RU2160421C1 - Heat exchanging apparatus - Google Patents

Abstract

FIELD: tubular heat exchanging apparatuses for heating residence buildings, heating gas agents, in different type furnaces including baking ones. SUBSTANCE: heat exchanging apparatus includes fire box, burner and gas duct system having mutually communicating, hollow parallel heat exchange tubes arranged by several horizontal rows placed in different levels. In cavity of each tube along its lengthwise axis and with gap relative to its wall turbulence inserts are mounted with equal pitch whose value is no more than two diameters of tube. The last insert is spaced by pitch value from tube outlet. Turbulence inserts are in the form of discs; relation of diameter of each heat exchanging tube to disc diameter is in range 1.5-2.5. Discs are arranged in cavity of each tube on rigidly fixed rod passing along tube axis. EFFECT: increased factor of heat transfer due to intensified heat radiation from combustion products to heated medium, reduced energy consumption of apparatus. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к объектам техники теплопередачи, в частности к конструкциям трубчатых теплообменных аппаратов, и может быть использовано для нагрева газового агента, воздуха в помещениях или в печах различного назначения, в том числе и в хлебопекарных. The invention relates to objects of heat transfer technology, in particular to designs of tubular heat exchangers, and can be used to heat a gas agent, air in rooms or in ovens for various purposes, including in bakeries.

Известен теплообменный аппарат, содержащий привод с валом, корпус, подводящий и отводящий коллекторы, теплообменные трубы, в полости которых размещены турбулизирующие вставки в виде спиральных завихрителей, установленные с возможностью перемещения относительно стенок трубы, а также размещенные в полости подводящего коллектора гибкие элементы; в полости подводящего коллектора установлена плита с отверстиями под гибкие элементы, на валу привода соосно с последним закреплена цилиндрическая обойма, торец которой установлен с зазором относительно плиты, к поверхности обоймы примыкают ролики, установленные с возможностью вращения относительно своей оси, турбулизирующие элементы выполнены в виде спиральных завихрителей, причем гибкие элементы закреплены одними концами к роликам, другим к упомянутым завихрителям (А. С. СССР N 1815593, МПК: F 28 F 13/12, Д.А. Серков, И.В. Романов и др. , КБ "САЛЮТ" НПО экспериментального машиностроения, 3 N 4914277/06 от 25.02.91, опубл. 15.05.93, Бюл. N 18). Known heat exchanger containing a drive with a shaft, a housing, inlet and outlet manifolds, heat transfer tubes, in the cavity of which there are turbulent inserts in the form of spiral swirlers, installed with the possibility of movement relative to the pipe walls, as well as flexible elements placed in the cavity of the inlet manifold; a plate with holes for flexible elements is installed in the cavity of the inlet collector, a cylindrical cage is fixed coaxially with the latter on the drive shaft, the end of which is installed with a gap relative to the plate, rollers mounted for rotation about its axis are adjacent to the surface of the cage, turbulent elements are made in the form of spiral swirlers, the flexible elements being fixed at one end to the rollers and the other to said swirlers (A. S. USSR N 1815593, IPC: F 28 F 13/12, D. A. Serkov, I. V. Romanov et al., Design Bureau " FIREWORK" Scientific and Research Institute of Experimental Engineering, 3 N 4914277/06 of 02.25.91, publ. 05.15.93, Bull. N 18).

Недостатками данного теплообменного аппарата являются сложность конструкции, низкая надежность в работе, большие габариты, низкий коэффициент теплопередачи. The disadvantages of this heat exchanger are the design complexity, low reliability, large dimensions, low heat transfer coefficient.

