RU2101643C1 - Method of optimization of characteristics of vortex heat-exchanger element - Google Patents
Method of optimization of characteristics of vortex heat-exchanger element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2101643C1 RU2101643C1 RU96109954A RU96109954A RU2101643C1 RU 2101643 C1 RU2101643 C1 RU 2101643C1 RU 96109954 A RU96109954 A RU 96109954A RU 96109954 A RU96109954 A RU 96109954A RU 2101643 C1 RU2101643 C1 RU 2101643C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flow
- heat exchange
- swirl
- heat
- exchange element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу работы вихревого теплообменного элемента, снабженного завихрителями потока, реализация которого позволяет интенсифицировать теплообмен за счет использования четвертого способа переноса теплоты, а именно вихревого способа переноса теплоты, и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности, в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок, реакторостроении, позволяя уменьшить массу и габариты теплообменного оборудования и т.д. The invention relates to a method for operating a vortex heat exchange element equipped with flow swirls, the implementation of which allows to intensify heat transfer through the use of the fourth heat transfer method, namely the vortex heat transfer method, and can be used in heat exchangers used in various industries, in particular, regenerative heat exchangers of gas turbine plants, reactor engineering, allowing to reduce the mass and dimensions of heat exchange equipment, etc.
Известен способ работы теплообменного элемента [1] включающий подачу теплоносителей в теплообменный элемент, закрутку потоков среды, протекающей в межтрубном пространстве и вывод вышеуказанных теплоносителей, а теплообменный элемент для его реализации выполнен по типу "труба в трубе", внутренняя из труб которого снабжена наружными продольными расчлененными и сплошными ребрами, в котором с целью интенсификации теплообмена путем закручивания потока среды, протекающей в межтрубном пространстве, между смежными ребрами размещены пары расчлененных ребер с элементами, расположенными в каждом ребре под одинаковыми углами к продольной оси, а в смежных симметрично относительно нее, и кромки каждого элемента отогнуты по винтовой линии. A known method of operation of a heat exchange element [1] comprising supplying heat carriers to a heat exchange element, swirling the flow of medium flowing in the annulus and outputting the above heat carriers, and the heat exchange element for its implementation is made as a "pipe in pipe", the inner of the pipes of which is provided with external longitudinal dissected and solid ribs, in which, in order to intensify heat transfer by swirling the flow of medium flowing in the annulus, pairs of races are placed between adjacent ribs Le Nain edges with elements arranged at each edge at the same angle to the longitudinal axis and symmetrically with respect to adjacent it, and the edge of each element are bent along a helical line.
Недостатками такого способа работы теплообменного элемента являются низкий коэффициент теплопередачи вследствие малого коэффициента теплоотдачи с его внутренней стороны и не использование закрученных потоков среды, протекающих в межтрубном пространстве, для вихревого переноса теплоты. The disadvantages of this method of operation of the heat exchange element are the low heat transfer coefficient due to the low heat transfer coefficient from its inner side and the non-use of swirling flows of the medium flowing in the annulus for vortex heat transfer.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ работы вихревого теплообменного элемента [2] включающий подачу теплоносителей в теплообменный элемент, закрутку потока среды, проходящего через завихритель потока, и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревое теплообменное устройство (элемент) для его реализации содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы, при этом трубы установлены одна в другой неподвижно (без возможности вращения), а завихритель, обеспечивающий закрутку потока, выполненный в виде дискретного наружного оребрения, установлен на входном участке. Closest to the proposed technical solution is the method of operation of the vortex heat exchange element [2] comprising supplying heat carriers to the heat exchange element, swirling the medium flow passing through the flow swirl, and outputting the above heat carriers, and the vortex heat exchange device (element) for its implementation contains one coaxially located one heat exchange tubes in the other, while the tubes are installed one in the other motionless (without rotation), and the swirl providing flow swirl is made first in the form of discrete external fins installed in the inlet section.
Недостатком такого способа работы теплообменного устройства является его неэффективность, так как наряду со случайным достижением высокого коэффициента теплопередачи на отдельном участке элемента, на другом участке в то же время коэффициент теплопередачи оказывается малым вследствие неправильно подобранных характеристиках теплообменного устройства, а также в определенных случаях, зависящих от температур теплоносителей, движущихся во внутренней трубе и трубе большего диаметра устройства, работа последнего оказывается неэффективной на всей длине устройства, где теплоноситель движется во вращающемся потоке. The disadvantage of this method of operation of the heat exchange device is its inefficiency, since along with the random achievement of a high heat transfer coefficient in a separate section of the element, in another section, at the same time, the heat transfer coefficient is small due to improperly selected characteristics of the heat exchange device, as well as in certain cases depending on temperatures of coolants moving in the inner pipe and pipe of a larger diameter of the device, the latter is ineffective oh along the entire length of the device, where the coolant moves in a rotating stream.
Цель изобретения интенсификация теплообмена. The purpose of the invention is the intensification of heat transfer.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента, включающем подачу теплоносителей с заданной температурой на входе в теплообменный элемент, закрутку проходящего через завихритель потока, разделение потока среды на концентрические относительно оси элемента слои в сечениях по длине последнего в порядке изменения плотности среды и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревой теплообменный элемент для его реализации содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы по меньшей мере в одной из которых, например в трубе большого диаметра, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами установлено по меньшей мере два завихрителя потока, причем второй по ходу теплоносителя завихритель потока размещен на расстоянии от завихрителя потока, расположенного в вышеуказанном случае на входном участке трубы большего диаметра, а по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных теплообменных труб установлено регулирующее запорное устройство для заданных теплоносителей и известных их температур на входе каждого из них в теплообменный элемент, максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств, установленных по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб вихревого теплообменного элемента, и расстояния между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока путем смещения в осевом направлении теплообменного элемента последующих завихрителей потока. This goal is achieved by the fact that in the known method for optimizing the characteristics of the vortex heat exchange element, including the supply of heat carriers with a given temperature at the inlet to the heat exchange element, swirling the flow passing through the swirl, separation of the medium flow into layers concentric with respect to the axis of the element in sections along the length of the latter in the order of change the density of the medium and the conclusion of the above coolants, and the vortex heat exchange element for its implementation contains coaxially arranged one in the other heat exchange tubes in at least one of which, for example, in a large-diameter pipe, at least two flow swirls are installed in the gap between the above heat-exchange tubes, the second swirl flow being located along the heat carrier at a distance from the swirl flow located in the above case inlet a pipe section of a larger diameter, and at least at the inlet and outlet of each of the coaxially located heat exchange pipes, an adjusting locking device for the specified heat transfer fluids and from According to their natural temperatures at the inlet of each of them to the heat exchange element, the maximum heat transfer is achieved by jointly controlling at least the degree of opening of the control locking devices installed at least at the inlet and outlet of each of the heat exchange tubes of the vortex heat exchange element, and the distance between the outlet cross section of at least each previous swirl flow and the input cross section of the adjacent subsequent swirl flow by axial direction of the heat exchange element of subsequent flow swirls.
Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с аналогом и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна". A comparative analysis of the proposed technical solution with an analogue and prototype allows us to conclude that there are new distinctive features, therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."
В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков предлагаемого решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия". In the solutions known to science and technology, we have not found the totality of the distinguishing features of the proposed solution, exhibiting similar properties and allowing to achieve the result indicated in the purpose of the invention, therefore, the solution meets the criteria of the invention "significant differences".
На фиг. 1 представлен вихревой теплообменный элемент; на фиг. 2, 3 - вихревой теплообменный элемент; на фиг. 4 характерные кривые распределения окружных скоростей ω′ и ω″ по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя потока; на фиг. 5 изменение температуры горячего и холодного теплоносителей при прямотоке; на фиг. 6, 8 фрагмент процесса замещения частиц среды в сечении А-А вихревого теплообменного элемента на фиг. 3; на фиг. 7 изменение температуры горячего и холодного теплоносителей при противотоке; на фиг. 9 характерные кривые распределения окружных скоростей ω′ и ω″ по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя потока; на фиг. 10 сечение Б-Б на фиг. 2 с закрученным потоком среды в трубе при симметричном входе в завихритель потока; на фиг. 11 сечение Б-Б на фиг. 2 с закрученным потоком среды в трубе при несимметричном входе в завихритель потока; на фиг. 12, 13 вихревой теплообменный элемент; на фиг. 14 завихритель потока с поворотными лопатками; на фиг. 15 завихритель потока с поворотными лопатками. In FIG. 1 shows a vortex heat exchange element; in FIG. 2, 3 - vortex heat exchange element; in FIG. 4 characteristic curves of the distribution of peripheral velocities ω ′ and ω ″ along the radius in the outlet section of the scapular flow swirler; in FIG. 5 change in temperature of hot and cold fluids in the forward flow; in FIG. 6, 8 a fragment of the process of replacing medium particles in section AA of the vortex heat exchange element in FIG. 3; in FIG. 7 change in temperature of hot and cold fluids during counterflow; in FIG. 9 characteristic distribution curves of circumferential velocities ω ′ and ω ″ along the radius in the outlet section of the scapular flow swirler; in FIG. 10 section BB in FIG. 2 with a swirling flow of medium in the pipe with a symmetric entry into the swirl flow; in FIG. 11 section BB in FIG. 2 with a swirling flow of medium in the pipe with an asymmetric entry into the flow swirl; in FIG. 12, 13 swirl heat exchange element; in FIG. 14 flow swirl with rotary blades; in FIG. 15 flow swirl with rotary blades.
В способе оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 1), включающем подачу теплоносителей с заданной температурой на входе в теплообменный элемент, закрутку проходящего через завихритель 2 потока, разделение потока среды на концентрические относительно оси 3 элемента 1 слои в сечениях по длине последнего 1 в порядке изменения плотности среды и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревой теплообменный элемент 1 для его реализации содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы 4, 5 по меньшей мере в одной из которых, например в трубе большего диаметра 5, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами 4, 5 установлено по меньшей мере два завихрителя потока 2, 6, причем второй по ходу теплоносителя завихритель потока 6 размещен на расстоянии l от завихрителя потока 2, расположенного в вышеуказанном случае на входном участке 7 трубы большего диаметра 5, а по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных теплообменных труб 4, 5 установлено регулирующее запорное устройство 8, 9, 10, 11 для заданных теплоносителей и известных их температур на входе каждого из них в теплообменный элемент 1, максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств 8, 9, 10, 11, установленных по крайней мере на входе и выходе каждой из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1, и расстояния l (±x) между выходным сечением 1-1 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2 и входным сечением 2-2 смежного с ним последующего завихрителя потока 6 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 6 (фиг.1). In the method of optimizing the characteristics of the vortex heat exchange element 1 (Fig. 1), which includes supplying heat carriers with a given temperature at the inlet to the heat exchange element, swirling the flow passing through the
При этом максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования расстояния b (±x) между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 13, при этом вышеуказанные завихрители потока 12, 13 устанавливаются по меньшей мере в одной внутренней трубе 4 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 2); максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования расстояния l и b (±x) между выходным сечением 1-1 и 3-3 расстояния по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2, 12 и входным сечением 2-2 и 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 6, 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 6, 13, при этом вышеуказанные завихрители потока 2, 6, 12, 13 устанавливаются в обеих соосно расположенных одна в другой теплообменных трубах 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 3); максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока φ(±β) соответствующего теплоносителя по отношению к оси теплообменного элемента по крайней мере из всех завихрителей потока 2, 6, установленных по меньшей мере в одной из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5, например в трубе большего диаметра 5, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами 4, 5, путем поворота (±β) лопаток вышеуказанных завихрителей потока 2, 6 (фиг. 1). In this case, maximum heat transfer can be achieved by jointly regulating the distance b (± x) between the output section 3-3 of at least each
Способ оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента (фиг. 1) осуществляется в соответствии с законом Ерченко, который гласит: "В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой сред) с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока". A method for optimizing the characteristics of a vortex heat exchange element (Fig. 1) is carried out in accordance with Yerchenko’s law, which states: "In a freely rotating vortex flow of a medium (gas, liquid, their mixtures, dispersed, two-phase, dust-gas and other media) with an inhomogeneous density field and with different molecular weights of the components in the process of attenuation of the rotational motion of the stream over the cross section along its length, in which the maximum value of the peripheral speed reaches a critical value, which ensures even the rotation of lighter than heavy particles of the medium in the peripheral zone of the flow, there is a process of continuous replacement of less heavy particles of heavy medium in the direction of the axis of rotation of the stream, continuing to a section in which the medium in a rotating stream is arranged in circular layers in order of increasing density in each subsequent direction to the axis of rotation of the vortex flow. "
При максимальном значении окружной скорости, большем критического значения, процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанному направлении, т.е. в направлении к периферии потока". At a maximum value of the peripheral velocity greater than the critical value, the process of continuous replacement of less heavy particles of the medium by heavy ones proceeds in the opposite direction, i.e. towards the periphery of the stream. "
Таким образом, предложенный способ оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента основан на использовании открытого автором четвертого, ранее неизвестного в теплопередаче, вихревого способа переноса теплоты внутри свободно вращающегося потока среды, теплообменивающейся со стенкой трубы теплообменного элемента. Thus, the proposed method for optimizing the characteristics of the vortex heat exchange element is based on the use of the fourth, previously unknown in heat transfer, vortex method of heat transfer discovered by the author inside a freely rotating medium flow, which is exchanged with the pipe wall of the heat exchange element.
