RU2088872C1

RU2088872C1 - Heat-exchange element

Info

Publication number: RU2088872C1
Application number: RU94045589A
Authority: RU
Inventors: Владимир Ильич Гомон; Генрих Александрович Дрейцер; Сергей Юрьевич Пантелеев
Original assignee: Владимир Ильич Гомон; Генрих Александрович Дрейцер; Сергей Юрьевич Пантелеев
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 1997-08-27
Also published as: RU94045589A

Abstract

FIELD: heat-exchange apparatus in power engineering, chemical engineering, construction, cryogenic engineering and other industries. SUBSTANCE: heat-exchange element includes pipe enclosed in envelope which has zones of surface contact with pipe. Number of zones per unit length of pipe may vary lengthwise. Pipe of heat-exchange element is provided with circular, spiral or other turbolators projecting inside pipe. EFFECT: enhanced efficiency. 9 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в теплообменной аппаратуре, применяемой в энергетике, химии, строительстве, криогенной технике и других отраслях народного хозяйства. The invention relates to heat exchange devices and can be used in heat exchange equipment used in energy, chemistry, construction, cryogenic engineering and other sectors of the economy.

Известен теплообменный элемент, содержащий трубу, заключенную в оболочку, образующую с трубой плавниковые ребра и имеющую с ней зоны контакта в центральной части, причем в зонах контакта трубы с оболочкой вдоль них выполнены непрерывные деформированные участки, ширина которых меньше ширины зон контакта (авт.св. СССР 1291816, кл. F 28 F 1/14). A heat exchange element is known that contains a pipe enclosed in a shell that forms fin ribs with the pipe and has contact zones with it in the central part, and in the contact zones of the pipe with the shell continuous deformed sections are made along them, the width of which is less than the width of the contact zones (auto USSR 1291816, class F 28 F 1/14).

Такой элемент в условиях, когда греющая среда (например, продукты сгорания котла) движется внутри трубы, а нагреваемая (например, вода) омывает оболочку элемента, не эффективен, так как увеличение поверхности имеет место со стороны теплоносителя, имеющего больший коэффициент теплоотдачи, и температура стенки трубы такого элемента будет ниже по сравнению даже с обычной гладкой трубой. Such an element under conditions when the heating medium (for example, boiler combustion products) moves inside the pipe, and the heated (for example, water) washes the element’s shell, is not effective, since an increase in the surface takes place from the side of the coolant having a higher heat transfer coefficient, and the temperature the pipe wall of such an element will be lower compared to even a regular smooth pipe.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является теплообменный элемент, состоящий из трубы, заключенной в оболочку, с наличием зон контакта между оболочкой и трубой и воздушными прослойками между этими зонами, причем количество зон контакта, приходящихся на единицу длины элемента, может быть переменным (теплообменный элемент, разработанный фирмой WISSMAN, двуслойная труба типа Duplex, см. проспект фирмы WISSMAN- Paromat-Duplex-TR). The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is a heat-exchange element consisting of a pipe enclosed in a shell with contact zones between the shell and the pipe and air gaps between these zones, and the number of contact zones per unit length of the element can be variable (heat-exchange element developed by WISSMAN, a two-layer pipe of the Duplex type, see the brochure of the WISSMAN-Paromat-Duplex-TR company).

