RU2622340C1 - Vortex heat exchange element - Google Patents

Vortex heat exchange element Download PDF

Info

Publication number
RU2622340C1
RU2622340C1 RU2016128953A RU2016128953A RU2622340C1 RU 2622340 C1 RU2622340 C1 RU 2622340C1 RU 2016128953 A RU2016128953 A RU 2016128953A RU 2016128953 A RU2016128953 A RU 2016128953A RU 2622340 C1 RU2622340 C1 RU 2622340C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pipe
larger diameter
heat
ribs
inner pipe
Prior art date
Application number
RU2016128953A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Сергеевич Кобелев
Сергей Геннадьевич Емельянов
Александра Артемовна Насонова
Антон Евгеньевич Захаров
Максим Игоревич Сошников
Наталья Павловна Григорова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ)
Priority to RU2016128953A priority Critical patent/RU2622340C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2622340C1 publication Critical patent/RU2622340C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • 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

Landscapes

  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

FIELD: heating system.
SUBSTANCE: in a vortex heat exchange element containing rib packs, the distance between the ribs is reduced in each bag. Screw-shaped grooves are made on the vertical surface of each rib of the pack located on the cylindrical pipe of larger diameter. The direction of the tangent screw-shaped groove on the vertical surface of one rib has a clockwise direction, and the direction of the tangent screw-shaped groove on the opposite vertical surface near the positioned rib has a counterclockwise direction.
EFFECT: ensured consistency of heat dissipation capacity of the rib pack during long-term operation.
5 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок реакторостроения.The invention relates to heat engineering and can be used in heat exchangers used in various fields of technology, in particular in regenerative heat exchangers of gas turbine reactor plants.

Известен вихревой теплообменный элемент (см. патент РФ №2376541, МПК F28D 7/10, опубл. 28.12.2009), содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями. При этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по меньшей мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель – на входе в участок, а второй – на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, входы теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла. Причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя.Known vortex heat exchange element (see RF patent No. 2376541, IPC F28D 7/10, publ. 12/28/2009), containing coaxially arranged heat exchange cylindrical pipes of a larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces. In this case, the pipe of larger diameter is divided into sections, at least two swirls of the same or different types are installed inside each pipe, with one swirl at the entrance to the section, and the second at the distance between them, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirl flow at full heat load, in addition, the coolant inlets in each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe are made either on the same side or on opposite sides with respect to the flow movement, echivaya as a countercurrent or direct flow circuit heat transfer movement in the element, wherein the inner tube with cylindrical surfaces made of bimetal. Moreover, the surface material of the inner pipe from the side of the hot coolant has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times higher than the surface material of the inner pipe from the side of the cold coolant.

Недостатком является невозможность эффективного использования нагреваемой при вихревом теплообмене между «горячим» и «холодным» теплоносителями поверхности цилиндрической трубы большего диаметра как источника теплоты для подогрева окружающей среды, например, в системе отопления жилого или промышленного помещения.The disadvantage is the inability to effectively use the surface of a cylindrical pipe of larger diameter heated as a result of vortex heat transfer between “hot” and “cold” heat transfer media as a heat source for heating the environment, for example, in a heating system in a residential or industrial building.

Известен вихревой теплообменный элемент (см. патент РФ №2456522, МПК F28D 7/10, опубл. 20.07.2012), содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по крайней мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель – на входе в участок, а второй – на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, входы теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, причем на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается.Known vortex heat exchange element (see RF patent No. 2456522, IPC F28D 7/10, publ. 20.07.2012), containing coaxially arranged heat exchange cylindrical pipes of larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces, while the pipe of larger diameter is divided into sections, inside each pipe at least two swirlers of the same or different types are installed, with one swirl at the entrance to the section, and the second at the distance between them, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirl flow at full heat load, in addition, the coolant inlets in each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe are made either from the same side or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both countercurrent and direct-flow heat transfer scheme in the element, while the inner pipe with cylindrical surfaces is made of bimetal, and the surface material of the inner pipe from the side of the hot heat carrier has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times higher, em material of the inner surface of the pipe by the cold coolant, wherein in the cylindrical tube of larger diameter on the outer surface at each portion defined by the complete attenuation of the rotary motion swirling flow at full thermal load packages made of ribs, the spacing between the ribs in each packet decreases.

Недостатком является снижение теплоотдающей способности пакета ребер при длительной эксплуатации вихревого теплообменного элемента, особенно в процессе использования для подогрева воды системы отопления жилого или промышленного помещения.The disadvantage is the decrease in the heat transfer capacity of the package of ribs during the long-term operation of the vortex heat-exchange element, especially in the process of using a heating system for a residential or industrial building to heat water.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание при длительной эксплуатации нормированных значений теплоотдачи от вертикальных поверхностей ребер пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра вихревого теплообменного элемента, за счет турбулизации потока подогреваемой воды в межреберном пространстве путем образования микрозавихрений при выполнении на вертикальных поверхностях ребер винтообразных канавок.The technical task of the invention is to maintain, during long-term operation, the normalized values of heat transfer from the vertical surfaces of the ribs of a packet located on a cylindrical pipe of a larger diameter vortex heat exchange element due to turbulence in the flow of heated water in the intercostal space by the formation of micro-eddies when performing helical grooves on the vertical surfaces of the ribs.