Известна хлебопекарная печь, имеющая туннельную пекарную камеру, обогревательные каналы, сетчатый конвейерный под с верхней рабочей ветвью, приводную станцию и систему рециркуляционного газового обогрева камеры, в которой обогревательный канал каждой тепловой зоны имеет несколько участков, при этом начальный по ходу греющих газов участок канала выполнен гладким, а следующие два участка снабжены турбулизирующими вставками, установленными с переменным шагом перпендикулярно потоку газа, причем турбулизирующие вставки среднего канала установлены непосредственно на его рабочей поверхности, а вставки последнего по ходу движения участка обогревательного канала - на расстоянии от его рабочей поверхности, причем турбулизирующие вставки среднего участка обогревательного канала представляют собой прерыватели ламинарного слоя, а вставки последнего участки выполнены в виде тел плохо обтекаемой формы (А.С. СССР N 351518, МПК: A 21 B 1/43, А.А. Корчинский, А.А. Михелев и др. "Хлебопекарная печь" 3. N 229364 от 19.11.70, опубл. 21.09.72, Бюл. N 28). A known bakery oven having a tunnel baking chamber, heating channels, a conveyor belt underneath with an upper working branch, a drive station and a recirculation gas heating system of the chamber, in which the heating channel of each thermal zone has several sections, while the channel section starting along the heating gases is made smooth, and the next two sections are equipped with turbulizing inserts installed with a variable pitch perpendicular to the gas flow, and the turbulizing inserts of the middle channel are installed directly on its working surface, and the inserts of the last section of the heating channel in the direction of travel are located at a distance from its working surface, and the turbulent inserts of the middle section of the heating channel are breakers of the laminar layer, and the inserts of the latter sections are made in the form of bodies of poorly streamlined shape (A .S. USSR N 351518, IPC: A 21 B 1/43, A. A. Korchinsky, A. A. Mikhelev and others. “Bakery oven” 3. N 229364 from 11.19.70, publ. 09/21/72, Bull. N 28).

Недостатками данного устройства является небольшая скорость нагрева из-за низкого коэффициента теплопередачи продуктов сгорания к среде пекарной камеры. The disadvantages of this device is the low heating rate due to the low coefficient of heat transfer of combustion products to the environment of the baking chamber.

Наиболее близким по количеству существенных признаков и по технической сущности к заявленному изобретению является теплообменное устройство, используемое в хлебопекарной печи, содержащее топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте (П.М. РФ N 7278, МПК: A 21 B 1/08, "Хлебопекарная печь", Бакурский В. С. , Ульянин С.Г., Комиссаров С.П., ЗАО НПП фирма "Восход", 3. N 97116571 от 07.10.97, опубл. 16.08.98, Бюл. N 8). The closest in number of essential features and in technical essence to the claimed invention is a heat exchanger used in a baking oven, containing a furnace, burner and gas duct system consisting of interconnected parallel hollow heat exchanger pipes installed by several horizontal interconnecting rows located in height (P. M. RF N 7278, IPC: A 21 B 1/08, “Bakery oven”, Bakursky V. S., Ulyanin S. G., Komissarov S. P., ZAO NPP firm “Voskhod”, 3. N 97116571 from 10/07/97, publ. 16.08.98, Bull. N 8).

Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания в нагреваемой среде, в данном случае к среде пекарной камеры, и высокая энергоемкость. The disadvantages of this device are the low heat transfer coefficient from the products of combustion in a heated medium, in this case, to the environment of the baking chamber, and high energy intensity.

Технический результат, получаемый при реализации данного изобретения, заключается в увеличении коэффициента теплопередачи за счет интенсификации процесса теплопередачи от продуктов сгорания к нагреваемой среде, а также в снижении энергоемкости устройства. The technical result obtained by the implementation of this invention is to increase the heat transfer coefficient due to the intensification of the heat transfer process from the combustion products to the heated medium, as well as to reduce the energy consumption of the device.

