RU2578788C1

RU2578788C1 - Pipe in pipe type heat exchanger

Info

Publication number: RU2578788C1
Application number: RU2015100637/06A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Шевченко
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-03-27

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: heat exchanger comprises two coaxial tubes, the inner of which consists of alternating converging and diffusing elements provided in the form of lateral surfaces of truncated cones of different lengths interconnected perimeters of large and small bases of the cone, on the outside of which the annular channel formed by the outer side the cone surface and the inner surface of the outer pipe of the heat exchanger is woven metal mesh made of wires with a diameter of 2 mm, placed at an average distance of 2 mm from the outer frustoconical surface of the inner tube.

EFFECT: achieved technical result consists in increasing the heat transfer due to turbulence of flow in the wall region while reducing the hydraulic resistance to the coolant flow.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным устройствам, а точнее к теплообменным аппаратам типа труба в трубе, и может быть использовано в энергетике и транспорте, в частности в судовых теплообменных устройствах.The invention relates to heat exchangers, and more specifically to heat exchangers such as pipe in pipe, and can be used in energy and transport, in particular in ship heat exchangers.

Из предшествующего уровня техники известны теплообменники типа труба в трубе, содержащие наружную трубу для первого теплоносителя с патрубками входа и выхода и замкнутыми на торцах, внутреннюю трубу для второго теплоносителя, также содержащую патрубки для входа и выхода (см. патент RU на полезную модель №125319, кл. МПК F28D 71/10), в котором первый теплоноситель движется внутри кольцевого канала, образованного наружной трубой и внутренней трубой.From the prior art, heat exchangers of the pipe-in-pipe type are known, comprising an outer pipe for a first coolant with inlet and outlet nozzles and closed at the ends, an inner pipe for a second coolant also containing nozzles for inlet and outlet (see RU patent for utility model No. 125319 , class IPC F28D 71/10), in which the first coolant moves inside the annular channel formed by the outer pipe and inner pipe.

Известны также теплообменники, в которых теплоноситель движется по кольцевому каналу типа диффузор-конфузор (см. П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989 - 361 с. (стр. 71-72); Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоиздат, 1987. - 264 с. (стр. 238-239)).Heat exchangers are also known in which the coolant moves along the annular channel of the diffuser-confuser type (see P.I. Bazhan, G.E. Kanevets, V.M. Seliverstov. Handbook of heat exchangers. M: Mechanical Engineering, 1989 - 361 p. . (p. 71-72); V. Migai Modeling of heat-exchange power equipment. L .: Energoizdat, 1987. - 264 p. (p. 238-239)).

Известны также теплообменные трубы, содержащие сопряженные конфузорно-диффузорные участки (см. патент RU 2111432, F28F 1/40, F28F 1/08).Heat transfer tubes containing conjugate diffuser sections are also known (see patent RU 2111432, F28F 1/40, F28F 1/08).

Известны теплообменные пластины, содержащие конфузорно-диффузорные каналы для прохода теплоносителя (авт. свид. SU 1615536, F28F 3/04, F28D 9/00).Known heat transfer plates containing confuser-diffuser channels for the passage of coolant (ed. Certificate. SU 1615536, F28F 3/04, F28D 9/00).

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в интенсификации теплообмена при движении теплоносителя в кольцевом канале теплообменника типа труба в трубе, содержащего внутреннюю трубу, выполненную в виде диффузорно-конфузорных участков.The problem to which the claimed invention is directed, is to intensify heat transfer during movement of the coolant in the annular channel of a pipe-in-pipe heat exchanger containing an inner pipe made in the form of diffuser-confuser sections.

