Вихревой теплообменный элемент

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок реакторостроения.

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.

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.

Известен вихревой теплообменный элемент (см. патент РФ №2622340 МПК F28D 7/10, F28F 1/12, опубл. 14.06.2017. Бюл. №17) , 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, кроме того на вертикальной поверхности каждого ребра пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра, выполнены винтообразные канавки, причем направление касательной винтообразной канавки на противоположной вертикальной поверхности рядом расположенного ребра имеет направление против хода движения часовой стрелки.

Недостатком является уменьшение энергетической эффективности поверхности теплообмена пакета ребер при передаче тепловой энергии нагреваемому теплоносителю, особенно воды в системе отопления производственного помещения с наличием в ней твердых загрязнений в виде ржавчины и окалины, которые закупоривают лопасти винтообразных канавок, что способствует переходу в пограничном слое конвективного теплообменника из турбулентного движения потока в ламинарный со снижением теплоотдающей способности вихревого теплообменного элемента.

Технической задачей предполагаемого изобретения является обеспечение постоянства энергетической эффективности поверхности теплообмена пакета ребер в изменяющихся условиях концентрации твердых загрязнений в нагреваемом теплоносителе при поддержании турбулизации в пограничном слое путем устранения закупоривания лопастей криволинейных канавок твердыми частицами. Это достигается за счет скорейшего перемещения твердых частиц загрязнений вследствие выполнения кривизны криволинейных канавок по линии циклоида как брахистохрона, а полостей в виде ласточкина хвоста.

Технический результат, обеспечивающий постоянство теплоотдающей способности пакета ребер при наличии твердых частиц загрязнений в нагреваемом теплоносителе достигается тем, что 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, кроме того на вертикальной поверхности каждого ребра пакета, расположенного на цилиндрической трубе большего диаметра, выполнены винтообразные канавки, причем направление касательной винтообразной канавки на противоположной вертикальной поверхности рядом расположенного ребра имеет направление против хода движения часовой стрелки, при этом кривизна винтообразных канавок выполнена по линии циклоида как брахистохрона, а полости имеют вид ласточкина хвоста.

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; на фиг. 6 – кривизна криволинейных канавок по линии циклоида как брахистохрона; на фиг. 7 – полость криволинейных канавок в виде ласточкина хвоста.

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.

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>…>l_n). 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>…>l_n). 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. Кривизна винтообразных канавок 25 и 26 выполнена по линии 27 и 28 циклоида или брахистохрона, а полость 29 каждой винтообразной канавки 25 и 26 имеет вид ласточкина хвоста.

Вихревой теплообменный элемент работает следующим образом.

Перемещение нагреваемого теплоносителя, например, воды в системе отопления производственного или жилого помещения по трубопроводам и элементам арматуры приводит к образованию твердых частиц ржавчины и окалины, которые в процессе движения в полостях 29 криволинейных канавок 25 и 26, сталкиваясь друг с другом, укрупняются и закупоривают полости 29. Это обусловлено тем, что твердые частицы медленно, за счет только центробежных сил закрученного потока, движутся от начала (точка А) к концу (точка В) криволинейных канавок 25 и 26. В процессе закупоривания полостей 28 твердые частицы вытесняются в объем нагреваемого теплоносителя, что приводит к возрастанию концентрации загрязнений. В результате поверхности 23, 24 каждого ребра 20, 21 и 22 пакета ребер 19 становятся плоскими, т.е. отсутствует эффект завихрения и, как следствие, не происходит турболизация потока в пограничном слое и, соответственно, уменьшается энергетическая эффективность поверхности теплообмена пакета ребер 19.

