RU2476803C2 - Device of indirect heat exchange and heat exchange method - Google Patents
Device of indirect heat exchange and heat exchange method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2476803C2 RU2476803C2 RU2009146022/06A RU2009146022A RU2476803C2 RU 2476803 C2 RU2476803 C2 RU 2476803C2 RU 2009146022/06 A RU2009146022/06 A RU 2009146022/06A RU 2009146022 A RU2009146022 A RU 2009146022A RU 2476803 C2 RU2476803 C2 RU 2476803C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tubes
- heat exchanger
- fluid
- tube
- flow
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
- F28F1/34—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely
- F28F1/36—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely the means being helically wound fins or wire spirals
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
- F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
- F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
- F28B1/06—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser using air or other gas as the cooling medium
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к устройству косвенного теплообмена, которое содержит оребренные трубки теплообменника, и относится к способу теплообмена между первой и второй текучими средами.The present invention relates to an indirect heat exchange device that comprises finned tubes of a heat exchanger, and relates to a method of heat exchange between a first and second fluid.
Уровень техникиState of the art
Оребренные трубки теплообменника могут быть использованы в устройствах косвенного теплообмена, в которых первая текучая среда, проходящая внутри оребренных трубок, может обмениваться теплом со второй текучей средой, расположенной снаружи трубок.The fin tubes of the heat exchanger can be used in indirect heat exchange devices in which the first fluid passing inside the fin tubes can exchange heat with a second fluid located outside the tubes.
По многим причинам центр тяжести поперечного сечения контура ребер трубок теплообменника иногда не совпадает с осью трубки. В документе DE-A-1451143 описано устройство косвенного теплообмена, в котором ребра внешних трубок теплообменника содержат приспособления, предназначенные для затенения этих внешних ребер от солнца или других источников тепла. В документе GB-A-281289 описаны оребренные трубки теплообменника, расположение ребер которых смещено относительно центра трубки, при этом трубки расположены слоями, в которых трубки смещены противоположным образом, что принуждает газы проходить по синусоидальному пути и, таким образом, увеличивает эффективность устройства. В документе US-A-4002198 описан десублиматор, предназначенный для изолирования сублимированных продуктов и содержащий оребренные трубки, на которые изнутри по очереди воздействуют нагревающая среда и хладагент, поперечные ребра указанных трубок расположены рядами, смещенными вбок в шахматном порядке в противоположных направлениях на величину, соответствующую целому расстоянию между краями соседних ребер, что сделано для того, чтобы обеспечить дополнительные завихряющие поверхности, вызывающие большие перепады давления. В документе US-A-4440216 описаны укороченные ребра, расположенные сверху трубки теплообменника для того, чтобы жидкость была распределена по трубкам более равномерно. Ребра трубок теплообменника с жидкостью имеют сравнительно малую площадь поверхности, то есть отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки составляет, по существу, менее 5.For many reasons, the center of gravity of the cross section of the contour of the edges of the tubes of the heat exchanger sometimes does not coincide with the axis of the tube. DE-A-1451143 describes an indirect heat exchange device in which the ribs of the outer tubes of a heat exchanger comprise devices designed to obscure these outer ribs from the sun or other heat sources. GB-A-281289 describes finned heat exchanger tubes whose ribs are offset from the center of the tube, the tubes being arranged in layers in which the tubes are displaced in the opposite way, which forces the gases to pass along a sinusoidal path and thus increases the efficiency of the device. US-A-4002198 describes a desublimator for isolating freeze-dried products and containing finned tubes that are affected by a heating medium and refrigerant from the inside, the transverse ribs of these tubes are arranged in rows staggered sideways in staggered order in opposite directions by an amount corresponding to the whole distance between the edges of adjacent ribs, which is done in order to provide additional swirling surfaces, causing large pressure drops. US-A-4,440,216 describes short ribs located on top of a heat exchanger tube so that the liquid is more evenly distributed throughout the tubes. The ribs of the tubes of the heat exchanger with the liquid have a relatively small surface area, that is, the ratio of the surface area of the ribs to the surface area of the tube is essentially less than 5.
Оребренные трубки теплообменника могут, в частности, использоваться в теплообменных устройствах с воздушным охлаждением, в котором текучей средой, расположенной снаружи трубок, является воздух.The fin tubes of the heat exchanger can in particular be used in air-cooled heat exchangers in which the fluid outside the tubes is air.
Теплообменники с воздушным охлаждением также можно называть устройствами воздушного охлаждения. Устройства воздушного охлаждения описаны в руководстве Perry's Chemical Engineers' handbook, 7-е издание, 1997, страницы с 11-47 по 11-52. Устройства воздушного охлаждения используются, например, в процессах нефтепереработки, нефтехимических и химических процессах для охлаждения или конденсации рабочих текучих сред внутри трубки с помощью воздуха, находящегося снаружи трубки. Обычно устройства воздушного охлаждения содержат пучок оребренных трубок, и вентилятор, который перемещает воздух поперек трубок.Air-cooled heat exchangers can also be called air-cooled devices. Air coolers are described in the Perry's Chemical Engineers' handbook, 7th edition, 1997, pages 11-47 to 11-52. Air cooling devices are used, for example, in oil refining, petrochemical and chemical processes for cooling or condensing working fluids inside a tube using air outside the tube. Typically, air cooling devices comprise a bundle of finned tubes and a fan that moves air across the tubes.