Этот технический результат достигается тем, что в теплообменном устройстве, содержащем топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте, в полости каждой теплообменной трубы по ее продольной оси и с зазором относительно ее стенки установлены турбулизирующие вставки с равным шагом, величина которого не более двух ее диаметров, а последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее, причем турбулизирующие вставки выполнены в виде дисков, отношение диаметра каждой теплообменной трубы к диаметру диска колеблется от 1,5 до 2,5, и установлены диски в полости каждой теплообменной трубы на жестко закрепленном стержне, проходящем по ее оси. This technical result is achieved in that in a heat exchanger device comprising a furnace, burner and a gas duct system consisting of interconnected parallel hollow heat exchanger pipes installed by several horizontal interconnecting rows located in height, in the cavity of each heat exchanger pipe along its longitudinal axis and with a gap relative to turbulent inserts are installed on its walls with equal pitch, the value of which is no more than two of its diameters, and the last insert is located at a step distance from the exit from it, p When in use, the turbulence inserts are made in the form of discs, the ratio of the diameter of each heat transfer tube to the diameter of the disc ranges from 1.5 to 2.5, and wheels mounted in the cavity of each heat transfer tube is rigidly secured to the rod passing through its axis.

Установка в полости теплообменной трубы турбулизирующих вставок вдоль ее оси и с зазором относительно ее стенки переводит движение потока продуктов сгорания из ламинарного режима в турбулентный и обеспечивает лучшее перемешивание продуктов сгорания по всему объему потока. The installation of turbulizing inserts in the cavity of the heat exchange pipe along its axis and with a gap relative to its wall transfers the movement of the flow of combustion products from the laminar mode to turbulent and provides better mixing of the combustion products throughout the volume of the stream.

В результате разрушения пограничного слоя и перемешивания всего потока продуктов сгорания возрастает коэффициент теплопередачи, то есть возрастает интенсивность теплообмена в целом, вследствие чего требуется меньше сжигаемого топлива при поддержании тех же выходных параметров, то есть снижается энергоемкость устройства. As a result of the destruction of the boundary layer and mixing of the entire flow of combustion products, the heat transfer coefficient increases, that is, the heat transfer rate increases as a whole, as a result of which less combustible fuel is required while maintaining the same output parameters, that is, the energy consumption of the device is reduced.

Интенсивность перемешивания зависит от величины шага расположения турбулизирующих вставок внутри трубы, величины зазора между вставками и трубой, а также от геометрии турбулизирующих вставок. The intensity of mixing depends on the size of the pitch of the arrangement of the turbulent inserts inside the pipe, the size of the gap between the inserts and the pipe, and also on the geometry of the turbulent inserts.

Расстояние между турбулизирующими вставками выбрано из соображений наибольшей интенсификации теплообмена по всей длине турбулентного шлейфа. The distance between the turbulent inserts is selected for reasons of the greatest intensification of heat transfer along the entire length of the turbulent plume.

В результате расположения турбулизирующих вставок с равным шагом поддерживается относительно равномерная турбулентность продуктов сгорания. Опытным путем было выявлено, что турбулентный шлейф газового потока после каждой вставки сохраняется по длине трубы не более двух ее диаметров. При большем шаге его турбулентность существенно снижается. As a result of the arrangement of turbulizing inserts with equal pitch, relatively uniform turbulence of the combustion products is maintained. Empirically, it was found that the turbulent plume of the gas stream after each insert is preserved along the length of the pipe no more than two of its diameters. With a larger step, its turbulence is significantly reduced.

Для сохранения турбулентности до выхода из каждой трубы последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее. To maintain turbulence until the exit from each pipe, the last insert is located at a step distance from the exit from it.

Выполнение турбулизирующих вставок в виде дисков технологически просто, дает возможность равномерно турбулизировать поток по всему внутреннему периметру трубы при коаксиальности их расположения внутри ее. The implementation of turbulent inserts in the form of disks is technologically simple, makes it possible to uniformly turbulence the flow around the entire inner perimeter of the pipe with the coaxiality of their location inside it.

Использование турбулизирующих вставок в виде дисков - частный случай применения одной из многих возможных геометрических форм данного элемента конструкции. Диски могут быть различной конфигурации, с прорезями, с канавками, выемками и т.д. The use of turbulizing inserts in the form of disks is a special case of using one of the many possible geometric shapes of this structural element. Disks can be of various configurations, with slots, with grooves, recesses, etc.