Однако применение такой конструкции лишь частично увеличивает температуру стенки трубы, снижая теплотехническую эффективность всего элемента. Поток продуктов сгорания, идущий внутри трубы, передает тепло нагреваемому теплоносителю, омывающему оболочку, через зоны контакта, на остальной же поверхности теплопередача осуществляется через воздушные прослойки с очень малым значением коэффициента теплопроводности. В то же время коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке гладкой трубы существенно меньше коэффициента теплоотдачи со стороны оболочки, обычно омываемой водой, в связи с чем общий коэффициент теплопередачи такого элемента существенно снижается по сравнению с обычной трубой. Причем, чем больше необходимо повысить температуру стенки трубы, тем меньше должно быть зон контакта между трубой и оболочкой, т.е. тем больше должно быть зон с теплопередачей через воздушные прослойки и, следовательно, тем ниже окажется теплопередающая эффективность теплообменного элемента. However, the use of such a design only partially increases the temperature of the pipe wall, reducing the thermal performance of the entire element. The flow of combustion products going inside the pipe transfers heat to the heated heat carrier washing the shell through the contact zones; on the rest of the surface, heat transfer is carried out through air gaps with a very small value of the thermal conductivity coefficient. At the same time, the heat transfer coefficient from the combustion products to the wall of a smooth pipe is significantly lower than the heat transfer coefficient from the side of the shell, usually washed with water, and therefore the overall heat transfer coefficient of such an element is significantly reduced compared to a conventional pipe. Moreover, the more it is necessary to increase the temperature of the pipe wall, the less there should be contact zones between the pipe and the shell, i.e. the more there should be zones with heat transfer through the air spaces and, therefore, the lower will be the heat transfer efficiency of the heat exchange element.

В основу изобретения поставлена задача эффективности и надежности теплообменного элемента за счет интенсификации теплообмена внутри трубы и увеличения температуры ее стенки для предотвращения конденсации вызывающих коррозию трубы паров различных веществ, содержащихся, например, в движущихся по трубе продуктах сгорания. The basis of the invention is the task of efficiency and reliability of the heat exchange element due to the intensification of heat transfer inside the pipe and increasing the temperature of its wall to prevent condensation of the vapor causing various pipe corrosion substances, for example, contained in the combustion products moving along the pipe.

В теплообменом элементе, содержащем трубу, заключенную в оболочку, имеющую с трубой зоны (поверхностного) контакта и воздушные прослойки между этими зонами, поставленная задача решается тем, что труба выполняется профильной с выступающими внутрь кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами. In the heat exchange element containing a pipe enclosed in a shell having a zone of (surface) contact with the pipe and air spaces between these zones, the problem is solved in that the pipe is formed by a profile with inwardly projecting ring, screw or other type of turbulators.

Турбулизаторы, интенсифицируя теплообмен внутри трубы, повышают коэффициент теплоотдачи от теплоносителя внутри трубы к стенке трубы и тем самым приближают температуру стенки трубы к температуре теплоносителя, который в нашем случае является греющим, и, следовательно, температура стенки повышается. Кроме того, повышается коэффициент теплопередачи всего теплообменного элемента и, следовательно, эффективность его возрастает, а благодаря повышению температуры стенки, повышается и надежность. Turbulizers, by intensifying heat transfer inside the pipe, increase the heat transfer coefficient from the coolant inside the pipe to the pipe wall and thereby bring the pipe wall temperature closer to the temperature of the coolant, which in our case is heating, and, therefore, the wall temperature rises. In addition, the heat transfer coefficient of the entire heat-exchange element is increased and, consequently, its efficiency increases, and due to the increase in wall temperature, reliability also increases.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть выполнен таким образом, что хотя бы часть зон контакта оболочки и трубы и хотя бы часть турбулизаторов расположены в одном и том же поперечном сечении теплообменного элемента. The heat exchange element, consisting of a profile pipe with protruding inside the turbulators, enclosed in a shell so that between the pipe and the shell there are contact zones and air gaps between these zones, can be made in such a way that at least part of the contact zones of the shell and pipe and at least part of the turbulators are located in the same cross section of the heat exchange element.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен таким образом, что труба с выступающими внутрь турбулизаторами выполняется с соответствующими выступающим турбулизаторам впадинами канавками на наружной стороне, и эти впадины-канавки являются зонами поверхностного контакта трубы и оболочки, при этом общее количество зон контакта трубы и оболочки может отличаться от числа впадин-канавок. The heat exchange element, consisting of a profile pipe with protruding inside the turbulators, enclosed in a shell so that between the pipe and the shell there are contact zones and air gaps between these zones, can also be made so that the pipe with protruding inward turbulators is made with corresponding protruding turbulators grooves are grooves on the outside, and these grooves are the zones of surface contact of the pipe and shell, with the total number of contact zones of the pipe and shell m can differ from the number of cavities, grooves.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен таким образом, что лишь часть трубы теплообменного элемента покрыта оболочкой. A heat exchange element consisting of a profile pipe with turbulators protruding inside, enclosed in a shell so that there are contact zones between the pipe and the shell and air gaps between these zones, so that only part of the pipe of the heat exchange element is coated with the shell.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен из различных материалов для трубы и оболочки. The heat exchange element, consisting of a profile pipe with protruding inside the turbulators, enclosed in a shell so that between the pipe and the shell there are contact zones and air gaps between these zones, can also be made of various materials for the pipe and shell.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен с дополнительными турбулизаторами внутри трубы, например, в виде спирали. The heat exchange element, consisting of a profile pipe with protruding inside the turbulators, enclosed in a shell so that between the pipe and the shell there are contact zones and air gaps between these zones, can also be made with additional turbulators inside the pipe, for example, in the form of a spiral.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен с заполнением воздушных прослоек материалами различной теплопроводности. The heat exchange element, consisting of a profile pipe with protruding turbulators inside, enclosed in a shell so that there are contact zones and air spaces between these pipes between the pipe and the shell, can also be made with filling air gaps with materials of different thermal conductivity.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, может быть также выполнен таким образом, что оболочка, как и труба, выполняется в виде профильной трубы с кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами. The heat exchange element, consisting of a profile pipe with protruding inside the turbulators, enclosed in a shell so that between the pipe and the shell there are contact zones and air gaps between these zones, can also be made so that the shell, like the pipe, is made in the form of a profile pipes with ring, screw or other type of turbulators.