В теплообменниках с воздушным охлаждением теплопередача от текучей среды, расположенной в трубке, к самой трубке обычно гораздо более эффективна по сравнению с теплопередачей между текучей средой, расположенной снаружи трубки (воздух), к самой трубке. Эффективность теплопередачи может быть выражена, например, так называемым пленочным коэффициентом теплопередачи, определенным в руководстве Perry's, страницы от 5-12 до 5-19. Чтобы компенсировать разницу пленочных коэффициентов теплопередачи, с помощью ребер увеличивают площадь внешней поверхности трубки теплообменника, так что произведение пленочного коэффициента теплопередачи и площади поверхности внутри и снаружи трубки теплообменника являются величинами одного порядка.In air-cooled heat exchangers, the heat transfer from the fluid located in the tube to the tube itself is usually much more efficient than the heat transfer between the fluid located outside the tube (air) to the tube itself. Heat transfer efficiency can be expressed, for example, by the so-called film heat transfer coefficient defined in Perry's manual, pages 5-12 to 5-19. To compensate for the difference in the film heat transfer coefficients, the edges of the outer surface of the heat exchanger tube are increased with the help of the ribs, so that the product of the film heat transfer coefficient and the surface area inside and outside the heat exchanger tube are of the same order of magnitude.
Следующее равенство описывает теплопередачу, происходящую благодаря свободной конвекции:The following equation describes the heat transfer due to free convection:
dQ/dt=hА(Тw-T∞).dQ / dt = hА (Т w -T ∞ ).
Отношение dQ/dt теплоты Q (также называемое мощностью), переданной окружающей текучей среде, пропорционально открытой площади А объекта и разнице между температурой Tw объекта и температурой T∞ свободного потока текучей среды. Коэффициент h пропорциональности представляет собой коэффициент конвективной теплопередачи, также называемый пленочным коэффициентом теплопередачи [единица измерения - W/(m2·К)].The ratio dQ / dt of the heat Q (also called power) transferred to the surrounding fluid is proportional to the open area A of the object and the difference between the temperature T w of the object and the temperature T ∞ of the free flow of the fluid. The proportionality coefficient h is the convective heat transfer coefficient, also called the film heat transfer coefficient [unit - W / (m 2 · K)].
Поток текучей среды снаружи трубки обычно вызван работой вентилятора. Чем выше скорость воздуха, тем больше коэффициент теплопередачи и тем больше мощность. Тем не менее, скорость воздуха часто ограничена, например, максимальным уровнем шума вентилятора, например, 80 децибел в среднем. Для конкретного вентилятора, вращающегося на определенной скорости, скорость воздуха поперек пучка оребренных трубок определяется статическим перепадом давления (сопротивлением) пучка. Если перепад давления (сопротивление) мал, то может быть достигнута большая скорость воздуха.The flow of fluid outside the tube is usually caused by fan operation. The higher the air velocity, the greater the heat transfer coefficient and the greater the power. However, air speed is often limited, for example, by the maximum fan noise level, for example, 80 decibels on average. For a particular fan rotating at a certain speed, the air velocity across the bundle of finned tubes is determined by the static differential pressure (resistance) of the bundle. If the pressure drop (resistance) is small, then a large air velocity can be achieved.
Оребренные трубки также используются в нагревателях или печах, например в печах прямого нагрева, для улучшения теплопередачи от нагревающей текучей среды, окружающей трубки, к текучей среде, расположенной внутри трубок. Было замечено, что коксование текучей среды, расположенной внутри трубок теплообменника, происходит преимущественно с расположенной выше по направлению движения потока стороны текучей среды, находящейся снаружи трубок, например, в нагревателях сырой нефти, поступающей в блок дистилляции сырой нефти. Обычно нагревающей текучей средой являются продукты сгорания, полученные от сгорания топлива и перемещающиеся в нагревателе вверх.Finned tubes are also used in heaters or furnaces, such as direct heating furnaces, to improve heat transfer from the heating fluid surrounding the tube to the fluid located inside the tubes. It has been observed that coking of the fluid located inside the heat exchanger tubes occurs predominantly from the upstream side of the fluid located outside the tubes, for example, in crude oil heaters entering the crude oil distillation unit. Typically, heating fluid is combustion products obtained from the combustion of fuel and moving upward in the heater.
Желательно увеличить эффективность теплопередачи теплообменных устройств, которые содержат оребренные трубки теплообменника.It is desirable to increase the heat transfer efficiency of heat exchangers that comprise finned heat exchanger tubes.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Таким образом, предложено устройство косвенного теплообмена, содержащее трубки теплообменника, расположенные, по меньшей мере, в два слоя, при этом каждый из этих слоев содержит, по меньшей мере, две трубки теплообменника, указанные трубки теплообменника являются оребренными с эксцентриситетом трубками, и отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки равно, по меньшей мере, 5, в указанном устройстве трубки теплообменника имеют одинаковый эксцентриситет ребер.Thus, an indirect heat exchange device is proposed, comprising heat exchanger tubes arranged in at least two layers, each of these layers containing at least two heat exchanger tubes, said heat exchanger tubes are finned with eccentricity tubes, and the area ratio the surface of the ribs to the surface area of the tube is at least 5, in the specified device, the tubes of the heat exchanger have the same eccentricity of the ribs.