Технический результат, обеспечивающий постоянство теплоотдающей способности пакета ребер при длительной эксплуатации, достигается тем, что вихревой теплообменный элемент содержит соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по крайней мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель – на входе в участок, а второй – на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, вход теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, при этом на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается, при этом на вертикальной поверхности каждого ребра пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра, выполнены винтообразные канавки, причем направление касательной винтообразной канавки на вертикальной поверхности одного ребра имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а направление касательной винтообразной канавки на противоположной вертикальной поверхности рядом расположенного ребра имеет направление против хода движения часовой стрелки.The technical result, which ensures the constant heat transfer ability of the package of ribs during long-term operation, is achieved by the fact that the vortex heat exchange element contains coaxially arranged heat exchange cylindrical pipes of larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces, while the pipe of larger diameter is divided into sections, inside each of at least two swirlers of the same or different types are installed, with one swirl at the entrance to the section, and the second at the difference between them, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load, in addition, the coolant inlet to each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe is made either from the same side or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both countercurrent and once-through flow patterns of the coolant in the element, while the inner pipe with cylindrical surfaces is made of bimetal, and the surface material of the inner pipe with side of the hot fluid has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times higher than the material of the surface of the inner pipe from the side of the cold fluid, while on a cylindrical pipe of larger diameter on the outer surface in each section, determined by the total attenuation of the rotational movement of the swirling flow at full heat load, made packages of ribs, and the distance between the ribs in each package is reduced, while on the vertical surface of each edge of the package located on the cylindrical a larger diameter pipe has helical grooves, and the direction of the tangent helical groove on the vertical surface of one rib has a clockwise direction, and the direction of the tangent helical groove on the opposite vertical surface of a nearby rib has a direction counterclockwise.

На фиг.1 представлена принципиальная схема вихревого теплообменного элемента; на фиг.2 – характерное распределение тепловых удельных потоков от периферийных «горячих» слоев холодного и горячего теплоносителей, передаваемых теплопроводностью по толщине внутренней трубы из одноименного материала; на фиг.3 – то же самое, что и на фиг.2, только по толщине внутренней трубы из биметалла; на фиг.4 – вертикальные поверхности рядом расположенных ребер пакета с выполненными винтообразными канавками, касательные которых имеют противоположное направление; на фиг.5 – схемы движения микрозавихрений подогреваемой воды между вертикальными поверхностями ребер пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра.Figure 1 presents a schematic diagram of a vortex heat exchange element; figure 2 - a characteristic distribution of heat specific flows from peripheral "hot" layers of cold and hot heat transferring thermal conductivity through the thickness of the inner pipe of the same material; figure 3 is the same as in figure 2, only the thickness of the inner pipe of bimetal; figure 4 - the vertical surface of the adjacent ribs of the package made with helical grooves, the tangents of which have the opposite direction; figure 5 - motion diagrams of micro-eddies of heated water between the vertical surfaces of the ribs of the package located on a cylindrical pipe of larger diameter.

Вихревой теплообменный элемент содержит соосно расположенные с зазором одна в другой теплообменные трубы 1 и 2. В трубе 2 большего диаметра на входном участке 4 установлен завихритель 3 для обеспечения вращения наиболее тяжелых частиц среды периферийной зоны 5 потока холодного теплоносителя (ХТ), расположенной как на внутренней поверхности 6 трубы 2 большего диаметра, выполненной цилиндрической, так и на наружной поверхности 7 внутренней трубы 1, выполненной также цилиндрической.The vortex heat exchange element contains heat exchange pipes 1 and 2 coaxially arranged with a gap in one another. A swirler 3 is installed in the pipe 2 of larger diameter at the inlet section 4 to provide rotation of the heaviest particles of the medium of the peripheral zone 5 of the cold coolant flow (XT) located both on the inside surface 6 of the pipe 2 of a larger diameter, made cylindrical, and on the outer surface 7 of the inner pipe 1, made also cylindrical.