Теплообменный элемент, состоящий из профильной трубы с выступающими внутри турбулизаторами, заключенной в оболочку так, что между трубой и оболочкой имеются зоны контакта и воздушные прослойки между этими зонами, а оболочка, как и труба, может быть выполнена таким образом, что шаг и глубина турбулизаторов трубы выполняются переменными, причем местоположение турбулизаторов может как соответствовать, так и не соответствовать местоположению зон контакта. A heat exchange element consisting of a profile pipe with turbulators protruding inside, enclosed in a shell so that there are contact zones and air gaps between these zones between the pipe and the shell, and the shell, like the pipe, can be made in such a way that the step and depth of the turbulators the pipes are made by variables, and the location of the turbulators may or may not correspond to the location of the contact zones.

Не выявлено известных технических решений, которым отличительные признаки заявляемого объекта придавали бы свойства, идентичные свойствам, придаваемым заявляемому объекту. There are no known technical solutions to which the distinguishing features of the claimed object would impart properties identical to those attached to the claimed object.

На фиг.1а) и б) показаны продольные разрезы теплообменного элемента. На фиг. 2 показан продольный разрез теплообменного элемента, у которого часть зон контакта оболочки и трубы и часть турбулизаторов трубы расположены в одном и том же сечении. На фиг.3 продольный разрез теплообменного элемента, труба с турбулизаторами которого имеет наружные впадины-канавки, которые могут являться зонами контакта трубы и оболочки. На фиг.4 продольный разрез теплообменного элемента, у которого только часть трубы покрыта оболочкой. На фиг. 5 продольный разрез теплообменного элемента, у которого труба оснащена дополнительной турбулизирующей вставкой. На фиг.6 продольный разрез теплообменного элемента, в котором как труба, так и оболочка выполнены из профильных труб с турбулизаторами. On figa) and b) shows a longitudinal section of a heat exchange element. In FIG. 2 shows a longitudinal section of a heat exchange element, in which part of the contact zones of the shell and pipe and part of the pipe turbulators are located in the same section. Figure 3 is a longitudinal section through a heat exchange element, the pipe with turbulators of which has external troughs-grooves, which may be the contact zones of the pipe and the sheath. Figure 4 is a longitudinal section of a heat exchange element, in which only part of the pipe is coated. In FIG. 5 is a longitudinal section through a heat exchange element in which the pipe is equipped with an additional turbulizing insert. Figure 6 is a longitudinal section of a heat exchange element in which both the pipe and the sheath are made of profile pipes with turbulators.