Оребренные трубки теплообменника имеют ось и снабжены ребрами, указанные ребра определяют контур, поперечное сечение этого контура ребер имеет центр тяжести. В теплообменниках с расположенными с эсцентриситетом ребрами центр тяжести поперечного сечения ребер трубки теплообменника расположен на расстоянии от оси трубки.The fin tubes of the heat exchanger have an axis and are equipped with ribs, these ribs define a contour, the cross section of this contour of the ribs has a center of gravity. In heat exchangers with ribs located with eccentricity, the center of gravity of the cross section of the ribs of the heat exchanger tube is located at a distance from the tube axis.
Центр тяжести площади, такой как поперечное сечение ребер, совпадает с центром масс тела. Вычисление центра тяжести основано на геометрической форме площади. Декартовы координаты Сх, Су геометрического центра тяжести могут быть определены, например, интегрированием по площади A, Cx=∫xdA/A, Cy=∫уdA/A, A=∫dA.The center of gravity of the area, such as the cross section of the ribs, coincides with the center of mass of the body. The calculation of the center of gravity is based on the geometric shape of the area. Cartesian coordinates C x , C at the geometric center of gravity can be determined, for example, by integration over the area A, C x = ∫xdA / A, C y = ∫уdA / A, A = ∫dA.
Ось трубки представляет собой продольную ось внутренней части трубки.The axis of the tube is the longitudinal axis of the inside of the tube.
Эксцентриситет определяют как расстояние, с учетом его величины и направления, между осью трубки и центром тяжести поперечного сечения ребер трубки, расположенной в устройстве. Оребренные с одинаковым эксцентриситетом трубки теплообменника представляют собой оребренные с эксцентриситетом трубки, эксцентриситет которых одинаков как по величине, так и по направлению, для мест расположения трубок в теплообменном устройстве. Влияние места расположения в устройстве на смещение трубки ясно из фиг.1, 3 и 4 документа GB-A-281289, где эксцентриситет соседних слоев противоположен с точки зрения направления из-за различного положения трубок в соседних слоях.Eccentricity is defined as the distance, taking into account its size and direction, between the axis of the tube and the center of gravity of the cross section of the ribs of the tube located in the device. Finned tubes with the same eccentricity of the heat exchanger tube are finned tubes with an eccentricity, the eccentricity of which is the same both in magnitude and direction, for the locations of the tubes in the heat exchanger. The effect of the location in the device on the tube displacement is clear from FIGS. 1, 3 and 4 of GB-A-281289, where the eccentricity of the adjacent layers is opposite in terms of direction due to the different position of the tubes in the adjacent layers.
В устройстве косвенного теплообмена, которое соответствует настоящему изобретению, большая часть трубок, предпочтительно все трубки, из множества оребренных трубок теплообменного устройства имеют одинаковый эксцентриситет. Предпочтительно, чтобы оребренные трубки теплообменного устройства, которое соответствует настоящему изобретению, имели одинаковый эксцентриситет как с точки зрения величины, так и направления.In the indirect heat exchange apparatus of the present invention, most of the tubes, preferably all of the plurality of finned tubes of the heat exchanger, have the same eccentricity. Preferably, the finned tubes of the heat exchanger device of the present invention have the same eccentricity in terms of both magnitude and direction.
Предпочтительно, чтобы направление эксцентриситета ребер трубок теплообменного устройства было параллельно, то есть направление или совпадало, или было противоположным направлению обычного течения текучей среды снаружи трубок.Preferably, the direction of eccentricity of the edges of the tubes of the heat exchanger device is parallel, that is, the direction either coincided, or was opposite to the direction of the usual flow of fluid outside the tubes.
Существенная часть статического перепада давлений, вызванного оребренной трубкой теплообменника, имеет своей причиной ребра. Было замечено, что эффективность оребрения для теплопередачи выше для расположенной выше по направлению потока стороны трубки, а не для расположенной ниже по направлению потока стороны трубки. В описании и формуле изобретения расположенная выше по направлению потока сторона (также называемая стороной, направленной к потоку) является стороной, у которой поток текучей среды снаружи трубок направлен к оребренным трубкам, а у расположенной ниже по направлению потока стороны (также называемой стороной, направленной от потока) поток текучей среды снаружи трубок направлен от трубок.A significant part of the static differential pressure caused by the finned heat exchanger tube has fins as its cause. It has been observed that finning efficiency for heat transfer is higher for the upstream side of the tube, and not for the downstream side of the tube. In the description and the claims, the upstream side (also called the upstream side) is the side where the fluid flow outside the tubes is directed towards the finned tubes, and the downstream side (also called the upstream side) flow) The fluid flow outside the tubes is directed away from the tubes.
