 and pipe 4), this stream is removed through pipe 5. At the same time, the heat transfer of the stream flowing through the tubes is increased by local diaphragm-type resistances 9 that enhance the turbulence of the stream as the axis of the pipe, and its wall region.

Экономический эффект, получаемый в результате использования предлагаемого трубчатого теплообменного аппарата, образуется за счет большего количества тепла, передаваемого 1 м² поверхности трубного пучка данного аппарата.The economic effect resulting from the use of the proposed tubular heat exchanger is formed due to the greater amount of heat transferred to 1 m ^{2 of the} surface of the tube bundle of this apparatus.

Claims (1)

ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий внутри каждой трубы местные сопротивления в виде кольцевых диафрагм, отличающийся тем, что внутренний диаметр диафрагм и расстояние между диафрагмами определяется из зависимостей:
0,05 ≅ (d/D) ≅ 0,64;
L < [11,416 12,660 (d/D)² + 8,321 (d/D)⁴]D,
где d внутренний диаметр кольцевой диафрагмы;
D внутренний диаметр трубы;
L расстояние между смежными диафрагмами.TUBULAR HEAT EXCHANGE DEVICE containing inside each pipe local resistance in the form of ring diaphragms, characterized in that the inner diameter of the diaphragms and the distance between the diaphragms is determined from the dependencies:
0.05 ≅ (d / D) ≅ 0.64;
L <[11.416 12.660 (d / D) ² + 8.321 (d / D) ⁴ ] D,
where d is the inner diameter of the annular diaphragm;
D the inner diameter of the pipe;
L distance between adjacent diaphragms.

Images