Труба 2 состоит из двух, по меньшей мере, участков 8 и 9, снабженных патрубками подачи холодного теплоносителя 10 и 11, а от завихрителя 3 на расстоянии, определяемом значением полного затухания вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента, расположены завихрители 12 и 13. Во внутренней трубе 1 завихритель 14 установлен на входном участке 15, при этом от него на расстоянии, определяемом значением полного затухания вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке вихревого теплообменного элемента, размещен второй завихритель 16. При этом все завихрители 3, 12, 13, 14, 16, расположенные в теплообменных трубах 1 и 2, выполнены или одинакового, или разного типов. Внутренняя труба 1 с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал внутренней поверхности имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал наружной поверхности 7 внутренней трубы 1 со стороны холодного теплоносителя. На цилиндрической трубе 2 большего диаметра по внешней поверхности 18 на каждом участке между завихрителями, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока, выполнены пакеты ребер 19, при этом расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается (l1>l2>l3>…>ln). Например, при расположении пакета ребер 19 на участке 8 внешней поверхности 18 цилиндрической трубы 2 после завихрителя 3 расположено ребро 20, а от него на расстоянии l1 расположено ребро 21, а от него на расстоянии l2 расположено ребро 22 и далее до завихрителя 12. Следующий пакет ребер расположен на участке 9 от завихрителя 12 до завихрителя 13 с таким же соотношением расстояний между ребрами (l1>l2>l3>…>ln). В указанной последовательности располагаются остальные пакеты ребер 19, количество которых определяется длиной вихревого теплообменного элемента. На вертикальной поверхности 23, 24 каждого ребра 20, 21 и 22 пакета ребер 19 расположенного на цилиндрической трубе 2 большего диаметра выполнены винтообразные канавки 25 и 26. При этом направление касательной винтообразной канавки 25, выполненной на вертикальной поверхности 23 ребра 20, имеет направление по ходу движения часовой стрелки (см., например, _ стр. 509, Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1969. – 872 с., ил.), а направление касательной винтообразной канавки 26 на противоположной вертикальной поверхности 24 ребра 21 имеет направление против хода движения часовой стрелки и так далее по всему пакету ребер 19.The pipe 2 consists of two at least sections 8 and 9, equipped with cold coolant supply pipes 10 and 11, and from the swirl 3 at a distance determined by the value of the total attenuation of the rotational movement of the swirling flow at full heat load of the vortex heat exchange element, swirls 12 are located and 13. In the inner tube 1, the swirl 14 is installed at the inlet section 15, while at a distance from it, determined by the value of the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load vortex heat exchange element, the second swirler is placed 16. In this case, all swirlers 3, 12, 13, 14, 16 located in the heat exchange tubes 1 and 2 are made of the same or different types. The inner pipe 1 with cylindrical surfaces is made of bimetal, and the material of the inner surface has a thermal conductivity of 2.0-2.5 times higher than the material of the outer surface 7 of the inner pipe 1 from the side of the coolant. Packs of ribs 19 are made on a cylindrical pipe 2 of larger diameter along the outer surface 18 in each section between the swirls, determined by the complete attenuation of the rotational motion of the swirling flow, while the distance between the ribs in each packet decreases (l 1 > l 2 > l 3 >...> l n ). For example, when the package of ribs 19 is located on a portion 8 of the outer surface 18 of the cylindrical pipe 2, after the swirler 3, a rib 20 is located, and a rib 21 is located at a distance l 1 from it, and a rib 22 is located at a distance l 2 from it and further to the swirl 12. The next package of ribs is located in section 9 from the swirler 12 to the swirl 13 with the same ratio of the distances between the ribs (l 1 > l 2 > l 3 >...> l n ). In this sequence are the remaining packages of ribs 19, the number of which is determined by the length of the vortex heat exchange element. On the vertical surface 23, 24 of each rib 20, 21 and 22 of the package of ribs 19 located on the cylindrical pipe 2 of a larger diameter, helical grooves 25 and 26 are made. In this case, the direction of the tangent helical groove 25 made on the vertical surface 23 of the rib 20 has a direction along clockwise movements (see, for example, _ p. 509, M.Ya. Vygodsky, Handbook of Higher Mathematics. Moscow: Nauka, 1969. - 872 p., ill.), and the direction of the tangent helical groove 26 on the opposite vertical surface 24 ribs 21 has directed counterclockwise and so on throughout the package of ribs 19.

Вихревой теплообменный элемент работает следующим образом.Vortex heat exchange element operates as follows.

По мере применения потока подогреваемой воды системы отопления или внутреннего воздуха производственного помещения при конвективном теплообмене в межреберном пространстве пакетов ребер 19, особенно в местах соединения ребер 20, 21, 22 с цилиндрической трубой 2 большего диаметра, образуются «застойные зоны» с пограничным слоем, в котором наблюдается ламинарное движение теплоносителя с преимущественным процессом передачи теплоты лишь теплопроводностью вместо конвективного теплообмена, что значительно уменьшает коэффициент теплопередачи (см., например, стр.160, Исаченко В.П. и др. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с., ил.), и, как следствие, снижается эффективность использования вихревого теплообменного элемента как источника тепловой энергии.As the heated water stream of the heating system or indoor air of the production room is used during convective heat transfer in the intercostal space of the rib packs 19, especially at the junctions of the ribs 20, 21, 22 with a cylindrical pipe 2 of larger diameter, “stagnant zones” with a boundary layer are formed, in which there is a laminar motion of the coolant with the predominant heat transfer process only thermal conductivity instead of convective heat transfer, which significantly reduces the heat transfer coefficient (see, for example, p. 160, V. Isachenko and others. Heat transfer. - M .: Energoizdat, 1981. - 416 p., ill.), and, as a result, the efficiency of using the vortex heat-exchange element as a source is reduced thermal energy.