Способ оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента включает подачу теплоносителей с заданной температурой на входе в теплообменный элемент, закрутку проходящего через завихритель 2 потока, разделение потока среды на концентрические относительно оси 3 элемента 1 слои в сечениях по длине последнего 1 в порядке изменения плотности среды и вывод вышеуказанных теплоносителей, а вихревой теплообменный элемент 1 (фиг. 1) для реализации способа содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные трубы 4, 5 по меньшей мере в одной из которых, например в трубе большего диаметра 5, в зазоре между вышеуказанными теплообменными трубами 4, 5 могут устанавливаться по меньшей мере два завихрителя потока 2, 6. При этом второй по ходу теплоносителя завихритель потока 6 размещается на расстоянии l от завихрителя потока 2, расположенного в вышеуказанном случае на входном участке 7 трубы большего диаметра 5. A method for optimizing the characteristics of a vortex heat exchange element includes supplying heat carriers with a given temperature at the inlet of the heat exchange element, swirling the flow passing through the
С помощью регулирующих запорных устройств 8, 9, 10, 11, установленных на входе и выходе из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5, осуществляется регулирование рабочего давления теплоносителей внутри теплообменного элемента 1 и расхода теплоносителей через последний. От расхода теплоносителей через вышеуказанный элемент 1 зависит средняя скорость теплоносителя в соответствующей трубе 4 или 5 теплообменного элемента 1 в его осевом направлении, а также при прочих равных условиях при наличии закрутки потока зависит и угловая скорость ω′ в выходном сечении соответствующего завихрителя потока 2, 6 и соответственно максимальное значение окружной скорости 
В завихрителе 2 трубы большего диаметра 5 происходит закрутка проходящего через него потока теплоносителя, благодаря чему поток, выходящий из завихрителя 2, перемещаясь в осевом направлении элемента 1, одновременно осуществляет и вращательное движение. При этом, в зависимости от температур теплоносителей, поступающих в ту или иную трубу 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1, возможны следующие случаи работы последнего. In the
Так, при подаче в трубу большего диаметра 5 холодного теплоносителя, а соответственно во внутреннюю трубу 4 горячего теплоносителя, совокупность конструктивных, физических и режимных параметров теплообменного элемента 1 для обеспечения максимального коэффициента теплопередачи должно выполняться условие, при котором максимальное значение окружной скорости 
При этом плотность периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды оказывается большей в сравнении с плотностью внутренней части потока, имеющей температуру, близкую к температуре горячего теплоносителя t1(1-1) во внутренней трубе 4 в сечении 1-1 теплообменного элемента 1 (фиг. 1, 5). Поэтому при вышеуказанных условиях, когда в выходном сечении 1-1 завихрителя потока 2 
При малом значении коэффициента теплопроводности холодного теплоносителя роль теплопроводности в процессе переноса теплоты становится незначительной, особенно при большой осевой скорости потока. С уменьшением осевой скорости потока ее роль несколько возрастает. Перенос теплоты вихревым способом наиболее целесообразен при использовании в качестве холодного теплоносителя газа, так как газы имеют низкое значение коэффициента теплопроводности в сравнении с коэффициентом теплопроводности капельных жидкостей, поэтому большая разница температур между центральной (внутренней) нагретой зоной потока и ее периферийной зоной, имеющей низкую температуру, будет сохраняться в течение большего промежутка времени при прочих равных условиях, что обеспечивает и большую относительную разницу в плотностях указанных зон потока, а соответственно и интенсивный процесс замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока. With a small value of the thermal conductivity coefficient of a cold coolant, the role of thermal conductivity in the process of heat transfer becomes insignificant, especially at a large axial flow velocity. With a decrease in the axial flow velocity, its role somewhat increases. Vortex heat transfer is most appropriate when using gas as a coolant, since gases have a low coefficient of thermal conductivity in comparison with the thermal conductivity of dropping liquids, therefore there is a large temperature difference between the central (internal) heated flow zone and its peripheral zone having a low temperature , will be maintained for a longer period of time, ceteris paribus, which provides a large relative difference in the densities flow areas than those indicated, and thus the replacement process of intensive less severe environment by heavy particles in the direction of the flow axis of rotation.
Перемещение тяжелых частиц среды 15 ближе к оси вращения потока происходит по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса их вращения. При этом при переходе на меньший радиус вращения тяжелые частицы, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц среды 16 на указанном радиусе, отдавая часть кинетической энергии другим частицам, менее тяжелым, в результате чего процесс перемещения их (тяжелых частиц) к оси вращения ускоряется, что подтверждается экспериментальными исследованиями (фиг. 6). Процесс взаимного замещения частиц среды в вихревом потоке, имеющих разную плотность, сопровождается затратой работы замещения. Перемещение менее тяжелых частиц 16 в направлении к периферии закрученного потока также происходит по спиралеобразной траектории с увеличением радиуса их вращения. The movement of heavy particles of the
Для достижения максимального коэффициента теплоотдачи, а соответственно и теплопередачи на последующем участке теплообменного элемента 1 между наружной поверхностью внутренней трубы и холодным теплоносителем, где происходит полное затухание вращательного движения потока, устанавливается по меньшей мере второй завихритель потока 6 (фиг.1), обеспечивающий по крайней мере закрутку потока. При этом, как и в вышеописанном случае, максимальное значение окружной скорости 
В случае расположения завихрителя потока 6 за сечением элемента 1, в котором происходит полное затухание вращательного движения потока, происходит резкое снижение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности внутренней трубы 4 к холодному теплоносителю в трубе 5, так как за вышеуказанным сечением по потоку последний приобретает характер стабилизированного осевого течения в трубе 5 и вихревого переноса теплоты не происходит, значимость которого весьма велика. In the case of the arrangement of the
Эффективная работа теплообменного элемента 1 возможна также и при подаче в трубу большего диаметра 5 горячего теплоносителя, а соответственно во внутреннюю трубу 4 холодного теплоносителя, но при этом максимальное значение окружной скорости 
Количество завихрителей потока, устанавливаемых в трубе большего диаметра 5 на расстоянии друг от друга, зависит от многих факторов и, в первую очередь, от достигаемого температурного напора на выхода теплоносителей из теплообменного элемента 1, а также от других факторов. Оптимизация расстояния l (±x) между выходным сечением предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с первым последующего завихрителя потока при прочих равных условиях осуществляется в очередности от первой пары смежных завихрителей потока по движению потока среды к последующей паре смежных завихрителей потока. The number of flow swirls installed in a pipe of