Поставленная задача решается за счет того, что внутренняя труба, содержащая конфузорные и диффузорные элементы, выполненные в виде боковых поверхностей усеченных конусов различной длины, соединенные между собой периметром малых и больших оснований этих конусов, на внешней стороне которых в кольцевом канале, образованном наружными боковыми поверхностями конусов и внутренней поверхностью наружной трубы теплообменника, которая выполняет роль кожуха, расположена тканая металлическая сетка, выполненная из проволок диаметром не более 2 мм, расположенная на среднем расстоянии не более 2 мм от наружной поверхности усеченных конусов. Металлическая сетка выполнена в виде отдельных усеченных конусов, скрепленных между собой металлическими скобами, содержащими термокомпенсационный зазор в месте крепления конусов. Конфузорно-диффузорные элементы сеток выполнены из проволок жаростойкой хромоникелиевой стали с различным коэффициентом живого сечения, изменяющегося как в пределах конфузорно-диффузорных зон, так и по длине теплообменника в целом, причем средний коэффициент живого сечения отдельных элементов сеток возрастает в направлении движения потока, а средний размер ячеек увеличивается. Величина диффузорной части каждого сетчатого элемента больше конфузорной в направлении движения потока и увеличивается предпочтительно не менее чем в два раза. Сетчатые элементы находятся на различном расстоянии от поверхности внутренней трубы и расположены на расстоянии не более толщины динамического пограничного слоя потока теплоносителя. Предпочтительно отдельные сетчатые элементы имеют слабую форму гофрированности, за счет которой выдерживается среднее расстояние расположения сетчатой поверхности по отношению к внешней поверхности внутренней трубы, причем это расстояние не превышает толщины пограничного слоя, т.е. высота гофр не должна быть более удвоенного значения толщины пограничного слоя. При этом выступы гофр находятся в контакте с поверхностью внутренней трубы теплообменника.The problem is solved due to the fact that the inner tube containing confuser and diffuser elements made in the form of lateral surfaces of truncated cones of various lengths, interconnected by the perimeter of the small and large bases of these cones, on the outside of which in the annular channel formed by the outer side surfaces cones and the inner surface of the outer tube of the heat exchanger, which acts as a casing, is a woven metal mesh made of wires with a diameter of not more than 2 mm located at an average distance of not more than 2 mm from the outer surface of the truncated cones. The metal mesh is made in the form of separate truncated cones, fastened together by metal brackets containing a temperature compensation gap at the point of attachment of the cones. The confuser-diffuser elements of the grids are made of heat-resistant chromium-nickel steel wires with different live section coefficients, varying both within the confuser-diffuser zones and along the length of the heat exchanger as a whole, with the average live section coefficient of individual mesh elements increasing in the direction of flow and the average cell size is increasing. The magnitude of the diffuser part of each mesh element is larger than the confuser in the direction of flow and preferably increases by at least two times. The mesh elements are located at different distances from the surface of the inner pipe and are located at a distance of no more than the thickness of the dynamic boundary layer of the coolant flow. Preferably, the individual mesh elements have a weak corrugation shape, due to which the average distance of the mesh surface relative to the outer surface of the inner pipe is maintained, and this distance does not exceed the thickness of the boundary layer, i.e. the height of the corrugations should not be more than twice the thickness of the boundary layer. In this case, the corrugation protrusions are in contact with the surface of the inner pipe of the heat exchanger.

Достигаемый технический результат заключается в дополнительной турбулизации потока в пристенной области при одновременном уменьшении гидравлического сопротивления потока.Achievable technical result consists in additional turbulization of the flow in the wall region while reducing the hydraulic resistance of the flow.

Изобретение поясняется чертежами частного случая выполнения.The invention is illustrated by drawings of a particular case of execution.

На фиг. 1. Теплообменник типа труба в трубе.In FIG. 1. A pipe-in-pipe heat exchanger.

На фиг. 2. Крепление конфузорно-диффузорных элементов между собой.In FIG. 2. Fastening the confuser-diffuser elements to each other.

Теплообменник содержит наружную трубу 1 цилиндрического сечения, вьшолняющую роль кожуха теплообменника, содержащую входной 2 и выходной 3 патрубки для подвода и отвода первого теплоносителя, а также внутреннюю трубу 4, имеющую также входной 5 и выходной 6 патрубки для подвода и отвода второго теплоносителя. Внутренняя труба 4 имеет диффузорно-конфузорные элементы 7 герметично и жестко скрепленные между собой, причем диффузорная зона 8 не менее чем в 2 раза длиннее конфузорной зоны 9. Снаружи диффузорно-конфузорных элементов расположена металлическая сетка, выполненная в виде отдельных конфузорно-диффузорных элементов 10 на расстоянии, не превышающем толщину пограничного слоя движущегося теплоносителя. Коэффициент живого сечения в пределах каждого конфузорно-диффузорного элемента изменяется, причем средний коэффициент живого сечения каждого элемента увеличивается в сторону движения первого теплоносителя. Скрепление диффузно-конфузорных сетчатых элементов 10 выполняется подвижным с термокомпенсационной щелью 11 с помощью металлических скоб 12. Предпочтительно, сетчатая поверхность имеет гофрированность, причем она находится в контакте смежными выступами гофр с наружной поверхностью сплошного конфузорно-диффузорной зоны 7 внутренней трубы 4.The heat exchanger contains an outer pipe 1 of cylindrical cross section, which plays the role of a heat exchanger casing, containing inlet 2 and outlet 3 nozzles for supplying and discharging the first heat carrier, as well as an inner pipe 4, which also has inlet 5 and outlet 6 nozzles for supplying and discharging the second coolant. The inner tube 4 has diffuser-confuser elements 7 hermetically and rigidly bonded to each other, and the diffuser zone 8 is no less than 2 times longer than the confuser zone 9. Outside the diffuser-confuser elements there is a metal mesh made in the form of separate confuser-diffuser elements 10 on a distance not exceeding the thickness of the boundary layer of the moving coolant. The coefficient of living cross section within each confuser-diffuser element varies, and the average coefficient of living cross section of each element increases in the direction of movement of the first coolant. The diffuser-confuser mesh elements 10 are fastened movably with the heat-compensating slot 11 using metal brackets 12. Preferably, the mesh surface is corrugated, and it is in contact with adjacent protrusions of the corrugations with the outer surface of the continuous confuser-diffuser zone 7 of the inner pipe 4.