Для устранения «застойных зон» с ламинарным движением теплоносителя в пограничном слое контакта основания ребер 20, 21, 22 с цилиндрической трубой 2 на вертикальных поверхностях 23 и 24 соответствующих ребер выполнены винтообразные канавки 25 и 26. Подогреваемый теплоноситель (вода системы отопления или внутренний воздух производственного помещения при его конвективном теплообменном нагреве) при движении в межреберном пространстве пакета ребер 19 частично одновременно перемещается как по винтообразным канавкам 25, так и по винтообразным канавкам 26. В связи с тем что перемещение одной части теплоносителя на вертикальной плоскости 23 ребра 20 осуществляется по ходу движения часовой стрелки, а перемещение его другой части на вертикальной плоскости 24 рядом стоящего ребра 21 осуществляется против хода движения часовой стрелки, то в пространстве между ребрами 20 и 21 появляются встречно движущиеся закрученные микропотоки, которые образуют микрозавихрения с резкой турбулизацией пограничного слоя, как в местах соединения ребер 20 и 21 с цилиндрической трубой 2, так и по вертикальным поверхностям 23 и 24. В результате поддерживается нормированное значение коэффициента теплоотдачи за счет турбулизации течения теплоносителя в пограничном слое «застойных зон» пакета ребер 19 (см., например, стр.378, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1980. - 469 с., ил.). Кроме того, устранение образования «застойных зон» предотвращает возможность накопления различных загрязнений, сопутствующих движению обогреваемого теплоносителя (при движении воды системы отопления - это ржавчина, окалина, при нагреве внутреннего воздуха помещений - это твердые частицы пыли, мелкодисперсная влага) как на вертикальных поверхностях 23 и 24, соответствующих ребер 20 и 21, так и на внешней поверхности цилиндрической трубы 2. Это также ухудшает процесс передачи тепловой энергии окружающей среде в связи с переходом процесса теплообмена в тепломассообмен, когда часть тепловой энергии затрачивается на дополнительный нагрев частиц загрязнений, а не на повышение температуры окружающей среды (см., например, стр.323, Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. - М.: Энергия, 1971. - 384 с., ил.). Термодинамическое расслоение XT на «холодный» осевой и «горячий» периферийный слои приводит к наличию на внутренней поверхности 6 трубы 2 большего диаметра пограничного слоя с тяжелыми частицами среды, имеющими более высокую температуру («горячий слой»), чем XT в целом. В результате наблюдается передача теплоты теплопроводностью по толщине цилиндрической трубы 2 с нагревом наружной поверхности 18 до температуры более высокой, чем окружающая среда. Полученный избыток тепла может использоваться как источник тепловой энергии, например, в системе отопления жилого дома или производственного помещения для конвективного обмена с внутренним воздухом.To eliminate “stagnant zones” with laminar motion of the coolant in the boundary layer of the contact of the base of the ribs 20, 21, 22 with a cylindrical pipe 2, helical grooves 25 and 26 are made on the vertical surfaces 23 and 24 of the corresponding ribs. Heated coolant (heating system water or internal production air premises during its convective heat-exchange heating) when moving in the intercostal space of the package of ribs 19 partially partially moves both along the helical grooves 25 and along the helical canal Kam 26. Due to the fact that the movement of one part of the coolant on the vertical plane 23 of the rib 20 is carried out in the clockwise direction, and the movement of its other part on the vertical plane 24 of the adjacent rib 21 is carried out counterclockwise, then in the space between the ribs 20 and 21 counter-rotating swirling microflows appear, which form micro-eddies with sharp turbulence of the boundary layer, both at the junctions of the ribs 20 and 21 with a cylindrical pipe 2, and along a vertical NOSTA 23 and 24. As a result supported the normalized value of heat transfer coefficient due to the turbulence of coolant flow in the boundary layer of "dead zones" package ribs 19 (see., e.g., str.378, VV Nashchokin Technical thermodynamics and heat transfer. - M.: Higher School, 1980 .-- 469 p., Ill.). In addition, the elimination of the formation of “stagnant zones” prevents the possibility of accumulation of various contaminants associated with the movement of the heated coolant (when moving the heating system water it is rust, scale, when heating the indoor air it is solid dust particles, fine moisture) as on vertical surfaces 23 and 24, corresponding ribs 20 and 21, and on the outer surface of the cylindrical pipe 2. This also worsens the process of transfer of thermal energy to the environment due to the transition of the heat heat and mass transfer, when part of the thermal energy is spent on additional heating of the particles of contaminants, and not on increasing the ambient temperature (see, for example, p. 323, P. Choi. Methods for calculating individual heat and mass transfer problems. - M.: Energy, 1971 . - 384 p., Ill.). Thermodynamic stratification of XT into “cold” axial and “hot” peripheral layers leads to the presence on the inner surface 6 of pipe 2 of a larger diameter of the boundary layer with heavy particles of the medium having a higher temperature (“hot layer”) than XT as a whole. As a result, heat transfer by thermal conductivity through the thickness of the cylindrical pipe 2 is observed with the heating of the outer surface 18 to a temperature higher than the environment. The resulting excess heat can be used as a source of thermal energy, for example, in the heating system of a residential building or industrial premises for convective exchange with internal air.