Различную эффективность для обычных концентрических круглых ребер можно обнаружить следующим образом: температура концов таких ребер меньше на стороне, расположенной выше по направлению потока, а не на стороне, расположенной ниже по направлению потока. Различие в температуре конца ребра и текучей средой, окружающей конец ребра, здесь и далее называемое разностью температур, также больше для ребер, находящихся на стороне, расположенной выше по направлению потока, для таких обычных трубок теплообменника. По этой причине целесообразно оребрение расположить эксцентрично на трубках или, другими словами, использовать неконцентрические ребра. Ясно, что различие в эффективности более резко выражено для трубок теплообменника со сравнительно большой площадью поверхности, то есть когда отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки составляет более 5, точнее равно, по меньшей мере, 6, точнее равно, по меньшей мере, 7, точнее равно, по меньшей мере, 8, точнее равно, по меньшей мере, 9, и наиболее точно равно, по меньшей мере, 10. Особенно предпочтительно, чтобы устройства косвенного теплообмена, соответствующие настоящему изобретению, содержали трубки теплообменника с такой большой площадью поверхности. Предпочтительно, чтобы отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки составляло самое большее 25. Площадь поверхности ребер представляет собой площадь поверхности ребер, которая контактирует с текучей средой снаружи трубки, а площадь поверхности трубки представляет собой площадь поверхности трубки, которая контактирует с текучей средой внутри трубки.Different efficiencies for conventional concentric round ribs can be found as follows: the temperature of the ends of such ribs is lower on the side located higher in the direction of flow, and not on the side lower in the direction of flow. The difference in temperature of the end of the fin and the fluid surrounding the end of the fin, hereinafter referred to as the temperature difference, is also greater for the fins located on the side located upstream in such conventional heat exchanger tubes. For this reason, it is advisable to position the fins eccentrically on the tubes or, in other words, use non-concentric ribs. It is clear that the difference in efficiency is more pronounced for heat exchanger tubes with a relatively large surface area, that is, when the ratio of the surface area of the ribs to the surface area of the tube is more than 5, more precisely equal to at least 6, more precisely equal to at least 7 more precisely equal to at least 8, more precisely equal to at least 9, and most precisely equal to at least 10. It is particularly preferred that the indirect heat exchangers of the present invention comprise heat exchanger tubes with oh large surface area. Preferably, the ratio of the surface area of the ribs to the surface area of the tube is at most 25. The surface area of the ribs is the surface area of the ribs that is in contact with the fluid outside the tube, and the surface area of the ribs is the surface area of the tube that is in contact with the fluid inside the tube .
Особым явлением, имеющим место при теплопередаче с помощью оребренных трубок, являются круговороты, то есть завихрения, образующиеся в текучей среде у стороны, расположенной ниже по направлению потока, указанное явление препятствует эффективной теплопередаче. Это явление также минимизируется в случае, когда большая часть площади поверхности ребра расположена у стороны, расположенной выше по направлению потока. Благодаря надлежащей конструкции для конкретной области применения, можно добиться ситуации, когда разности температур выше по направлению потока и ниже по направлению потока у концов ребер трубок теплообменника, по существу, будут равны.A special phenomenon that occurs during heat transfer using finned tubes is the cycles, that is, turbulences generated in the fluid at the side located lower in the direction of flow, this phenomenon prevents effective heat transfer. This phenomenon is also minimized when a large part of the surface area of the rib is located on the side located upstream. Due to the appropriate design for a specific application, it is possible to achieve a situation where the temperature differences are higher in the direction of flow and lower in the direction of flow at the ends of the edges of the tubes of the heat exchanger, essentially equal.
Форма ребра может быть любой подходящей, например круглой, эллиптической, овальной, многоугольной или яйцеобразной (то есть приблизительно овальной с несколько различающимися радиусами на концах; целесообразно, чтобы больший радиус находился на стороне, расположенной ниже по направлению потока). Хорошие результаты получаются при эллиптической форме.The shape of the rib can be any suitable, for example, round, elliptical, oval, polygonal or egg-shaped (i.e. approximately oval with slightly different radii at the ends; it is advisable that the larger radius is on the side downstream). Good results are obtained with an elliptical shape.
Благодаря оптимизации теплопередачи, для достижения той же мощности требуется меньшее оребрение. Более того, если использовано меньшее оребрение, уменьшится статический перепад давлений на пучке трубок, так что увеличится максимальная скорость воздуха при заданной мощности вентилятора, так что может быть увеличена общая мощность.By optimizing heat transfer, less finning is required to achieve the same power. Moreover, if less finning is used, the static pressure drop across the tube bundle will decrease, so that the maximum air speed at a given fan power will increase, so that the total power can be increased.
Устройство косвенного теплообмена, соответствующее настоящему изобретению, содержит, по меньшей мере, два слоя, предпочтительно, по меньшей мере, три слоя, более предпочтительно, по меньшей мере, 4 слоя трубок теплообменника. Предпочтительно, чтобы число слоев составляло самое большее 10, более предпочтительно самое большее 9. Далее каждый слой содержит, по меньшей мере, 2, более предпочтительно, по меньшей мере, 3, более предпочтительно, по меньшей мере, 4 трубки теплообменника. Число слоев и количество трубок представляют собой число расположенных трубок, независимо от того, соединены ли трубки между собой, например, с помощью колена.The indirect heat exchange device according to the present invention comprises at least two layers, preferably at least three layers, more preferably at least 4 layers of heat exchanger tubes. Preferably, the number of layers is at most 10, more preferably at most 9. Further, each layer contains at least 2, more preferably at least 3, more preferably at least 4 heat exchanger tubes. The number of layers and the number of tubes represent the number of tubes located, regardless of whether the tubes are connected to each other, for example, using a bend.
Предпочтительно, чтобы трубки теплообменника в соседних слоях были расположены в шахматном порядке друг относительно друга, при этом трубки в устройстве по-прежнему имеют одинаковый эксцентриситет ребер.Preferably, the heat exchanger tubes in adjacent layers are staggered relative to each other, while the tubes in the device still have the same eccentricity of the ribs.
Теплообменное устройство, соответствующее настоящему изобретению, может дополнительно содержать вентилятор, направление обдува или направление всасывания которого проходит поперек трубок теплообменника и определяет сторону трубок теплообменника, расположенную выше по направлению потока, при этом центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника находится выше по направлению потока относительно оси трубки.The heat exchanger device according to the present invention may further comprise a fan whose blowing direction or suction direction extends across the heat exchanger tubes and determines the side of the heat exchanger tubes located higher in the flow direction, the center of gravity of the cross section of the edges of the heat exchanger tubes being higher in the direction of flow relative to the axis tube.