Движение средней тяжести частиц 17 (фиг. 1, 6) теплоносителя в трубе 5 большего диаметра, т. е. частиц, значение плотности (молекулярной массы) которых находится в промежутке между значениями плотностей вышеуказанных частиц 15 и 16, происходит по более сложной траектории. Эти частицы 17, совершая вращательное движение в потоке теплоносителя и перемещаясь в осевом направлении теплообменного элемента 1, одновременно совершают и свои собственные спиралеобразные круговые вращения с уменьшающимся радиусом собственного вращения в направлении движения потока или к его периферии, что определяется значениями их плотностей (молекулярных масс), процентным содержанием в потоке на соответствующем участке теплообменного элемента 1 по движению потока и местом их расположения в радиальном направлении в последнем, при этом они в потоке находятся во взвешенном состоянии, т.е. вращаются внутри потока. Объясняется вышеизложенное следующим. За счет полученной дополнительной кинетической энергии от тяжелых частиц 15, являющихся наиболее холодными, средней тяжести частицы 17 переходят на увеличенный радиус их вращения в потоке, но движение их в указанном направлении ограничивается приобретенной энергией, которой оказывается недостаточно для дальнейшего перемещения их по спиралеобразной траектории к внутренней поверхности трубы большего диаметра 5, и вследствие быстрого затухания вращательного движения потока указанные частицы 17 начинают собственное круговое вращение в вихревом потоке в направлении к оси вращения потока, так как процесс приобретения дополнительной кинетической энергии и т.д. что описано выше, продолжается до тех пор, пока в процессе их собственного спиралеобразного вращения радиус спирали окажется близким к нулю или незначительным. В рассмотренном случае (фиг. 6) частицы теплоносителя располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности в каждом последующем слое в направлении к оси вращения потока теплоносителя. На фиг. 1, 6 траектория средней тяжести частицы 17 теплоносителя показана условно, так как частица 17, перемещаясь в потоке по своей траектории, одновременно совершает движение вместе с вращающимся потоком теплоносителя. Траекторию указанной частицы 17 можно представить как бы в выделенном и только вращающемся вместе с потоком теплоносителя элементе объема последнего, в котором сама частица 17 совершает свои собственные вращательные движения и при этом перемещается в осевом направлении вихревого теплообменного элемента 1. Для лучшего понимания процесса замещения частиц теплоносителя опущено взаимодействие средней частицы 17 с менее тяжелыми частицами 16 (фиг. 6). The medium-gravity movement of particles 17 (Fig. 1, 6) of the coolant in the
При подаче в трубу большего диаметра 5 горячего теплоносителя, а во внутреннюю трубу 4 холодного теплоносителя в случае, когда максимальное значение окружной скорости 
Аналогичная картина возможна и при подаче в трубу большего диаметра 5 холодного теплоносителя, а во внутреннюю трубу 4 горячего теплоносителя, когда максимальное значение окружной скорости 
Вихревой способ переноса теплоты от горячей наружной поверхности внутренней трубы 4 вглубь холодного теплоносителя, движущегося во вращающемся потоке внутри трубы большего диаметра 5, позволяет получить высокий коэффициент теплопередачи между средами, когда при этом обеспечивается высокий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны трубы 4, в которой движется горячий теплоноситель. В связи с последним в качестве горячего теплоносителя при гладкой внутренней поверхности трубы 4 и отсутствии в ней различных вставок, интенсифицирующих процесс теплоотдачи, целесообразно использовать жидкость, а также применять различные способы интенсификации теплоотдачи с внутренней стороны трубы 4 и другое. The vortex method of transferring heat from the hot outer surface of the
Вышеуказанное касается и случая, когда в трубу большего диаметра 5 подается горячий теплоноситель, а во внутреннюю трубу 4 холодный теплоноситель, так как для достижения высокого коэффициента теплопередачи между средами коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны трубы 4, в которой движется холодный теплоноситель, должен быть высоким. The above applies to the case when a hot coolant is supplied to a pipe of a
В зависимости от назначения вихревого теплообменного элемента 1, рода теплоносителей, подаваемых в трубу большего диаметра 5 и во внутреннюю трубу 4 элемента 1, а также от других факторов максимальная теплопередача может достигаться путем осуществления совместного регулирования расстояния b (±x) между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 13, а все вышеуказанные завихрителя потока 12, 13 при этом устанавливаются по меньшей мере в одной внутренней трубе 4 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 2). Depending on the purpose of the vortex
Процесс переноса теплоты из глубины закрученного горячего потока теплоносителя к внутренней боковой поверхности внутренней трубы 4 осуществляется аналогично вышеописанному процессу вихревого переноса теплоты в трубе большего диаметра 5 теплообменного элемента 1 при подаче в последнюю 5 холодного теплоносителя. А именно, совокупностью конструктивных, физических и режимных параметров теплообменного элемента 1 для обеспечения максимального коэффициента теплопередачи должно выполняться условие, при котором максимальное значение окружной скорости 
В связи с интенсивным охлаждением периферийного кольцевого слоя горячего теплоносителя еще в процессе закрутки потока из завихрителя 12 выходит поток с неоднородным полем плотностей. При этом плотность периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды вследствие охлаждения его оказывается большей в сравнении с плотностью центральной части потока, имеющей температуру горячего теплоносителя на входе в завихритель потока 12. Поэтому при вышеуказанных условиях, когда в выходном сечении 3-3 завихрителя потока 12 
При малом значении коэффициента теплопроводности горячего теплоносителя роль теплопроводности в процессе переноса теплоты становится незначительной, особенно при большой осевой скорости потока. С уменьшением осевой скорости потока ее роль несколько возрастает. Перенос теплоты вихревым способом во внутренней трубе 4 наиболее целесообразен при использовании в качестве горячего теплоносителя газа из-за его малого коэффициента теплопроводности в сравнении с коэффициентами теплопроводности капельных жидкостей, в связи с чем относительная разница плотностей охлажденных и горячих частиц газового теплоносителя во внутренней трубе 4 оказывается значительной. With a small value of the thermal conductivity coefficient of the hot heat carrier, the role of thermal conductivity in the process of heat transfer becomes insignificant, especially at a large axial flow velocity. With a decrease in the axial flow velocity, its role somewhat increases. The heat transfer by the vortex method in the
Перемещение тяжелых частиц 20 среды и менее тяжелых частиц 19 соответственно ближе к оси вращения и в направлении к периферии потока (фиг. 6) происходит по спиралеобразной траектории, как описывалось выше. Движение частиц среды средней тяжести аналогично движению частиц средней тяжести 17 в трубе большего диаметра 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 6). При этом процесс взаимного замещения одних частиц другими частицами сопровождается затратой работы замещения. The movement of
Оптимальное расстояние b (±x) между выходным сечением 3-3 каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13, как отмечалось выше, устанавливается путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 13. The optimal distance b (± x) between the output section 3-3 of each
При этом вышеуказанное расстояние b (±x), как правило, не превышает расстояние, на котором между смежными завихрителями потока происходит полное затухание вращательного движения потока теплоносителя, закрученного в предыдущем завихрителе потока. Moreover, the above distance b (± x), as a rule, does not exceed the distance at which between the adjacent flow swirls the complete attenuation of the rotational motion of the coolant flow swirling in the previous flow swirl occurs.
Следует отметить, что при входе среды в последующий завихритель потока по движению потока в закрученном состоянии уменьшаются гидравлические потери в самом завихрителе потока. It should be noted that when the medium enters the subsequent flow swirl, the flow losses in the swirling state decrease hydraulic losses in the flow swirl itself.