Известно, что наибольшей теплоотдающей способностью обладают поверхности теплообменных аппаратов в виде пластинчатых ребер (см., например, стр.168, Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоиздат, 1968. - 240 с.). Особенностью теплообмена в вихревом теплообменном элементе между закрученными горячим теплоносителем (ГТ) и XT является то, что температура как термодинамически расслоенных слоев, так и температура стенки, а следовательно, и количество теплоты, передаваемой теплопроводностью по толщине стенки трубы 2 большего диаметра, уменьшается на участке от одного из завихрителей (например, завихрителя 3) до полного его затухания (до завихрителя 12).It is known that the surface heat exchangers in the form of plate fins have the greatest heat transfer capacity (see, for example, p.168, Kovalenko L.M., Glushkov A.F. Heat exchangers by intensification of heat transfer. - M.: Energoizdat, 1968. - 240 p. .). A feature of heat transfer in a vortex heat exchange element between swirling hot heat carrier (HT) and XT is that the temperature of both thermodynamically stratified layers and the wall temperature, and therefore the amount of heat transferred by the thermal conductivity along the wall thickness of the pipe 2 of larger diameter, decreases in the area from one of the swirlers (for example, swirl 3) to its complete attenuation (to swirl 12).

Поэтому для поддержания максимальной теплоотдачи по внешней поверхности трубы 2 расположены пакеты ребер, при этом расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается l1>l2>l3>…>ln. Снижение температуры на внешней поверхности 18 трубы 2 в зоне затухания вращающегося потока при передаче тепла в окружающую среду компенсируется увеличением количества пластинчатых ребер вследствие уменьшения расстояния между ними в данной зоне. В результате тепловой поток равномерно распределяется по пакету ребер 19 и осуществляет подогрев контактируемого с внешней поверхностью 18 трубы 2 внутреннего воздуха помещения с максимальной отдачей тепловой энергии, соответствующей условно одинаковой температуре внешней поверхности 18 на участке 8 (или 9 и т.д.) трубы 2 большего диаметра вне зависимости от процесса затухания вращающегося потока. Данное конструктивное решение существенно увеличивает возможности использования вихревого теплообменного элемента. При термодинамическом расслоении ГТ на выходе из завихрителя 14 (соответственно, на последующих завихрителях 16, установленных на определенном расстоянии по ходу движения ГТ во внутренней трубе 1) наблюдается его расслоение на «горячий» периферийный и «холодный» осевой слои (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. - Куйбышев, 1969. - 369 с.). Конвекцией теплота от горячего слоя ГТ (см. фиг.1) передается внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1, и далее посредством теплопроводности осуществляется нагрев по толщине материала внутренней трубы 1. Одновременно XT, проходя завихритель 3 (и завихрители 12, 13, расположенные на расстоянии, определяемом значением полного затухания каждого участка 8, 9 трубы 2 большего диаметра), находящийся внутри трубы 2 большего диаметра, на его выходе также расслаивается на «горячий» периферийный, находящийся в зоне 5, и «холодный» осевой слои, при этом «горячий» слой контактирует с наружной поверхностью 7 внутренней трубы 1, отдавая ей свою теплоту конвекцией и далее теплопроводностью. Потоки ГТ и XT закручиваются и перемешиваются в осевом направлении, одновременно осуществляя и вращательное движение. В связи с интенсивным теплообменом между вращающимся потоком XT в трубе 2 и наружной поверхностью 7 внутренней трубы 1 происходит еще больший нагрев периферийного слоя XT в зоне 5, благодаря чему образуется XT с неоднородным полем плотности, что приводит к непрерывному замещению менее тяжелых частиц XT тяжелыми, и этот процесс продолжается вплоть до затухания вращательного движения потока. В результате при выполнении внутренней трубы 1 из однородного материала с постоянным коэффициентом теплопроводности наблюдается процесс затухания передачи теплоты от ГТ к XT (см. фиг.2) из-за наличия в зоне 5, контактирующей с наружной поверхностью 7, теплового потока, идущего от «горячего» слоя XT, направленного вглубь толщины внутренней трубы 1.Therefore, to maintain maximum heat transfer on the outer surface of the pipe 2 are packages of ribs, while the distance between the ribs in each package decreases l 1 > l 2 > l 3 >...> l n . The decrease in temperature on the outer surface 18 of the pipe 2 in the decay zone of the rotating flow during heat transfer to the environment is compensated by an increase in the number of plate fins due to a decrease in the distance between them in this zone. As a result, the heat flux is evenly distributed over the package of ribs 19 and heats the room in contact with the outer surface 18 of the pipe 2 of the indoor air with the maximum heat output corresponding to the conditionally identical temperature of the outer surface 18 in section 8 (or 9, etc.) of the pipe 2 larger diameter, regardless of the process of attenuation of a rotating stream. This design solution significantly increases the possibility of using a vortex heat exchange element. When thermodynamic separation of the HT at the exit of the swirl 14 (respectively, on subsequent swirls 16 installed at a certain distance along the path of the HT in the inner tube 1), its separation into the “hot” peripheral and “cold” axial layers is observed (see, for example, Merkulov V.P. Vortex effect and its application in industry. - Kuibyshev, 1969. - 369 p.). By convection, the heat from the hot layer of the GT (see Fig. 1) is transferred to the inner surface 17 of the inner pipe 1, and then through the heat conduction, the thickness of the material of the inner pipe 1 is heated. At the same time, XT passes through the swirler 3 (and swirlers 12, 13 located at a distance , determined by the value of the total attenuation of each section 8, 9 of the pipe 2 with a larger diameter) located inside the pipe 2 with a larger diameter, at its output also stratifies into a “hot” peripheral layer located in zone 5 and a “cold” axial layer, with the hot "layer is in contact with the outer surface 7 of the inner pipe 1, giving it its heat by convection and then thermal conductivity. The flows of GT and XT are twisted and mixed in the axial direction, while simultaneously performing rotational motion. Due to the intense heat exchange between the rotating flow of XT in the pipe 2 and the outer surface 7 of the inner pipe 1, an even greater heating of the peripheral layer XT in zone 5 occurs, which results in the formation of XT with an inhomogeneous density field, which leads to the continuous replacement of less heavy XT particles with heavy ones. and this process continues until the rotational motion of the flow attenuates. As a result, when the inner pipe 1 is made of a homogeneous material with a constant coefficient of thermal conductivity, the process of attenuation of heat transfer from GT to XT (see FIG. 2) is observed due to the presence of heat flux coming from “in zone 5 in contact with the outer surface 7” hot "layer XT, directed deep into the thickness of the inner pipe 1.