Проблема неравномерного коксования в нагревателе также может быть решена с помощью теплообменного устройства, соответствующего настоящему изобретению. Согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника был расположен ниже по направлению потока по отношению к оси трубок относительно направления течения нагревающей текучей среды поперек теплообменного устройства (обычно верхняя сторона). Соответственно, согласно конкретному аспекту изобретения предложено устройство косвенного теплообмена, расположенное в нагревателе с направлением течения нагревающей текучей среды, которое проходит поперек теплообменного устройства и которое определяет сторону трубок теплообменного устройства, расположенную ниже по направлению потока, при этом центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника расположен ниже по направлению потока относительно оси трубок. Таким образом, достигается более равномерная теплопередача по периферии трубки, так что минимизируется разность температур у внутренней стенки между стороной, расположенной выше по направлению потока, и стороной, расположенной ниже по направлению потока. Это сдерживает большее коксование со стороны, расположенной выше по направлению потока, внутри трубок.The problem of uneven coking in the heater can also be solved using the heat exchange device of the present invention. According to the present invention, it is preferable that the center of gravity of the cross-section of the edges of the tubes of the heat exchanger be located lower in the direction of flow relative to the axis of the tubes relative to the direction of flow of the heating fluid across the heat exchanger (usually the upper side). Accordingly, according to a specific aspect of the invention, there is provided an indirect heat exchange device located in a heater with a flow direction of a heating fluid that extends across a heat exchanger device and which defines a side of the tubes of the heat exchanger located lower in the flow direction, with the center of gravity of the cross section of the edges of the heat exchanger tubes lower in the direction of flow relative to the axis of the tubes. Thus, a more uniform heat transfer is achieved along the periphery of the tube, so that the temperature difference at the inner wall between the side located higher in the direction of flow and the side located lower in the direction of flow is minimized. This inhibits greater coking from the side upstream in the tubes.
В описании и формуле изобретения выражение «центр тяжести поперечного сечения ребер трубок теплообменника расположен выше (ниже) по направлению течения относительно оси трубки» относится к положению центра тяжести в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через ось трубки, и перпендикулярной направлению течения текучей среды снаружи трубок, и при этом плоскость расположена более высоко (или более низко) по направлению потока по сравнению с плоскостью, проходящей через ось трубки, соответственно в целесообразных вариантах осуществления изобретения центр тяжести расположен выше (или ниже) по направлению потока вдоль направления течения текучей среды снаружи трубок относительно оси трубки.In the description and claims, the expression "the center of gravity of the cross section of the edges of the tubes of the heat exchanger is located above (below) in the direction of flow relative to the axis of the tube" refers to the position of the center of gravity in a plane parallel to the plane passing through the axis of the tube and perpendicular to the direction of flow of the fluid outside the tubes , and the plane is located higher (or lower) in the direction of flow compared with the plane passing through the axis of the tube, respectively, in appropriate embodiments According to the invention, the center of gravity is located above (or below) in the direction of flow along the direction of fluid flow outside the tubes relative to the axis of the tube.
В изобретении также предложено использовать устройство косвенного теплообмена, которое соответствует изобретению, для теплообмена между первой текучей средой, расположенной внутри трубок, и второй текучей средой, расположенной снаружи трубок. Соответственно, в изобретении предложен способ теплообмена между первой текучей средой и второй текучей средой, указанный способ включает в себя следующее:The invention also proposes to use an indirect heat exchange device, which corresponds to the invention, for heat exchange between a first fluid located inside the tubes and a second fluid located outside the tubes. Accordingly, the invention provides a heat exchange method between a first fluid and a second fluid, said method including the following:
- обеспечивают наличие устройства косвенного теплообмена, которое соответствует изобретению;- provide the availability of indirect heat transfer device, which corresponds to the invention;
- пропускают первую текучую среду по трубкам теплообменного устройства;- pass the first fluid through the tubes of the heat exchange device;
- пропускают вторую текучую среду вдоль направления течения поперек трубке теплообменника, при этом направление смещения трубок теплообменника параллельно направлению течения второй текучей среды.- pass the second fluid along the direction of the flow across the tube of the heat exchanger, while the direction of displacement of the tubes of the heat exchanger is parallel to the direction of flow of the second fluid.
Предпочтительно, чтобы разности температур выше по направлению потока и ниже по направлению потока, что определено выше и относится к потоку текучей среды снаружи трубок, на конце ребер трубок теплообменника, по существу, были равны при использовании для способа, который соответствует настоящему изобретению.It is preferable that the temperature differences are higher in the direction of flow and lower in the direction of flow, which is defined above and relates to the flow of fluid outside the tubes, at the end of the edges of the tubes of the heat exchanger, were essentially equal when used for the method that corresponds to the present invention.
Вторая текучая среда может быть газом, при желании в сочетании с ограниченным количеством жидкости. Предпочтительно, чтобы вторая текучая среда представляла собой только газ.The second fluid may be a gas, if desired in combination with a limited amount of liquid. Preferably, the second fluid is only gas.