В необходимых случаях эффективная работа теплообменного элемента 1 за счет использования вихревого способа переноса теплоты может достигаться и при подаче во внутреннюю трубу 4 холодного теплоносителя, а соответственно в трубу большего диаметра 5 горячего теплоносителя, но при этом максимальное значение окружной скорости 
Процесс переноса теплоты в глубину закрученного холодного потока теплоносителя от внутренней боковой поверхности внутренней трубы 4 осуществляется аналогично вышеописанному процессу вихревого способа переноса теплоты в трубе большего диаметра 5 теплообменного элемента 1 при подаче в последнюю горячего теплоносителя (фиг. 7, 8). Процесс замещения менее тяжелых частиц 21 среды тяжелыми частицами 22 в этом случае во внутренней трубе 4 происходит согласно фиг. 8. The process of transferring heat to the depth of the swirling coolant flow from the inner side surface of the
При этом во входном сечении 4-4 каждого последующего завихрителя потока 13 (фиг. 2) максимальное значение окружной скорости потока 
Использование вихревого способа переноса теплоты одновременно в обеих расположенных одна в другой теплообменных трубах 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 3) позволяет достичь максимально возможного коэффициента теплопередачи при прочих равных условиях и соответственно значительно уменьшить габариты теплообменного элемента. При этом максимальная теплопередача достигается путем осуществления совместного регулирования расстояния l (±x) и b (±x) между выходным сечением 1-1 и 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2, 12 и входным сечением 2-2 и 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 6, 13 путем смещения (±x) в осевом направлении теплообменного элемента 1 последующих завихрителей потока 6,13, для чего вышеуказанные завихрители потока 2, 6, 12, 13 устанавливаются в обеих вышеуказанных теплообменных трубах 4, 5 элемента 1 (фиг. 3). The use of the vortex method of heat transfer simultaneously in both
Процессы вихревого переноса теплоты, происходящие при этом в каждой из теплообменных труб 4, 5 теплообменного элемента 1, аналогичны вышеописанным процессам, происходящим при установке завихрителей потока в одну из двух теплообменных труб 4, 5 теплообменного элемента 1. The processes of vortex heat transfer occurring in this case in each of the
В зависимости от назначения вихревого теплообменного элемента 1, а таковым может быть не только отдельно взятый элемент 1, а часть конструкции, например реактор, требований к его характеристикам и другим причинам в трубу большего диаметра 5 может подаваться как холодный, так и горячий теплоноситель, а соответственно во внутреннюю трубу 4 при этом подаваться горячий или холодный теплоноситель. Depending on the purpose of the vortex
В зависимости от применяемого направления движения теплоносителей, а именно, прямоток или противоток (фиг. 1, 2, 3, 5, 9), при прочих равных условиях расстояния l (±x) и b (±x) между каждой сходственной парой смежных завихрителей потока 2, 6 и 12, 13 в каждой из соосно расположенных одна в другой теплообменных труб 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 будут изменяться (фиг. 1, 2, 3, 5, 9), так как величины температурных напоров в соответствующих сечениях теплообменного элемента 1 при прямотоке и противотоке оказываются различными (фиг. 5, 9). Depending on the used direction of movement of the coolants, namely, forward flow or counterflow (Fig. 1, 2, 3, 5, 9), ceteris paribus, the distances l (± x) and b (± x) between each similar pair of adjacent swirlers flows 2, 6 and 12, 13 in each of the
Так как в сечениях по длине вихревого теплообменного элемента 1 происходит изменение не только температурного напора Δt между теплообменивающимися средами, но и изменяются абсолютные значения температур (фиг. 5, 9), а следовательно, изменяется и плотность сред. Поэтому критические значения окружных скоростей 
В связи с последним максимальная теплопередача вихревого теплообменного элемента 1 достигается путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока 
При установке завихрителей потока 12, 13 во внутренней трубе 4, а также установке завихрителей потока 2, 6, 12, 13 (фиг. 2, 3) в обеих трубах 4, 5 вихревого теплообменного элемента 1 максимальная теплопередача последнего достигается также путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока φ(±β) из вышеуказанных завихрителей потока по отношению к оси теплообменного элемента 1 путем поворота (±β) лопаток завихрителей потока. When installing flow swirls 12, 13 in the
В зависимости от рода теплоносителей, их физических характеристик, подаваемых в вихревой теплообменный элемент 1, также требуется оптимизация характеристик последнего для обеспечения эффективной его работы. Depending on the type of coolants, their physical characteristics supplied to the vortex
В зависимости от применяемого направления движения теплоносителей в вихревой теплообменном элементе 1, т.е. прямотока или противотока (фиг. 1, 2, 3, 5, 9) угол φ(±β) выхода потока горячего теплоносителя по отношению к оси теплообменного элемента 1 по крайней мере из каждого последующего завихрителя потока 13, например, внутренней трубы 4, может по отношению к оси теплообменного элемента 1 при осуществлении регулирования его уменьшаться или увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 2). Это связано с тем, что при прямотоке температура холодного теплоносителя снаружи трубы 4 в направлении движения потока увеличивается (фиг. 5), в связи с чем температура охлаждаемого периферийного кольцевого слоя вращающегося потока среды внутри трубы 4 в вышеуказанном направлении также увеличивается, а следовательно, 
Поэтому для обеспечения эффективных условий теплообмена угол φ(±β) закрутки потока целесообразно при осуществлении регулирования уменьшать, в противном случае эффективность переноса теплоты вихревым способом будет снижаться. Therefore, to ensure effective heat transfer conditions, the flow swirl angle φ (± β) should be reduced during regulation, otherwise the efficiency of heat transfer by the vortex method will decrease.