Таким образом, в результате встречного направления тепловых потоков ГТ и XT количество теплоты, передаваемое теплопроводностью через материал внутренней трубы 1, определяется разностью количеств теплоты

Figure 00000001
и
Figure 00000002
, т.е.
Figure 00000003
. При этом взаимодействие теплоты, передаваемой теплопроводностью и идущей от периферийного потока ГТ
Figure 00000004
, и теплоты, передаваемой конвекцией из зоны 5 и далее передаваемой теплопроводностью от периферийного «горячего» потока XT
Figure 00000005
, осуществляется примерно на средней линии по толщине стенки внутренней трубы 1 (см. фиг.2), т.к. коэффициент теплопроводности стенки внутри трубы 1 постоянен по ее толщине. Как следствие, наблюдаются значительные теплопотери процесса теплопроводности по толщине трубы 1, а это, соответственно, резко снижает эффективность вихревого способа передачи теплоты, что и обуславливает практическое отсутствие использования в промышленности теплообменных аппаратов с вихревым способом теплопередачи.Thus, as a result of the opposite direction of the heat fluxes of GT and XT, the amount of heat transferred by the thermal conductivity through the material of the inner pipe 1 is determined by the difference in the quantities of heat
Figure 00000001
and
Figure 00000002
, i.e.
Figure 00000003
. In this case, the interaction of heat transmitted by thermal conductivity and coming from the peripheral flow of GT
Figure 00000004
, and heat transferred by convection from zone 5 and then transferred by thermal conductivity from the peripheral "hot" flow XT
Figure 00000005
is carried out approximately on the midline along the wall thickness of the inner pipe 1 (see figure 2), because the coefficient of thermal conductivity of the wall inside the pipe 1 is constant in its thickness. As a result, significant heat losses of the heat conduction process over the thickness of the pipe 1 are observed, and this, accordingly, sharply reduces the efficiency of the vortex method of heat transfer, which leads to the practical absence of the use of heat exchangers with a vortex heat transfer method in the industry.