Теплообменный элемент состоит из трубы 1 и оболочки 2. Между трубой 1 и оболочкой 2 имеются зоны контакта 3 и воздушные прослойки 4. Труба содержит выступающие внутрь турбулизаторы 5 и наружные впадины-канавки 6. Оболочка 2 может иметь выступающие внутрь турбулизаторы 7 и впадины-канавки 8. Труба может быть оснащена дополнительными турбулизаторами 9. The heat exchange element consists of a pipe 1 and a sheath 2. Between the pipe 1 and the sheath 2 there are contact zones 3 and air spaces 4. The pipe contains inwardly extending turbulators 5 and external grooves 6. The sheath 2 may have inwardly extending turbulators 7 and hollows-grooves 8. The pipe can be equipped with additional turbulators 9.

Теплообменный элемент работает следующим образом. Теплоноситель, например содержащие водяные пары продукты сгорания топлива, проходят внутри трубы 1 теплообменного элемента, отдавая ее стенкам часть тепла, охлаждаясь при этом. Отдаваемое продуктами сгорания тепло, благодаря теплопроводности, через зоны контакта 3, а также воздушные прослойки 4 передается оболочке 2, а через нее нагреваемому теплоносителю, например, воде. The heat exchange element operates as follows. A heat carrier, for example, fuel combustion products containing water vapor, passes inside the pipe 1 of the heat exchange element, giving part of the heat to its walls, while cooling. The heat given off by the combustion products, due to thermal conductivity, is transferred through the contact zones 3, as well as the air layers 4, to the shell 2, and through it to the heated heat carrier, for example, water.

Наличие турбулизаторов 5 внутри трубы существенно (до 3 раз) увеличивает коэффициент теплоотдачи от теплоносителя внутри трубы (в нашем примере - продуктов сгорания), вследствие чего повышается общий коэффициент теплопередачи, и, следовательно, общее количество переданного тепла. Кроме того, возрастает температура внутренней поверхности стенки трубы и, следовательно, предотвращается конденсация водяных, сернистых, и др. паров, содержащихся в теплоносителе, движущемся внутри трубы 1 (в нашем примере - продуктов сгорания). Отсутствие конденсации паров коррозионно действующих на материал трубы 1 веществ повышает ее надежность, а увеличение коэффициента теплопередачи эффективность. The presence of turbulizers 5 inside the pipe significantly (up to 3 times) increases the heat transfer coefficient from the coolant inside the pipe (in our example, combustion products), as a result of which the overall heat transfer coefficient increases, and, therefore, the total amount of heat transferred. In addition, the temperature of the inner surface of the pipe wall increases and, therefore, condensation of water, sulfur, and other vapors contained in the coolant moving inside the pipe 1 (in our example, combustion products) is prevented. The absence of condensation of vapors of substances that are corrosive to the pipe material 1 increases its reliability, and an increase in the heat transfer coefficient is effective.

Так как двухслойный элемент всегда уступает по теплотехническим показателям аналогичному однослойному элементу (например трубе), целесообразно его применять лишь в той зоне, где температура стенки канала (трубы), по которому движется содержащий пары различных веществ теплоноситель, приближается к значению температуры точки росы, т.е. конденсации этих веществ. Поэтому часто более эффективной (менее материалоемкой) окажется труба, у которой двухслойная конструкция будет иметь место лишь на каком-то (конечном) участке. Since the two-layer element is always inferior in terms of thermal performance to a similar single-layer element (for example, a pipe), it is advisable to use it only in the zone where the temperature of the channel wall (pipe), along which the coolant containing pairs of various substances moves, approaches the dew point temperature, t .e. condensation of these substances. Therefore, a pipe, in which a two-layer construction will take place only in some (final) section, will often be more effective (less material-intensive).

Дополнительная турбулизация внутри трубы с кольцевыми турбулизаторами с помощью завихрителей различных конструкций (например спиралей) 9 еще более увеличит коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы, а, следовательно, еще более повысит ее теплопередающую способность и температуру внутренней поверхности. Additional turbulization inside the pipe with ring turbulators using swirls of various designs (for example, spirals) 9 will further increase the heat transfer coefficient from the heat carrier to the pipe wall, and, therefore, will further increase its heat transfer ability and internal surface temperature.