При противотоке (фиг. 9) наблюдается обратная картина, температура холодного теплоносителя в трубе большего диаметра 5 в направлении движения потока горячего теплоносителя во внутренней трубе 4 элемента 1 уменьшается, поэтому для удерживания более холодных частиц среды в периферийной зоне 18 вращающегося потока во внутренней трубе 4, имеющих соответственно большую плотность в сравнении с плотностью их на входе в трубу 4, требуются более высокие значения 
В связи с тем, что в определенных случаях угол v выхода потока горячего теплоносителя по крайней мере из каждого последующего завихрителя потока 13 по отношению к оси теплообменного элемента 1 может уменьшаться или увеличиваться (±β) при регулировании его для оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента 1, что приводит к менее или более значительной закрутке вихревого потока, а в соответствии с этим изменяется и длина участка, на котором происходит за выходным сечением завихрителя потока полное затухание вращательного движения потока. Поэтому в первом случае одновременно с уменьшением угла φ для интенсификации переноса теплоты вихревым способом расстояние b (±x) между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 (фиг. 2) по ходу потока может уменьшаться в направлении движения потока. Во втором случае при увеличении угла v(±β) с целью уменьшения гидравлических потерь расстояния b между выходным сечением 3-3 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 12 и входным сечением 4-4 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 по ходу потока может увеличиваться в направлении движения потока (фиг. 2). Due to the fact that in certain cases, the exit angle v of the flow of hot heat carrier from at least each subsequent swirler of the
При этом вышеуказанное уменьшение или увеличение расстояния b (±x) в направлении движения потока в ряде случаев, исходя из заданных характеристик теплообменного элемента по теплопередаче, может выполняться независимо от уменьшения или увеличения угла φ(±β) выхода потока горячего теплоносителя по отношению к оси вихревого теплообменного элемента 1 по крайней мере из каждого последующего завихрителя потока. Moreover, the aforementioned decrease or increase in the distance b (± x) in the direction of flow in some cases, based on the specified characteristics of the heat exchange element in terms of heat transfer, can be performed regardless of the decrease or increase in the angle φ (± β) of the outlet of the hot fluid flow relative to swirl
В зависимости от необходимой степени закрутки, обеспечивающей соответствующую максимальную окружную скорость в выходном сечении завихрителя потока, по крайней мере все завихрители потока могут быть выполнены одного типа, например, лопаточного или шнекового типа, а также завихрители потока по меньшей мере на одном из участков, например внутренней трубы 4, могут быть выполнены одного типа, а на по меньшей мере на втором участке они могут быть выполнены другого типа, отличающегося от первого. Depending on the required degree of swirl that provides the corresponding maximum peripheral speed in the output section of the flow swirl, at least all flow swirls can be made of the same type, for example, scapular or screw type, as well as flow swirls in at least one of the sections, for example the
Применение того или иного направления движения горячего и холодного теплоносителей в теплообменном элементе 1, а именно, прямотока или противотока (фиг. 1, 2, 3, 5, 9), определяется требованиями тепловой эффективности вихревого теплообменного элемента, конструктивными и другими соображениями. The use of one or another direction of movement of hot and cold fluids in the
Вышеназванными причинами может также определяться направление вращения закрученных потоков горячего и холодного теплоносителей в вихревом теплообменном элементе 1, которое может осуществляться в одном направлении в обеих теплообменных трубах 4 и 5 (фиг. 6), а также может осуществляться в вышеуказанных трубах 4 и 5 во взаимно противоположных направлениях (фиг. 8). The above reasons can also determine the direction of rotation of the swirling flows of hot and cold fluids in the vortex
Закрутка потоков на начальных участках (входных) в теплообменные трубы 4 и 5 может осуществляться различными способами. Наиболее распространенными из них являются способы закрутки потока с использованием лопаточных, шнековых, тангенциальных и тангенциально-лопаточных завихрителей потока, устанавливаемых на входе в соответствующий канал теплообменных труб 4 и 5. The swirling of flows in the initial sections (inlet) into the
Наибольшая эффективность в работе вихревого теплообменного элемента 1 при использовании различного типа завихрителей потока достигается в случае, когда в выходном сечении соответствующего завихрителя потока центр ("нулевая точка" 0), вокруг которого вращается среда, расположенная, например, в приосевой зоне внутренней трубы 4, и в котором давление минимальное, совпадает с осью вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 10). Последнее достигается использованием многозаходных шнековых завихрителей потока с симметричным выходом из них закрученного потока, а при тангенциальной закрутке - симметричным входом среды в трубы 4 и 5 относительно оси теплообменного элемента 1. The greatest efficiency in the operation of the vortex
В случае несимметричного входа закрученного потока, например, в трубу 4, что касается и трубы 5, "нулевая точка" 0 смещается эксцентрично от оси трубы 4 и вместе с вихревым потоком совершает круговые движения вокруг оси последней 4 (фиг. 11). Причем перемещающиеся к оси вращения потока тяжелые частицы за счет большей их угловой скорости совершают одновременно вращение и вокруг "нулевой точки" 0, как показано на фиг. 11. "Нулевая точка" 0 каждого последующего сечения потока в направлении его движения оказывается повернутой на угол друг относительно друга, т.е. по отношению к предыдущему сечению. In the case of an asymmetric entry of the swirling flow, for example, into the
Изменения структуры вихревого потока при несимметричном входе среды в теплообменные трубы 4 и 5 вихревого теплообменного элемента 1 приводят к неравномерности теплоотдачи по окружности внутренней трубы 4 с обеих ее сторон, а эффективность вихревого переноса теплоты несколько снижается. Особенно это сказывается на теплообмене между наружной поверхностью внутренней трубы 4 и холодным теплоносителем в трубе большего диаметра 5, а также в иных случаях. Лопаточные завихрители потока обеспечивают симметричный ввод среды в теплообменые трубы 4 и 5. Changes in the structure of the vortex flow with an asymmetric entry of the medium into the
Длина участка теплообменной трубы, на котором теплообмен осуществляется вихревым переносом теплоты в значительной степени зависит от состояния поверхности трубы, с которой соприкасается вращающийся поток. При гладкой внутренней поверхности трубы 5 и обеих поверхностей трубы 4 процесс затухания вращательного движения потока происходит продолжительнее, чем при шероховатых поверхностях. Следовательно, в общем случае эффективнее использовать вихревые теплообменные трубы теплообменного элемента с гладкими поверхностями, так как коэффициент теплоотдачи в указанном случае имеет повышенное значение на большем по длине участке за выходным сечением завихрителя потока. The length of the portion of the heat exchanger pipe on which heat transfer is carried out by vortex heat transfer largely depends on the state of the surface of the pipe with which the rotating stream is in contact. With a smooth inner surface of the
При этом необходимо отметить, что в ряде случаев, когда максимальное значение окружной скорости потока ωмакс в выходном сечении каждого из последовательно установленных завихрителей потока не превышает ее критического значения ωкр в вышеуказанном сечении, т.е. процесс замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми частицами направлен к оси теплообменного элемента 1, шероховатая внутренняя поверхность теплообменной трубы элемента ускоряет вышеуказанный процесс замещения частиц теплоносителя при отдаче теплоты от последнего к шероховатой поверхности теплообменной трубы. Последнее приводит к росту коэффициента теплопередачи вихревого теплообменного элемента и уменьшению за счет этого его длины, что обеспечивает незначительное изменение гидравлического сопротивления теплообменного элемента в ту или иную сторону.It should be noted that in some cases, when the maximum value of the peripheral flow velocity ω max in the output section of each of the successively installed flow swirls does not exceed its critical value ω cr in the above section, i.e. the process of replacing less heavy particles of the medium with heavy particles is directed to the axis of the
При оптимальных условиях работы внутренней трубы 4 гидравлическое сопротивление обеих теплообменных труб 4 и 5 вихревого теплообменного элемента 1, как показывают эксперименты, может быть даже меньше, чем при только осевом движении теплоносителей внутри теплообменных труб 4 и 5 при прочих равных условиях, что достигается значительным сокращением длины вихревого теплообменного элемента 1 за счет резкого увеличения коэффициента теплопередачи. Under optimal operating conditions of the