Для устранения данного явления внутренняя труба 1 выполняется из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности λ1, материала внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 со стороны движения ГТ имеет значение в 2,0-2,5 раза выше коэффициента теплопроводности λ2 материала внешней поверхности 7 внутренней трубы 1 со стороны движения XT, при этом толщина каждого из составляющих материалов биметалла имеет равное значение по толщине стенки внутренней трубы 1. Теплота от периферийного «горячего» слоя ГТ передается к внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 с конвекцией и далее теплопроводностью по материалу биметалла с повышенным значением коэффициента теплопроводности и имеет более высокий градиент температур, чем теплота, передаваемая от периферийного потока XT к внешней поверхности 7 внутренней трубы теплопроводностью по материалу биметалла с пониженным значением коэффициента теплопроводности. В этом случае область контакта встречно направленных тепловых потоков смещается в сторону внешней поверхности 7 внутренней трубы 1 и составляет около 20% расстояния от внешней поверхности 7 (см. фиг.3), и это приводит к существенному сокращению теплопотерь, обусловленных направлением теплоты по толщине внутренней трубы 1, что позволяет существенно повысить эффективность использования способа передачи теплоты в рекуперативных теплообменниках, например, с расположением завихрителей внутри полости как трубы 2 с большим диаметром, так и внутри внутренней трубы 1. Оригинальность предлагаемого технического решения достигается тем, что при длительной эксплуатации достигается постоянство коэффициента теплоотдачи процесса теплообмена в пакете ребер, расположенных на цилиндрической поверхности большего диаметра вихревого теплообменного элемента, за счет устранения «застойных зон» с ламинарным пограничным слоем путем выполнения на вертикальных поверхностях рядом расположенных ребер винтообразных канавок, касательные которых имеют противоположное направление. В результате образуются микрозавихрения, приводящие к турбулентному движению подогреваемого теплоносителя в пограничном слое, т.е. ликвидации «застойных зон» и, соответственно, получению нормированного конвективного теплообмена вне зависимости от наличия частиц в движущемся потоке.To eliminate this phenomenon, the inner pipe 1 is made of bimetal in such a way that the thermal conductivity coefficient λ 1 , the material of the inner surface 17 of the inner pipe 1 from the side of the movement of the gas cylinder has a value of 2.0-2.5 times higher than the thermal conductivity coefficient λ 2 of the material of the outer surface 7 the inner pipe 1 from the side of the movement XT, while the thickness of each of the bimetal constituent materials has an equal value along the wall thickness of the inner pipe 1. Heat is transferred from the peripheral “hot” layer of the HT to the inner surface 17 of the inner pipe 1 with convection and further thermal conductivity along the bimetal material with an increased value of the thermal conductivity coefficient and has a higher temperature gradient than the heat transferred from the peripheral flow XT to the outer surface 7 of the inner pipe by thermal conductivity along the bimetal material with a lower value of the thermal conductivity coefficient. In this case, the contact area of the counter-directed heat fluxes is shifted towards the outer surface 7 of the inner pipe 1 and is about 20% of the distance from the outer surface 7 (see Fig. 3), and this leads to a significant reduction in heat loss due to the direction of heat along the thickness of the inner pipe 1, which can significantly increase the efficiency of using the method of heat transfer in recuperative heat exchangers, for example, with the arrangement of swirlers inside the cavity of both pipe 2 with a large diameter and internal inner tube 1. The originality of the proposed technical solution is achieved by the fact that during long-term operation, the heat transfer coefficient of the heat transfer process is constant in a package of ribs located on the cylindrical surface of a larger diameter of the vortex heat exchange element by eliminating “stagnant zones” with a laminar boundary layer by performing on vertical surfaces of adjacent ribs of helical grooves whose tangents are in the opposite direction. As a result, micro-eddies are formed, leading to turbulent motion of the heated coolant in the boundary layer, i.e. elimination of “stagnant zones” and, accordingly, obtaining normalized convective heat transfer regardless of the presence of particles in a moving stream.

Claims (1)

Вихревой теплообменный элемент, содержащий соосно расположенные одна в другой теплообменные цилиндрические трубы большего диаметра и внутреннюю трубу с цилиндрическими поверхностями, при этом труба большего диаметра разделена на участки, внутри каждой из труб установлены, по меньшей мере, два завихрителя одинакового или разного типов, причем один завихритель – на входе в участок, а второй – на расстоянии между ними, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, кроме того, входы теплоносителей в каждый из участков трубы большего диаметра и внутренней трубы выполнены или с одной и той же стороны, или с противоположных сторон по отношению к движению потока, обеспечивая как противоточную, так и прямоточную схему движения теплоносителей в элементе, при этом внутренняя труба с цилиндрическими поверхностями выполнена из биметалла, причем материал поверхности внутренней трубы со стороны горячего теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал поверхности внутренней трубы со стороны холодного теплоносителя, причем на цилиндрической трубе большего диаметра по внешней поверхности на каждом участке, определяемом полным затуханием вращательного движения закрученного потока при полной тепловой нагрузке, выполнены пакеты ребер, причем расстояние между ребрами в каждом пакете уменьшается, отличающийся тем, что на вертикальной поверхности каждого ребра пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра, выполнены винтообразные канавки, причем направление касательной винтообразной канавки на вертикальной поверхности одного ребра имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а направление касательной винтообразной канавки на противоположной вертикальной поверхности рядом расположенного ребра имеет направление против хода движения часовой стрелки.A vortex heat exchange element containing coaxially arranged one another heat transfer cylindrical pipes of larger diameter and an inner pipe with cylindrical surfaces, while the pipe of larger diameter is divided into sections, at least two swirls of the same or different types are installed inside each pipe, one swirler - at the entrance to the site, and the second - at a distance between them, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load, in addition, the input The heat transfer fluids to each of the sections of the pipe of larger diameter and the inner pipe are made either from the same side or from opposite sides with respect to the flow movement, providing both a countercurrent and straight-through flow pattern of the coolant in the element, while the inner pipe is cylindrical the surfaces are made of bimetal, and the surface material of the inner pipe from the side of the hot heat carrier has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times higher than the material of the surface of the inner pipe from the sides packs of ribs are made on a cylindrical pipe of larger diameter on the outer diameter on each section, determined by the total attenuation of the rotational motion of the swirling flow at full heat load, and the distance between the ribs in each bundle decreases, characterized in that on the vertical surface of each rib a package located on a cylindrical pipe of larger diameter, helical grooves are made, and the vertical direction of the tangent helical groove is vertical oh one edge surface has a direction of movement along the clockwise direction and the tangential helical groove on the opposite vertical surface adjacent ribs has a direction counter-clockwise.
RU2016128953A 2016-07-15 2016-07-15 Vortex heat exchange element RU2622340C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016128953A RU2622340C1 (en) 2016-07-15 2016-07-15 Vortex heat exchange element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016128953A RU2622340C1 (en) 2016-07-15 2016-07-15 Vortex heat exchange element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2622340C1 true RU2622340C1 (en) 2017-06-14