Сетчатые конфузорно-диффузорные элементы изготавливаются следующим образом. Изготавливаются из полотна тканой металлической сетки цилиндры путем контактной сварки. Длина цилиндров определяется длиной диффузорных или конфузорных элементов. Изготовленный сетчатый цилиндр помещают в пуассон в виде конусов и методом давления изготавливают конфузорную или диффузорную часть элемента. При этом проволоки, расположенные по утку, растягиваются, а проволоки, расположенные по основе, изгибаются, изменяя коэффициент живого сечения и размер ячейки сетки в свету.Mesh confuser-diffuser elements are made as follows. Cylinders are made from a cloth of a woven metal mesh by contact welding. The length of the cylinders is determined by the length of the diffuser or confuser elements. The fabricated mesh cylinder is placed in a poisson in the form of cones and the confuser or diffuser part of the element is made by pressure. In this case, the wires located along the weft are stretched, and the wires located along the base are bent, changing the coefficient of live section and the size of the mesh cell in the light.

Применяя другую металлическую сетку с другим коэффициентом живого сечения и повторяя те же операции, производится другой конфузорно-диффузорный элемент. Конфузоры и диффузоры каждого элемента жестко скрепляются в их минимальном сечении с помощью контактной сварки. При изготовлении теплообменника на внутреннюю трубу конфузорно-диффузорного типа одеваются предварительно разрезанные по длине сетчатые конфузорно-диффузорные элементы, которые скрепляются в зоне разреза с помощью колец, изготовленных из проволоки. Сами сетчатые конфузорно-диффузорные элементы 10 на трубе скрепляются подвижным соединением с помощью металлических скоб 12.Using another metal mesh with a different coefficient of living section and repeating the same operations, another confuser-diffuser element is produced. The confusers and diffusers of each element are rigidly fastened in their minimum cross section by contact welding. In the manufacture of the heat exchanger, the mesh of the confuser-diffuser elements pre-cut along the length of the confuser-diffuser type are worn, which are fastened in the section zone using rings made of wire. The mesh confuser-diffuser elements 10 themselves on the pipe are fastened with a movable joint using metal brackets 12.

Смонтированная таким образом внутренняя труба помещается внутрь наружной и закрепляется на торцах.The inner pipe mounted in this way is placed inside the outer pipe and is fixed at the ends.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При движении первого теплоносителя по кольцевому каналу, образованному внутренней трубой 4 и наружной трубой 1, среда теплоносителя перемещается в щель между сетчатым конфузорно-диффузорным элементом 10, находящимся в области пограничного слоя и поверхностью внутренней трубы 4, и турбулизирует поток. Вследствие принудительной турбулизации величина ламинарного подслоя уменьшается, тем самым увеличивается теплоотдача от внутренней трубы 4 к теплоносителю. При движении первого теплоносителя его средняя по сечению потока температура увеличивается, вследствие чего увеличивается его вязкость. Так как при этом уменьшается плотность, то также увеличивается скорость движения теплоносителя. С увеличением скорости и вязкости возрастает гидравлическое сопротивление, что приводит к уменьшению скорости движения теплоносителя в зоне между металлической сеткой и внешней поверхностью, это уменьшает передачу тепла от внутренней трубы потоку. Следующий по направлению потока диффузорно-конфузорный элемент имеет средний коэффициент живого сечения, больший предыдущего, и обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, вследствие чего скорость в зоне между сетчатым элементом и трубой возрастает, что приводит к увеличению скорости движения теплоносителя, обтекающего проволоки сетки, и соответственно компенсирует уменьшение теплоотдачи за счет увеличения вязкости нагреваемой среды. При нагреве сетчатых конфузорно-диффузорных элементов проволоки сетки удлиняются и сетка деформируется, при этом изменяется расстояние между сеткой и поверхностью трубы. Она выходит за пределы пограничного слоя. Однако вследствие наличия щелей между сетчатыми конфузорно-диффузорными элементами и скоб увеличение размеров сетки не приводит к ее короблению. При наличии гофрированности, сетка упирается выступами гофр в поверхность внутренней трубы, тем самым сохраняя положение и зазор между сетчатым элементом и поверхностью трубы.The operation of the device is as follows. When the first coolant moves along the annular channel formed by the inner pipe 4 and the outer pipe 1, the coolant medium moves into the gap between the mesh confuser-diffuser element 10 located in the boundary layer region and the surface of the inner pipe 4 and turbulents the flow. Due to forced turbulization, the size of the laminar sublayer decreases, thereby increasing heat transfer from the inner pipe 4 to the coolant. When the first coolant moves, its average temperature in the cross section of the flow increases, as a result of which its viscosity increases. Since this decreases the density, the velocity of the coolant also increases. With increasing speed and viscosity, the hydraulic resistance increases, which leads to a decrease in the velocity of the coolant in the zone between the metal mesh and the outer surface, this reduces the transfer of heat from the inner pipe to the flow. The next in the direction of flow diffuser-confuser element has an average coefficient of living cross section greater than the previous one and has a lower hydraulic resistance, as a result of which the speed in the zone between the mesh element and the pipe increases, which leads to an increase in the velocity of the coolant flowing around the wire mesh, and accordingly compensates reduction of heat transfer by increasing the viscosity of the heated medium. When heating the mesh confuser-diffuser elements, the wire mesh is elongated and the mesh is deformed, while the distance between the mesh and the pipe surface changes. It goes beyond the boundary layer. However, due to the presence of gaps between the mesh confuser-diffuser elements and staples, an increase in the size of the mesh does not lead to warpage. In the presence of corrugation, the mesh rests against the corrugations of the corrugations on the surface of the inner pipe, thereby maintaining the position and gap between the mesh element and the pipe surface.