Критические значения окружных скоростей 
Моменты достижения критических значений окружных скоростей 
Необходимые максимальные значения окружных скоростей потоков на выходе из завихрителей потока теплообменных труб 4 и 5, при которых обеспечиваются максимальные значения коэффициентов теплоотдачи, а соответственно и коэффициента теплоперадачи теплообменного элемента 1, достигаются при комплексном выборе необходимых типа и геометрических характеристик завихрителей потока путем изменения (регулирования) режимных параметров работы вихревого теплообменного элемента, регулирования расстояния между смежными завихрителями потока и угла выхода потока по отношению к оси теплообменного элемента по крайней мере из каждого завихрителя потока, установленного внутри каждой из теплообменных труб теплообменного элемента. The required maximum values of the peripheral flow velocities at the outlet of the
Перемещение завихрителей потока внутри теплообменных труб 4 и 5 может осуществляться различными способами. Рассмотрим в качестве примера некоторые из них. Одним из способов перемещения завихрителей потока 13, 23 в осевом направлении теплообменного элемента 1, установленных за входным во внутреннюю трубу 4 завихрителя потока 12, может быть такой, как представлен на фиг. 12. Завихритель потока 13 размещен на стержне 24 круглого поперечного сечения, причем торец стержня, обращенный навстречу потоку, выполнен обтекаемым или заостренным. Последующий завихритель потока 23 размещен на полом стержне 25, внутри которого свободно проходит вышеуказанный стержень 24 круглого поперечного сечения завихрителя потока 13. The movement of the flow swirls inside the
Выход наружу вышеуказанных стержней 24, 25 осуществляется по меньшей мере через сальниковое уплотнение 26 в стенке колена 27, образованного изгибом участка внутренней трубы 4, расположенного снаружи трубы большего диаметра 5 теплообменного элемента 1. Для исключения проворачивания завихрителей потока 13, 23 внутри теплообменной трубы 4 под воздействием на их лопатки набегающего потока теплоносителя в стенке с внутренней стороны трубы 4 может выполняться по меньшей мере одна продольная канавка (паз), в который входит выступ соответствующего завихрителя потока 13, 23. The
Перемещение последующих завихрителей потока, например 6, размещенных в трубе большего диаметра 5 для осуществления регулирования расстояния между выходным сечением предыдущего завихрителя потока 2 и выходным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока 6, может осуществляться следующим способом. Для этого теплообменная труба 5 большего диаметра 5 выполняется составной, количество участков которой зависит от количества завихрителей потока, размещенных за первым по ходу потока завихрителем потока 2. При этом составные части 28 и 29 трубы 5 выполняются по типу "труба в трубе" с обеспечением осевого перемещения одного из участков относительно ее другого участка, а внутри подвижного участка 29 размещается последующий завихритель потока 6, соединенный с внутренней поверхностью трубы 5. Таким образом, при перемещении одного из участков трубы большего диаметра 5 происходит перемещение и завихрителя потока 6, который свободно охватывает внутреннюю трубу 4 теплообменного элемента 1 (фиг. 13). При этом выход внутренней трубы 4 наружу из подвижного участка 29 осуществляется по меньшей мере через сальниковое уплотнение 30, выполненное в торце 31 трубы большего диаметра 5 вихревого теплообменного элемента 1. The movement of subsequent flow swirls, for example 6, placed in a pipe of
Для обеспечения поворота лопаток завихрителей потока как теплообменной трубы большего диаметра 5, так и внутренней теплообменной трубы 4 могут использоваться различные способы. Так, завихрители потока трубы большего диаметра 5 могут размещаться в проставках 32, стыкуемых с участками теплообменной трубы 5, так как в этом случае последняя выполняется составной (фиг. 1, 14). Проставки представляют из себя короткие участки теплообменной трубы 5, образующие в комплекте с лопатками 33 завихрители потока 2, 6 (фиг. 1, 14). Свободный конец оси 34 каждой лопатки 33 через отверстие в стенке проставки 32 выходит наружу и через рычажную систему 35 соединен с синхронизирующим устройством, выполненным в форме кольца 36, снабженного фиксатором от поворота и расположенного снаружи соосно простанке 32. При повороте кольца 36 на угол ± γ вокруг оси проставки 32 происходит одновременный поворот осей 34 всех лопаток 33 завихрителя потока на соответствующий угол ± b
Завихрители потока 12, 13 с поворотными лопатками внутренней теплообменной трубы 4 вихревого теплообменного элемента 1 могут выполняться составными, включающими лопатки 37, установленные в обойму между двумя соосно расположенными полыми цилиндрами 38, 39 и размещенными один в другом. Лопатки 37 соединены с последними с помощью соосных выступов 40, 41, расположенных с торцев каждой лопатки, один 40 из которых выполнен цилиндрическим и установлен в отверстии наружного цилиндра 38, а другой 41 выполнен с двумя лысками, соприкасающимися с боковой стенкой винтовой фигурой канавки 42 внутреннего цилиндра 39, в которую входит выступ 41, Наружный цилиндр 38 фиксируется от проворачивания во внутренней трубе 4, а внутренний цилиндр 39 насажен на стержень 24, свободный конец которого выходит наружу теплообменной трубы 4 (фиг. 12, 15). При перемещении (±x) стержня 24 в осевом направлении теплообменного элемента 1 и его одновременном повороте на угол ± g вокруг своей оси такое же движение совершает и насаженный на него внутренний цилиндр 39 обоймы, канавки 42 которого, перемещаясь относительно выступов 41 лопаток 37, своими боковыми стенками воздействуют на лыски выступов 41, поворачивая последние на угол ± g вокруг их оси, в результате чего изменяется угол выхода потока v(±β) из соответствующего завихрителя потока 12, 13 по отношению к оси вихревого теплообменного элемента 1. Для того, чтобы лопатки 37 выпадали из обоймы, цилиндрический выступ 40 с внешней стороны наружного цилиндра 38 по крайней мере расклепывается заподлицо с поверхностью последнего, с обеспечением свободы поворота лопатки.Various methods can be used to ensure rotation of the blades of the flow swirls of both the larger diameter
Flow swirls 12, 13 with rotary blades of the inner
Вихревой теплообменный элемент в теплообменном аппарате или ином теплообменном устройстве может иметь различное расположение, как то горизонтальное, вертикальное или наклонное, что определяется природой теплоносителей, их температурой, условиями монтажа и работы, а также другими причинами. A vortex heat exchange element in a heat exchanger or other heat exchanger device can have a different arrangement, such as horizontal, vertical or inclined, which is determined by the nature of the coolants, their temperature, installation and operation conditions, as well as other reasons.
Особенность оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента, как уже отмечалось выше, состоит в поэтапной регулировке теплообменного элемента для достижения максимального коэффициента теплопередачи от участка к участку теплообменного элемента в направлении движения теплоносителей при прямотоке, определяемого ориентировочно наибольшим расстоянием между смежными завихрителями потока, из размещенных по крайней мере в каждой из труб 4 и 5 теплообменного элемента 1 (фиг. 3) на его оптимизируемом участке. A feature of optimizing the characteristics of a vortex heat-exchange element, as noted above, is the phased adjustment of the heat-exchange element to achieve the maximum heat transfer coefficient from section to section of the heat-exchange element in the direction of flow of the heat transfer media, which is determined approximately by the largest distance between adjacent flow swirls from at least in each of the
Вышеуказанная последовательность в проведении оптимизации характеристик теплообменного элемента позволяет после выполнения вышеуказанной операции на предыдущем участке теплообменного элемента производить замену завихрителей потока на последнем участке с поворотными лопатками за завихрители потока с фиксированными лопатками, но с такими же оптимальными характеристиками, которые были получены при использовании завихрителей потока с поворотными лопатками. При этом завихрители потока с поворотными лопатками предыдущего участка используются на последующем участке теплообменного элемента. The above sequence in optimizing the characteristics of the heat exchange element allows, after performing the above operation on the previous section of the heat exchange element, to replace the flow swirls in the last section with rotary blades for flow swirls with fixed blades, but with the same optimal characteristics that were obtained when using flow swirls with rotary blades. At the same time, flow swirls with rotary blades of the previous section are used in the subsequent section of the heat exchange element.