Family

ID=59068584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016128953A RU2622340C1 (en) 2016-07-15 2016-07-15 Vortex heat exchange element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2622340C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672229C1 (en) * 2017-10-17 2018-11-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Vortex heat exchange element

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009264643A (en) * 2008-04-24 2009-11-12 Panasonic Corp Heat exchanger
RU2376541C1 (en) * 2008-08-06 2009-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный технический университет" Vortex heat exchange element
DE102009040558A1 (en) * 2009-09-08 2011-03-10 Krones Ag Tubular Heat Exchangers
RU2456522C1 (en) * 2010-11-26 2012-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет"(ЮЗГУ) Vortex heat exchange element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009264643A (en) * 2008-04-24 2009-11-12 Panasonic Corp Heat exchanger
RU2376541C1 (en) * 2008-08-06 2009-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный технический университет" Vortex heat exchange element
DE102009040558A1 (en) * 2009-09-08 2011-03-10 Krones Ag Tubular Heat Exchangers
RU2456522C1 (en) * 2010-11-26 2012-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет"(ЮЗГУ) Vortex heat exchange element

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2672229C1 (en) * 2017-10-17 2018-11-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Vortex heat exchange element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ibrahim et al. A computational study of heat transfer analysis for a circular tube with conical ring turbulators
Zhang et al. Heat transfer and friction in rectangular channels with ribbed or ribbed-grooved walls
US4211277A (en) Heat exchanger having internal fittings
Saha et al. Thermohydraulics of laminar flow of viscous oil through a circular tube having integral axial rib roughness and fitted with center-cleared twisted-tape
Bhattacharyya et al. Thermohydraulics of laminar flow through a circular tube having integral helical rib roughness and fitted with centre-cleared twisted-tape
Vaisi et al. Experimental investigation of geometry effects on the performance of a compact louvered heat exchanger
Faizal et al. Experimental studies on a corrugated plate heat exchanger for small temperature difference applications
Pal et al. Laminar fluid flow and heat transfer through a circular tube having spiral ribs and twisted tapes
Saha et al. Enhancement of heat transfer of laminar flow of viscous oil through a circular tube having integral helical rib roughness and fitted with helical screw-tapes
Pehlivan Experimental investigation of convection heat transfer in converging–diverging wall channels
Roy et al. Thermal and friction characteristics of laminar flow through a circular duct having helical screw-tape with oblique teeth inserts and wire coil inserts
Saha Thermohydraulics of laminar flow of viscous oil through a circular tube having axial corrugations and fitted with centre-cleared twisted-tape
Zheng et al. Analysis of thermal efficiency of a corrugated double-tube heat exchanger with nanofluids
Singh et al. Experimental studies on parallel wavy channel heat exchangers with varying channel inclination angles
Singh et al. The thermal and transport characteristics of nanofluids in a novel three‐dimensional device
Sheikholeslami et al. Experimental study of the influence of perforated circular-ring on pressure loss and heat transfer enhancement using sensitivity analysis
Pal et al. Laminar flow and heat transfer through a circular tube having integral transverse corrugations and fitted with centre-cleared twisted-tape
Mohanty et al. Numerical analysis of double pipe heat exchanger using heat transfer augmentation techniques
Wu et al. Experimental study on the performance of a tree-shaped mini-channel liquid cooling heat sink
Pal et al. Experimental investigation of laminar flow of viscous oil through a circular tube having integral spiral corrugation roughness and fitted with twisted tapes with oblique teeth
RU2622340C1 (en) Vortex heat exchange element
Pandey et al. Experimental investigation of heat transfer and friction factor in a corrugated plate heat exchanger
RU2456522C1 (en) Vortex heat exchange element
Pachegaonkar et al. Performance analysis of double pipe heat exchanger with annular twisted tape insert
Kannan et al. Experimental and analytical comparison of heat transfer in double pipe heat exchanger

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180716