Когда вторая текучая среда является охлаждающей текучей средой, в частности воздухом, предпочтительно, чтобы указанный центр тяжести был расположен выше по направлению потока относительно оси трубки. Когда вторая текучая среда является нагревающей текучей средой, в частности, содержащей продукты сгорания, предпочтительно, чтобы центр тяжести был расположен ниже по направлению потока относительно оси трубки.When the second fluid is a cooling fluid, in particular air, it is preferred that said center of gravity is located higher in the direction of flow relative to the axis of the tube. When the second fluid is a heating fluid, in particular containing combustion products, it is preferred that the center of gravity is located lower in the direction of flow relative to the axis of the tube.
Трубки теплообменника, предназначенные для использования в устройстве, которое соответствует настоящему изобретению, могут быть изготовлены многими различными способами.Heat exchanger tubes for use in a device according to the present invention can be manufactured in many different ways.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
фиг.1 - вид в изометрии, схематически показывающий обычную оребренную трубку теплообменника;Fig. 1 is an isometric view schematically showing a conventional finned heat exchanger tube;
фиг.2 - вид, схематически показывающий поперечный разрез обычной оребренной трубки теплообменника с фиг.1;FIG. 2 is a view schematically showing a cross section of a conventional finned heat exchanger tube of FIG. 1;
фиг.3 - вид, схематически показывающий поперечный разрез первого варианта осуществления оребренной трубки теплообменника, предназначенной для использования в устройстве, которое соответствует изобретению;FIG. 3 is a view schematically showing a cross-section of a first embodiment of a finned heat exchanger tube for use in a device that conforms to the invention;
фиг.4 - вид, схематически показывающий поперечный разрез второго варианта осуществления оребренной трубки теплообменника, предназначенной для использования в устройстве, которое соответствует изобретению;4 is a view schematically showing a cross-section of a second embodiment of a finned heat exchanger tube for use in a device that conforms to the invention;
фиг.5 - вид, схематически показывающий устройство косвенного теплообмена и вентилятор, которые соответствуют изобретению.5 is a view schematically showing an indirect heat exchange device and a fan that are in accordance with the invention.
Когда одинаковые ссылочные позиции используются на различных чертежах, они относятся к одним и тем же или аналогичным объектам.When the same reference numbers are used in different drawings, they refer to the same or similar objects.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На фиг.1 схематически показана обычная оребренная трубка 1 теплообменника. Трубка снабжена ребрами 3 круглого поперечного сечения. Ребра получены путем спирального наматывания полоски металла на внутреннюю трубку 5. Ребра определяют контур 7 круглого поперечного сечения 8. Центр тяжести круга 8 находится в центре 9, который совпадает в этом случае с продольной осью 10 трубки 1. На фиг.2 показано поперечное сечение обычной оребренной трубки 1 теплообменника.1 schematically shows a conventional finned
На фиг.3 схематически показана оребренная трубка 21 теплообменника, предназначенная для использования в устройстве, которое соответствует изобретению. Трубка снабжена ребрами 23, определяющими контур 24, который имеет эллиптическое поперечное сечение 25 и который смещен относительно продольной оси 30 трубки 21, то есть центр 37 тяжести, расположенный на пересечении главной оси 32 и малой оси 33 эллипса, находится на расстоянии от оси 30.Figure 3 schematically shows the
На фиг.4 схематично показан другой вариант осуществления оребренной трубки 41 теплообменника, предназначенной для использования в устройстве, которое соответствует изобретению. Здесь ребра 43 определяют контур 44 круглого поперечного сечения 45. Центр 46 круга 45 расположен на расстоянии от продольной оси 50 трубки 41.Figure 4 schematically shows another embodiment of a finned
На фиг.5 схематически показано устройство 51, соответствующее изобретению и содержащее смещенные оребренные трубки 53 теплообменника, при этом устройство 51 размещено в устройстве 54 с вентилятором 55, которое образует, например, теплообменник с воздушным охлаждением. Устройство в этом примере содержит четыре слоя трубок (если смотреть вдоль направления 58 обдува вентилятора 55), каждый из указанных слоев содержит три или четыре трубки теплообменника. Каждая трубка имеет сторону 60, расположенную выше по направлению потока, и сторону 61, расположенную ниже по направлению потока, при этом при работе вентилятора сторона, расположенная выше по направлению потока, находится ближе к вентилятору 55, чем сторона, расположенная ниже по направлению потока. Оребренные трубки 53 имеют ребра эллиптической формы, расположенные эксцентрично, как описано при обсуждении фиг.3.5 schematically shows a
При работе устройства 54 первая текучая среда проходит по внутренней части 62 трубок 53, вентилятор нагнетает вторую текучую среду (например, воздух) поперек трубок согласно направлению 58 обдува, что делается для осуществления теплообмена между первой и второй текучими средами, то есть для охлаждения воздухом первой текучей среды.When the
Эллиптические ребра расположены неконцентрически, так что центр тяжести их сечения находится ниже оси трубок на фиг.5, со стороны работающего вентилятора.The elliptical ribs are non-concentric, so that the center of gravity of their cross section is below the axis of the tubes in figure 5, from the side of the working fan.
Чтобы сравнить мощности теплопередачи и перепад давления четырехслойной группы оребренных трубок теплообменника, которые соответствуют изобретению, и аналогичной конструкции из обычных круглых оребренных трубок, были выполнены расчеты по вычислительной гидродинамике. Расчеты осуществлялись с использованием так называемого программного обеспечения EFD.Lab.In order to compare the heat transfer capacities and the pressure drop of the four-layer group of finned heat exchanger tubes, which correspond to the invention, and a similar design of ordinary round finned tubes, computational fluid dynamics calculations were performed. The calculations were carried out using the so-called EFD.Lab software.