В связи с вышеуказанным возможна повторная контрольная проверка оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента в вышеуказанном порядке и при необходимости производится его подрегулировка. In connection with the above, it is possible to re-check the optimization of the characteristics of the vortex heat exchange element in the above order and, if necessary, it is adjusted.
На основании полученных результатов для различных сред, используемых в качестве теплоносителей, а также различных режимных параметрах работы теплообменного элемента и других учитываемых факторах, например, диаметров теплообменных труб элемента, материала труб, их толщин и т.п. составляются номограммы, которые затем используются в качестве справочно-нормативного материала при конструировании и разработке вихревых теплообменных элементов и на их базе различного вихревого теплообменного оборудования. Based on the results obtained for various media used as heat carriers, as well as various operating parameters of the heat exchange element and other factors taken into account, for example, the diameters of the heat exchange tubes of the element, pipe material, their thickness, etc. nomograms are compiled, which are then used as reference and regulatory material in the design and development of vortex heat exchange elements and on their basis various vortex heat exchange equipment.
При противотоке регулировка вихревого теплообменного элемента для достижения максимального коэффициента теплопередачи более сложная в сравнении с прямотоком, так как участки входа теплоносителей расположены с разных сторон теплообменного элемента и поэтому приходится решать многовариантную задачу при оптимизации характеристик вихревого теплообменного элемента. In countercurrent, adjusting the vortex heat transfer element to achieve the maximum heat transfer coefficient is more complicated in comparison with the direct flow, since the heat-transfer element inlet sections are located on different sides of the heat transfer element and therefore it is necessary to solve a multivariate problem when optimizing the characteristics of the vortex heat transfer element.
Вихревой способ переноса теплоты от горячего теплоносителя, движущегося в закрученном потоке во внутренней теплообменной трубе 4, к стенке последней, а затем от наружной поверхности внутренней трубы 4 к закрученному холодному теплоносителю, движущемуся в теплообменной трубе большего диаметра 5 вихревого теплообменного элемента 1 (фиг. 3) позволяет получить максимально высокий коэффициент теплопередачи между теплообменивающимися средами. Последнее может достигаться и при движении закрученного холодного теплоносителя во внутренней теплообменной трубе 4, а горячего закрученного теплоносителя в теплообменной трубе большего диаметра 5. The vortex method of heat transfer from a hot heat carrier moving in a swirling flow in an internal
Таким образом, изобретение раскрывает физическую сущность открытого автором четвертого способа переноса теплоты, использование которого позволяет получать оптимальные характеристики вихревых теплообменных элементов для различных теплоносителей, используемых в них, а также для различных характеристик теплообменных труб и других учитываемых факторов, достигая при этом высоких значений коэффициентов теплопередачи в сравнении с другими способами переноса теплоты в этих же элементах при прочих равных условиях. Предложенный способ оптимизации характеристик необходим при разработке справочно-нормативных материалов для использования при проектировании вихревых теплообменных элементов и на их базе вихревого теплообменного оборудования, используемого в различных отраслях промышленности. Thus, the invention discloses the physical essence of the fourth method of heat transfer discovered by the author, the use of which allows one to obtain optimal characteristics of vortex heat exchange elements for various heat carriers used in them, as well as for various characteristics of heat transfer pipes and other factors considered, while achieving high values of heat transfer coefficients in comparison with other methods of heat transfer in the same elements, ceteris paribus. The proposed method for optimizing the characteristics is necessary when developing reference and regulatory materials for use in the design of vortex heat exchange elements and, on their basis, vortex heat exchange equipment used in various industries.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96109954A RU2101643C1 (en) | 1996-05-22 | 1996-05-22 | Method of optimization of characteristics of vortex heat-exchanger element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96109954A RU2101643C1 (en) | 1996-05-22 | 1996-05-22 | Method of optimization of characteristics of vortex heat-exchanger element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU96109954A RU96109954A (en) | 1997-09-20 |
| RU2101643C1 true RU2101643C1 (en) | 1998-01-10 |
Family
ID=20180751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96109954A RU2101643C1 (en) | 1996-05-22 | 1996-05-22 | Method of optimization of characteristics of vortex heat-exchanger element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2101643C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2456522C1 (en) * | 2010-11-26 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет"(ЮЗГУ) | Vortex heat exchange element |
-
1996
- 1996-05-22 RU RU96109954A patent/RU2101643C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2456522C1 (en) * | 2010-11-26 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет"(ЮЗГУ) | Vortex heat exchange element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2654766C2 (en) | Heat transfer tube and cracking furnace using heat transfer tube | |
| US4044824A (en) | Heat exchanger | |
| US20200011430A1 (en) | Adjustment valve with energy recovery | |
| BRPI0906376B1 (en) | FLUID FLOW CONTROL VALVE | |
| JPS5918525B2 (en) | turbine casing | |
| US4881596A (en) | Heat exchange pipe for heat transfer | |
| CN109269756B (en) | A kind of water-cooled jet pipe | |
| RU2325221C2 (en) | Use of three dimensional crossed diverter as element of pipe, drum or tower | |
| JP2019521308A (en) | Feed-efluent heat exchanger | |
| US6019168A (en) | Heat exchangers | |
| CN109827459B (en) | Swirl vane, swirl fan, swirl pipeline and preparation method of swirl vane | |
| US4852642A (en) | Heat exchange device | |
| RU2101643C1 (en) | Method of optimization of characteristics of vortex heat-exchanger element | |
| CN109724444A (en) | Heat-transfer pipe and pyrolysis furnace | |
| RU2084793C1 (en) | Swirl heat-exchange member | |
| RU4595U1 (en) | VORTEX HEAT EXCHANGE PIPE | |
| CN209945117U (en) | Swirl blade, swirl fan and swirl pipeline | |
| CN111664730B (en) | Spiral baffle plate heat exchanger with variable-pitch spiral fluted pipe | |
| RU2617856C1 (en) | Temperature-stabilizing pressure regulator | |
| CN208824298U (en) | Pipeline static hybrid element and pipeline static mixer containing the hybrid element | |
| US4397154A (en) | Vortex gas cooler | |
| RU2502930C2 (en) | Double-pipe stream heat exchanger | |
| RU2116523C1 (en) | Highly efficient method of industrial production of helium | |
| US20230027445A1 (en) | Printing apparatus with improved heat transfer member | |
| RU2081355C1 (en) | Method of separation of media at different density fields and at different masses of components and vortex device for realization of this method |