Турбулизирующие вставки вообще могут принимать совершенно другие формы: овалы, треугольники, прямоугольники, а также иметь более сложные комбинированные поверхности. Turbulent inserts in general can take completely different forms: ovals, triangles, rectangles, and also have more complex combined surfaces.

Величина зазора между дисками и трубой колеблется в пределах отношений диаметра каждой теплообменной трубы к диаметру диска от 1,5 до 2,5. The gap between the disks and the pipe varies within the ratio of the diameter of each heat transfer pipe to the diameter of the disk from 1.5 to 2.5.

Минимальная величина зазора выбрана из условий максимально допустимого сопротивления движения продуктов сгорания внутри трубы для конкретной конструкции теплообменного устройства. При меньшей величина зазора значительно возрастает сопротивление прохождению продуктов сгорания через теплообменные трубы. The minimum gap value is selected from the conditions of the maximum allowable resistance to the movement of combustion products inside the pipe for a particular design of the heat exchange device. With a smaller value of the gap, the resistance to the passage of combustion products through heat transfer pipes increases significantly.

Максимальная величина зазора ограничивается возможностью получения турбулентного режима движения в пограничном с трубой слое потока продуктов сгорания и снижения интенсивности перемешивания всего потока. The maximum gap is limited by the possibility of obtaining a turbulent mode of motion in the boundary layer of the product stream of combustion products and reducing the intensity of mixing of the entire stream.

Установка турбулизирующих вставок в полости каждой теплообменной трубы на жестко закрепленном стержне, проходящем по ее оси, исключает дополнительные крепежные детали, технологично и конструктивно просто. The installation of turbulizing inserts in the cavity of each heat exchanger pipe on a rigidly fixed rod passing along its axis eliminates additional fasteners, which is technologically and structurally simple.

На фиг. 1 изображено теплообменное устройство, общий вид, продольный разрез. На фиг. 2 - сечение А-А. In FIG. 1 shows a heat exchange device, a general view, a longitudinal section. In FIG. 2 - section aa.

Теплообменное устройство состоит из топки 1, горелки 2, системы газоходов, состоящей из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб 3, в полости каждой из которых установлены турбулизирующие вставки 4 в виде дисков с зазором 5 относительно ее стенки, с равным шагом 6 и на жестко закрепленном стрежне 7, проходящем по ее оси. The heat exchange device consists of a furnace 1, a burner 2, a gas duct system consisting of communicating parallel hollow heat exchange tubes 3, in the cavity of each of which turbulent inserts 4 are installed in the form of disks with a gap 5 relative to its wall, with an equal pitch of 6 and on a rigidly fixed rod 7, passing along its axis.

Теплообменное устройство работает следующим образом. The heat exchange device operates as follows.

Продукты сгорания, получаемые при сжигании топлива в топке 1, горелкой 2 попадают в нижний ряд сообщающихся параллельных полых теплообменных труб 3. The combustion products obtained by burning fuel in the furnace 1, burner 2 fall into the lower row of communicating parallel hollow heat transfer pipes 3.

Достигая первой турбулизирующей вставки 4, поток продуктов сгорания испытывает дополнительное сопротивление и, проходя через зазор 5, теряет свою ламинарную структуру, сначала в периферийной зоне происходит разрушение и турбулизация пограничного слоя на внутренней поверхности теплообменной трубы 3, затем весь поток продуктов сгорания завихряется и перемешивается. Reaching the first turbulent insert 4, the flow of combustion products experiences additional resistance and, passing through the gap 5, loses its laminar structure, first, in the peripheral zone, the boundary layer is destroyed and turbulized on the inner surface of the heat exchanger pipe 3, then the entire flow of combustion products swirls and mixes.