Таким образом, заявленная конструкция теплообменника позволяет интенсифицировать теплоотдачу и более эффективно передавать тепловую энергию от горячего теплоносителя к холодному.Thus, the claimed design of the heat exchanger allows you to intensify heat transfer and more efficiently transfer thermal energy from hot to cold.

Claims

1. Теплообменник типа труба в трубе характеризуется тем, что он содержит две коаксиально расположенные трубы, внутренняя из которых состоит из чередующихся конфузорных и диффузорных элементов, выполненных в виде боковых поверхностей усеченных конусов различной длины, соединенных между собой периметрами малых и больших оснований этих конусов, на внешней стороне которых в кольцевом канале, образованном наружными боковыми поверхностями конусов и внутренней поверхностью наружной трубы теплообменника, находится тканая металлическая сетка, выполненная из проволок диаметром не более 2.0 мм, расположенная на среднем расстоянии не более 2.0 мм от наружной поверхности усеченных конусов внутренней трубы.1. A pipe-in-pipe heat exchanger is characterized in that it contains two coaxially arranged pipes, the inside of which consists of alternating confuser and diffuser elements, made in the form of lateral surfaces of truncated cones of various lengths, interconnected by perimeters of small and large bases of these cones, on the outside of which in the annular channel formed by the outer side surfaces of the cones and the inner surface of the outer pipe of the heat exchanger, there is a woven metal mesh a, made of wires with a diameter of not more than 2.0 mm, located at an average distance of not more than 2.0 mm from the outer surface of the truncated cones of the inner pipe.

2. Теплообменник типа труба в трубе по п. 1, отличающийся тем, что металлическая сетка состоит из отдельных поверхностей в виде отдельных усеченных конусов с различным коэффициентом живого сечения, возрастающим по направлению движения потока.2. A pipe-in-pipe type heat exchanger according to claim 1, characterized in that the metal mesh consists of separate surfaces in the form of individual truncated cones with different coefficient of living section, increasing in the direction of flow.

3. Теплообменник типа труба в трубе по п. 2, отличающийся тем, что сетки соединены между собой с термокомпенсационными зазорами с помощью металлических скоб.3. A pipe-in-pipe heat exchanger according to claim 2, characterized in that the grids are interconnected with thermal expansion gaps using metal brackets.

4. Теплообменник типа труба в трубе по п. 2, отличающийся тем, что поверхности сетчатых металлических конусов находятся на среднем расстоянии от сплошной внутренней трубы не более толщины пограничного слоя.4. A pipe-in-pipe heat exchanger according to claim 2, characterized in that the surfaces of the mesh metal cones are located at an average distance from the continuous inner pipe of not more than the thickness of the boundary layer.

5. Теплообменник типа труба в трубе по п. 1, отличающийся тем, что металлическая сетка выполнена в виде гофрированной поверхности с выступами гофр, находящимися в непосредственном контакте с внутренней трубой теплообменника, а высота гофр составляет не более удвоенного значения толщины пограничного слоя. 5. A pipe-in-pipe heat exchanger according to claim 1, characterized in that the metal mesh is made in the form of a corrugated surface with corrugations protrusions that are in direct contact with the inner tube of the heat exchanger, and the height of the corrugations is not more than twice the thickness of the boundary layer.