При выполнении кривизны криволинейных канавок 25 и 26 по линии 27 и 28 циклоида как брахистохрона твердые частицы за кратчайшее время (под действием центробежных сил и силы тяжести), т.е. с максимальной скоростью, перемещаются из точки А в точку В каждой криволинейной канавки 25 и 26 с центром кривизны в точке 12 (см., например, стр.802 Некоторые замечательные кривые. М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1965. – 872 с., ил.). А выполнение полостей 29 в виде ласточкина хвоста предотвращает выталкивание твердых частиц в объем нагреваемого теплоносителя с последующим изменением концентрации загрязнений и ухудшением теплообменного процесса передачи тепловой энергии (см., например, стр.192, П.В.Цой. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. – М.: Энергия, 1971. – 384с., ил.).

В результате выполнения криволинейных канавок 25 и 26 с кривизной по линии 27 и 28 циклоида как брахистохрона с полостями 29 в виде ласточкина хвоста обеспечивается поддержание нормированной теплоотдающей способности поверхностей 23 и 24 пакета ребер 19 при длительной эксплуатации вихревого теплообменного элемента с наличием изменяющейся концентрации твердых частиц загрязнений в нагреваемом теплоносителе.

По мере перемещения 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. – 416с., ил.) и, как следствие, снижается эффективность использования вихревого теплообменного элемента как источника тепловой энергии.

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 канавка 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 по 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. – 469с., 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 – 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. Термодинамическое расслоение ХТ 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 ХТ 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.

Известно, что набольшей 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. – 240с.). Особенностью теплообмена в вихревом теплообменном элементе между закрученными горячим теплоносителем (ГТ) и ХТ 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).

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>…>l_n. 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. – 369с.). Конвекцией теплота от горячего слоя ГТ (см. фиг.1) передается внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1, а далее посредством теплопроводности осуществляется нагрев по толщине материала внутренней трубы 1. Одновременно ХТ, проходя завихритель 3 (и завихрители 12, 13, расположенные на расстоянии, определяемом значением полного затухания каждого участка 9, 9 трубы 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 ХТ закручиваются и перемешиваются в осевом направлении, одновременно осуществляя и вращательное движение. В связи с интенсивным теплообменом между вращающимся потоком ХТ в трубе 2 и наружной поверхностью 7 внутренней трубы 1 происходит еще больший нагрев периферийного слоя ХТ в зоне 5, благодаря чему образуется ХТ с неоднородным полем плотности, что приводит к непрерывному замещению менее тяжелых частиц ХТ с 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 ХТ (см. фиг.2) из-за наличия в зоне 5, контактирующей с наружной поверхностью 7, теплового потока, идущего от «горячего» слоя ХТ, направленного вглубь толщины внутренней трубы 1.

Таким образом, в результате встречного направления тепловых потоков ГТ и ХТ количество теплоты, передаваемое теплопроводностью через материал внутренней трубы 1, определяется разностью количеств теплоты и , т.е. . При этом взаимодействие теплоты, передаваемой теплопроводностью и идущей от периферийного потока ГТ (), и теплоты, передаваемой конвекцией из зоны 5 и далее передаваемой теплопроводностью от периферийного «горячего» потока ХТ (), осуществляется примерно на средней линии по толщине стенки внутренней трубы 1 (см. фиг.2), т.к. коэффициент теплопроводности стенки внутри трубы и постоянен по ее толщине. Как следствие, наблюдается 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.

Для устранения данного явления внутренняя труба 1 выполняется из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала внутренней поверхности 17 внутренней трубы 1 со стороны движения ГТ имеет значение в 2,0-2,5 раза выше коэффициента теплопроводности материала внешней поверхности 7 внутренней трубы 1 со стороны движения ХТ, 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 ХТ 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. фиг3), 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 в условиях изменяющейся концентрации твердых частиц в виде ржавчины и окалины, образующихся в нагреваемом теплоносителе при длительной эксплуатации системы отопления производственного или жилого помещения обеспечивается тем, что достигается постоянство энергетической эффективности вихревого теплообменного элемента за счет скорейшего перемещения загрязнений в полостях в виде ласточкина хвоста криволинейных канавок, кривизна которых выполнена по линии циклоида как брахистохрона.