Использование в качестве оболочки 2 трубы с кольцевыми турбулизаторами 7, а также различные комбинации конструкций и расположений зон контакта 3 трубы 1 и оболочки 2 теплообменного элемента, отраженные в дополнительных признаках изобретения, позволяют варьировать теплотехнические и эксплуатационные показатели теплообменного элемента применительно к различным условиям его использования. The use as a shell 2 of a pipe with annular turbulators 7, as well as various combinations of designs and locations of the contact zones 3 of the pipe 1 and the shell 2 of the heat exchange element, reflected in additional features of the invention, allow us to vary the heat engineering and operational characteristics of the heat exchange element in relation to different conditions of its use.

Изменение показателей теплообменного элемента может быть достигнуто также варьированием шага и высоты турбулизаторов 5 трубы 1, применением различных материалов для трубы и оболочки и заполнением прослойки 4 материалами различной теплопроводности. Changing the performance of the heat exchange element can also be achieved by varying the pitch and height of the turbulators 5 of the pipe 1, the use of various materials for the pipe and shell and filling the layer 4 with materials of different thermal conductivity.

Claims

1. Теплообменный элемент, содержащий трубу, заключенную в оболочку, имеющую с трубой зоны поверхностного контакта, в том числе с переменным их числом на единицу длины теплообменного элемента, а также воздушные прослойки между этими зонами, которые не сообщаются как между собой, так и с внешней средой, отличающийся тем, что труба выполнена профильной с выступающими внутрь кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами. 1. A heat exchange element comprising a pipe enclosed in a shell having surface contact zones with the pipe, including a variable number per unit length of the heat exchange element, as well as air spaces between these zones that are not in communication with each other or with external environment, characterized in that the pipe is made profile with protruding inward circular, screw or other type of turbulators.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что хотя бы часть контакта оболочки и трубы и хотя бы часть турбулизаторов трубы расположены в одном и том же поперечном сечении теплообменного элемента. 2. The element according to claim 1, characterized in that at least part of the contact between the shell and the pipe and at least part of the pipe turbulators are located in the same cross section of the heat exchange element.

3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что труба теплообменного элемента имеет в большинстве своем совпадающие в поперечном сечении с местоположением турбулизаторов наружные впадины-канавки, которые являются зонами поверхностного контакта трубы и оболочки, при этом общее количество зон контакта трубы и оболочки может отличаться от числа наружных впадин-канавок. 3. The element according to claim 1, characterized in that the pipe of the heat-exchange element has, in its majority, coinciding in cross section with the location of the turbulators external grooves, which are the zones of surface contact of the pipe and the sheath, while the total number of contact zones of the pipe and the sheath can differ from the number of external grooves.

4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что лишь часть трубы теплообменного элемента покрыта оболочкой. 4. The element according to claim 1, characterized in that only part of the pipe of the heat exchange element is coated.

5. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что труба и оболочка выполнены из различных материалов. 5. The element according to claim 1, characterized in that the pipe and shell are made of various materials.

6. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что труба оснащена дополнительными турбулизирующими вставками. 6. The element according to claim 1, characterized in that the pipe is equipped with additional turbulent inserts.

7. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что воздушные прослойки между зонами контакта трубы и оболочки заполнены материалами с различной теплопроводностью. 7. The element according to claim 1, characterized in that the air spaces between the zones of contact of the pipe and the shell are filled with materials with different thermal conductivity.

8. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что оболочка как и труба может быть выполнена из профильной трубы с кольцевыми, винтовыми или другого типа турбулизаторами. 8. An element according to claim 1, characterized in that the shell, like the pipe, can be made of a profile pipe with ring, screw or other type of turbulators.

9. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что шаг и глубина турбулизаторов трубы могут быть переменными, а местоположение турбулизаторов как соответствовать, так и не соответствовать местоположению зон контакта. 9. The element according to p. 1, characterized in that the step and depth of the pipe turbulizers can be variable, and the location of the turbulators as well as not correspond to the location of the contact zones.