В модели рассматривались трубки с медной сердцевиной и алюминиевыми ребрами. Температура сердцевины трубки была фиксированной и составляла 100°С. Температура окружающего воздуха оставляла 30°С. Окружающий воздух проходил поперек трубок со скоростью 4 м/с. При расчетах были использованы следующие параметры.The model considered tubes with a copper core and aluminum fins. The temperature of the tube core was fixed at 100 ° C. The ambient temperature left 30 ° C. Ambient air passed across the tubes at a speed of 4 m / s. In the calculations, the following parameters were used.
Размеры оребренных трубок (все примеры):Sizes of finned tubes (all examples):
Чистый внешний диаметр внутренней трубки: 25,4 мм;Pure outer diameter of the inner tube: 25.4 mm;
Толщина ребра: 0,4 мм;Rib thickness: 0.4 mm;
Шаг оребрения (10 ребер/дюйм): 2,54 мм;Finning pitch (10 ribs / inch): 2.54 mm;
Расстояние между ребрами: 2,14 мм;The distance between the ribs: 2.14 mm;
Отношение площади поверхности ребер к площади поверхности трубки: 20;The ratio of the surface area of the ribs to the surface area of the tube: 20;
Размеры группы:Band sizes:
Шаг трубок: 63 мм;Tube pitch: 63 mm;
Угол шахматного расположения: 60 градусов.Checkerboard angle: 60 degrees.
Каждый из 4 слоев содержит несколько трубок.Each of the 4 layers contains several tubes.
Пример 1Example 1
Устройство, соответствующее изобретению, содержит трубки с эллиптическим и смещено расположенным оребрением.The device according to the invention contains tubes with an elliptical and offset offset finning.
Главный диаметр: 74,4 мм;Main diameter: 74.4 mm;
Малый диаметр 42,98 мм;Small diameter 42.98 mm;
Минимальная высота ребра: 10 мм;Minimum rib height: 10 mm;
Максимальная высота ребра: 39 мм;Maximum rib height: 39 mm;
Величина смещения: 15 мм.The amount of displacement: 15 mm.
Сравнительный пример 2Reference Example 2
Устройство, которое не соответствует изобретению и содержит обычные трубки с концентрическим и круглым оребрением.A device that does not correspond to the invention and contains conventional tubes with concentric and round fins.
Высота ребра: 15,88 мм;Rib height: 15.88 mm;
Внешний диаметр контура ребер: 57,15 мм.Outside diameter of rib contour: 57.15 mm.
В примере 1 была достигнута мощность на метр длины оребренной трубки, равная 1366,9 Вт при перепаде давления, равном 101,5 Па. В сравнительном примере 2 мощность была несколько выше: 1505,5 Вт/м, но перепад давлений был гораздо выше, а именно 132,0 Па. Отношение мощности к перепаду давлений было на 18% больше в примере 1, который соответствует изобретению.In Example 1, a power per meter of finned tube length of 1366.9 W was achieved with a pressure drop of 101.5 Pa. In comparative example 2, the power was slightly higher: 1505.5 W / m, but the pressure drop was much higher, namely 132.0 Pa. The ratio of power to differential pressure was 18% higher in example 1, which corresponds to the invention.
Вариант реализации нагревателя, в котором должно быть ослаблено неравномерное коксование, аналогичен варианту с фиг.5, но вместо вентилятора должна быть предусмотрена горелка, и эллиптические ребра должны быть расположены так, чтобы центр тяжести поперечного сечения ребер был расположен над осью трубок с фиг.5, по другую сторону от горелки.An embodiment of a heater in which uneven coking is to be weakened is similar to that of FIG. 5, but a burner must be provided instead of a fan, and elliptical ribs must be located so that the center of gravity of the cross section of the ribs is located above the axis of the tubes of FIG. 5 , on the other side of the burner.