В результате этого возрастает теплоотдача от продуктов сгорания к стене трубы 3 и, как следствие, интенсификация теплообмена, коэффициент теплопередачи установки, а также снижается ее энергоемкость. As a result of this, the heat transfer from the combustion products to the pipe wall 3 increases and, as a result, the heat transfer is intensified, the heat transfer coefficient of the installation, and its energy intensity is reduced.

Эта турбулентность потока сохраняется на расстоянии от одной вставки 4 к другой вставке 4 не более двух диаметров трубы 3. Это расстояние выбрано из условия обеспечения максимального эффекта от турбулентного шлейфа. This flow turbulence is maintained at a distance from one insert 4 to another insert 4 of not more than two pipe diameters 3. This distance is selected from the condition of maximizing the effect of the turbulent plume.

Затем на пути потока нагретых газов с шагом 6 поочередно встречаются следующие, установленные на жестко закрепленном стержне 7 турбулизирующие вставки 4, обеспечивая относительно постоянную турбулентность и интенсификацию теплообмена между продуктами сгорания и стенкой трубы 3. Then, in the path of the heated gas stream in step 6, the following turbulent inserts 4 are mounted on a rigidly fixed rod 7, providing relatively constant turbulence and intensification of heat exchange between the combustion products and the pipe wall 3.

Таким образом продукты сгорания переходят по рядам полых сообщающихся труб, претерпевая сначала изменение ламинарного режима движения на турбулентный режим и сохраняя его затем на протяжении всего движения по трубам, интенсивно отдают свое тепло стенкам труб и затем нагреваемой среде. Пройдя всю систему газоходов, отработанный поток продуктов сгорания выходит из теплообменного устройства. Thus, the combustion products pass through the rows of hollow interconnected pipes, first undergoing a change in the laminar mode of motion to a turbulent mode and then retaining it throughout the entire movement through the pipes, they intensively give their heat to the walls of the pipes and then to the heated medium. Having passed the entire system of gas flues, the exhaust stream of combustion products leaves the heat exchange device.

Таким образом, изобретение позволяет достичь увеличения коэффициента теплопередачи за счет интенсификации теплообмена и снижения энергоемкости теплообменного устройства. Thus, the invention allows to achieve an increase in the heat transfer coefficient due to the intensification of heat transfer and reduce the energy intensity of the heat exchange device.

Используя данное теплообменное устройство, удается время разогрева, например, хлебопекарной печи снизить на 10%. Using this heat exchanger, it is possible to reduce the heating time of, for example, a baking oven by 10%.

Claims (4)

1. Теплообменное устройство, содержащее топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте, отличающееся тем, что в полости каждой теплообменной трубы по ее продольной оси и с зазором относительно ее стенки установлены турбулизирующие вставки с равным шагом, величина которого не более двух ее диаметров, а последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее. 1. A heat exchange device comprising a firebox, a burner and a gas duct system consisting of interconnected parallel hollow heat exchanger pipes installed by several horizontal interconnecting rows arranged in height, characterized in that in the cavity of each heat exchanger pipe along its longitudinal axis and with a gap relative to its wall turbulizing inserts are installed with equal pitch, the value of which is no more than two of its diameters, and the last insert is located at a step distance from the exit from it. 2. Теплообменное устройство по п.1, отличающееся тем, что турбулизирующие вставки выполнены в виде дисков. 2. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the turbulent insert is made in the form of disks. 3. Теплообменное устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что отношение диаметра каждой теплообменной трубы к диаметру диска колеблется от 1,5 до 2,5. 3. The heat exchange device according to claims 1 and 2, characterized in that the ratio of the diameter of each heat transfer pipe to the diameter of the disk varies from 1.5 to 2.5. 4. Теплообменное устройство по п.1, отличающееся тем, что турбулизирующие вставки установлены в полости каждой теплообменной трубы на жестко закрепленном стержне, проходящем по ее оси. 4. The heat exchange device according to claim 1, characterized in that the turbulizing inserts are installed in the cavity of each heat exchange pipe on a rigidly fixed rod passing along its axis.

Images