Claims (10)
- обеспечивают наличие устройства косвенного теплообмена по любому из пп.1-6;
- пропускают первую текучую среду по трубкам теплообменного устройства;
- пропускают вторую текучую среду вдоль направления течения поперек устройства косвенного теплообмена, при этом направление эксцентриситета ребер трубок теплообменника параллельно направлению течения второй текучей среды.7. A heat exchange method between a first fluid and a second fluid, in which:
- provide the presence of an indirect heat transfer device according to any one of claims 1 to 6;
- pass the first fluid through the tubes of the heat exchange device;
- pass the second fluid along the flow direction across the indirect heat transfer device, while the direction of the eccentricity of the edges of the tubes of the heat exchanger parallel to the direction of flow of the second fluid.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP07108131 | 2007-05-14 | ||
| EP07108131.9 | 2007-05-14 | ||
| PCT/EP2008/056036 WO2008138988A1 (en) | 2007-05-14 | 2008-05-14 | Indirect heat exchange device and method of exchanging heat |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009146022A RU2009146022A (en) | 2011-06-20 |
| RU2476803C2 true RU2476803C2 (en) | 2013-02-27 |
Family
ID=38626912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009146022/06A RU2476803C2 (en) | 2007-05-14 | 2008-05-14 | Device of indirect heat exchange and heat exchange method |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110000650A1 (en) |
| EP (1) | EP2147274B1 (en) |
| AU (1) | AU2008249955B2 (en) |
| DK (1) | DK2147274T3 (en) |
| RU (1) | RU2476803C2 (en) |
| WO (1) | WO2008138988A1 (en) |
| ZA (1) | ZA200907524B (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11022340B2 (en) | 2016-08-01 | 2021-06-01 | Johnson Controls Technology Company | Enhanced heat transfer surfaces for heat exchangers |
| US11499747B2 (en) * | 2019-10-04 | 2022-11-15 | Rheem Manufacturing Company | Heat exchanger tubes and tube assembly configurations |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB281289A (en) * | 1926-11-26 | 1928-03-15 | Paul Leveque | Improvements in economisers and like heat exchangers |
| NL1019777C1 (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-21 | Hubertus Cornelis Ma Hubregtse | Heat exchanger installation is for cooling and condensing steam liberated during generation of electricity using steam turbine and has feed conduit for steam coming from turbine |
| RU2266486C1 (en) * | 2004-03-26 | 2005-12-20 | Линников Егор Владимирович | Tube row of a gas air cooling apparatus |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2119345A1 (en) * | 1971-04-21 | 1972-11-02 | R. & G. Schmöle Metallwerke, 575OMenden | Finned tube - fin dimensions ensure optimum heat conduction at minimum material usage |
| DE2442420C3 (en) * | 1974-09-05 | 1979-10-31 | Basf Ag, 6700 Ludwigshafen | Desublimator for the production of sublimation products, especially phthalic anhydride, from reaction gases |
| US4440216A (en) * | 1980-02-18 | 1984-04-03 | Lockheed Missiles & Space Company, Inc. | Finned heat exchanger tube |
| NL9301995A (en) * | 1993-11-18 | 1995-06-16 | Dejatech Bv | Fin tube for a heat exchanger. |
| KR20010096496A (en) * | 2000-04-03 | 2001-11-07 | 위성점 | Cooling tube for a heat exchanger |
-
2008
- 2008-05-14 AU AU2008249955A patent/AU2008249955B2/en not_active Ceased
- 2008-05-14 WO PCT/EP2008/056036 patent/WO2008138988A1/en active Application Filing
- 2008-05-14 EP EP08759677A patent/EP2147274B1/en not_active Not-in-force
- 2008-05-14 US US12/599,930 patent/US20110000650A1/en not_active Abandoned
- 2008-05-14 DK DK08759677.1T patent/DK2147274T3/en active
- 2008-05-14 RU RU2009146022/06A patent/RU2476803C2/en not_active IP Right Cessation
-
2009
- 2009-10-27 ZA ZA200907524A patent/ZA200907524B/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB281289A (en) * | 1926-11-26 | 1928-03-15 | Paul Leveque | Improvements in economisers and like heat exchangers |
| NL1019777C1 (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-21 | Hubertus Cornelis Ma Hubregtse | Heat exchanger installation is for cooling and condensing steam liberated during generation of electricity using steam turbine and has feed conduit for steam coming from turbine |
| RU2266486C1 (en) * | 2004-03-26 | 2005-12-20 | Линников Егор Владимирович | Tube row of a gas air cooling apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2147274A1 (en) | 2010-01-27 |
| AU2008249955A1 (en) | 2008-11-20 |
| ZA200907524B (en) | 2010-07-28 |
| EP2147274B1 (en) | 2012-08-15 |
| RU2009146022A (en) | 2011-06-20 |
| AU2008249955B2 (en) | 2011-01-20 |
| DK2147274T3 (en) | 2012-09-03 |
| US20110000650A1 (en) | 2011-01-06 |
| WO2008138988A1 (en) | 2008-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4756585B2 (en) | Heat exchanger tube for heat exchanger | |
| US9891008B2 (en) | Heat exchanger | |
| US7743821B2 (en) | Air cooled heat exchanger with enhanced heat transfer coefficient fins | |
| US20100089560A1 (en) | Heat exchanger | |
| WO1992015831A1 (en) | Optimized offset strip fin for use in compact heat exchangers | |
| JPH0124997B2 (en) | ||
| US20160273840A1 (en) | Tube heat exchanger with optimized thermo-hydraulic characteristics | |
| JPH07167530A (en) | Heat transfer tube for absorber | |
| RU2476803C2 (en) | Device of indirect heat exchange and heat exchange method | |
| US9683791B2 (en) | Condensation enhancement heat transfer pipe | |
| US7913512B2 (en) | Air-heated heat exchanger | |
| US20170241714A1 (en) | Dual pass opposed (reverse) flow cooling coil with improved performance | |
| Kang et al. | Performance comparison of enhanced fin geometries used in fin-and-tube heat exchangers | |
| RU2502930C2 (en) | Double-pipe stream heat exchanger | |
| KR19990074845A (en) | Parallel flow heat exchanger | |
| JP2020139722A (en) | Heat exchanger and cooling structure | |
| WO2015048013A1 (en) | Heat exchanger | |
| RU2266486C1 (en) | Tube row of a gas air cooling apparatus | |
| CN213455097U (en) | Two-dimensional tube for heat exchanger and heat exchanger | |
| CN212457513U (en) | Heat exchanger and air conditioner | |
| RU2283989C2 (en) | Device for air cooling of gas | |
| CN107388636B (en) | Heat exchanger and air conditioner with same | |
| KR20070064957A (en) | Cooling fin for heat exchanger | |
| JPS61190286A (en) | Heat exchanger | |
| RU2039337C1 (en) | Heat exchanging pipe |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130515 |