Турбулизирующее устройство для теплообменной трубы

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к конструкции турбулизирующих устройств, и может применяться в теплообменных трубах промышленных прямотрубных теплообменников, используемых в энергетической, металлургической, нефтегазодобывающей, нефтехимической нефтегазоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, пищевой и других отраслях промышленности.

Известно, что параметры турбулентности потока теплоносителя существенно влияют на интенсивность теплоотдачи, поэтому разработка эффективных турбулизирующих устройств, обеспечивающих ускорение перехода от ламинарного течения теплоносителя к турбулентному, является актуальной темой.

Из уровня техники известны турбулизирующие устройства для теплообменных труб, в которых для турбулизация потока жидкости используют спиральные плоские ленты (авторские свидетельства, SU №832299 (23.05.1981 г); №1103068 (15.07.1984 г.) и №1223019 (07.04.1986 г.); патент RU №2334188 (20.09.2008 г.); патент JP (Япония) №200012 (2000 г.); патент RU, №2432542 (27.10.2011 г.); патент RU на полезную модель №181461 (16.07.2018 г.; опубликованные международные заявки, CN (Китай): №206488688, 12.09.2017 г.; №207850161, 11.09.2018 г. и №205607231, 28.09.2018 г.).

Общими недостатками указанных устройств являются:

- высокое гидравлическое сопротивление току жидкости, и, как следствие, ограничения по улучшению теплообмена и росту общей производительности теплообменников;

- возможность засорения теплообменных труб включениями, содержащимися в жидком теплоносителе, приводящее к ухудшению теплообмена. Кроме того, конфигурации спиральных плоских лент в указанных турбулизирующих устройствах, не позволяют эффективно применять их в теплообменниках, имеющих трубные системы с большим количеством теплообменных труб.

Наиболее близким заявляемому изобретению является турбулизирующее устройство для теплообменной трубы, содержащее стыковочный узел и соединенную с ним, с возможностью вращения, спиральную ленту, при этом стыковочный узел включает корпус с заглушкой, имеющий внутри подшипник с валом, выходящим из корпуса, а снаружи - фигурные элементы для фиксации корпуса в трубе (опубликованная международная заявка №205607231, 28.09.2018 г. CN, (Китай), F28F 13/12).

Недостатком прототипа является большое гидравлическое сопротивление, которое снижает эффективность процессов теплообмена. Кроме того, недостатком является то, что, если рабочей средой является загрязненный теплоноситель, то турбулизация (завихрение) потока жидкости не исключает засорения примесями внутренней поверхности теплообменной трубы, которое приводит к снижению интенсификации теплообмена, к увеличению тепловой мощности, используемой на прокачку теплоносителя, к росту габаритов и металлоемкости теплообменных аппаратов. Область применения указанного устройства прототипа ограничена.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого турбулизирующего устройства, которое позволит уменьшить рост гидравлического сопротивления, интенсифицировать процесс теплообмена,

сократить затраты на чистку поверхностей труб и уменьшить масса-габаритные характеристики теплообменников

Техническими результатами заявленного устройства являются снижение роста гидравлического сопротивления, повышение интенсификации теплообмена, причем повышение с равномерным распределением по всей длине теплообменной трубы, а также повышение срока эксплуатации без образования загрязнений по всей длине теплообменной трубы.

Технические результаты достигаются тем, что в известном турбулизирующем устройстве для теплообменной трубы, содержащем стыковочный узел и соединенную с ним с возможностью вращения спиральную ленту, в котором стыковочный узел включает корпус с заглушкой, внутри которого установлен подшипник с валом, выходящим из корпуса, а снаружи - фигурные элементы для фиксации корпуса в трубе, данным изобретением предлагается спиральную ленту выполнить в виде винтового коноида, шаг свивки которого следует определять по формуле:

где:

λ - шаг свивки винтового коноида, м;

(0,05-0,2) - коэффициент, определяющий пределы изменения шага свивки;

π - математическая константа (π=3,14),

ν - скорость потока в теплообменной трубе, м/с;

D - внутренний диаметр теплообменной трубы, м.

Кроме того, в предложенном устройстве предлагается наружный диаметр винтового коноида определять конструктивно и с учетом наличия зазора относительно внутренней стенки теплообменной трубы, обеспечивающего свободное вращение винтовому коноиду, внутренний диаметр винтового коноида определять конструктивно и с учетом ширины ленты винтового коноида, равной 0,25-0,4D и ее толщины, равной 0,9-1,5 мм.

Изобретение иллюстрируется рисунком (Фиг.), где:

схематично представлено турбулизирующее устройство, установленное в теплообменной трубе, общий вид.

Предложенное турбулизирующее устройство для теплообменных труб содержит спиральную ленту 1, представленную в виде винтового коноида; стыковочный узел, включающий корпус 2; заглушку 3; смонтированный внутри корпуса подшипник (поз.не указана); вал 4; фигурные элементы 5 для фиксации корпуса в теплообменной трубе 6.

Устройство работает следующим образом.

Заявленное турбулизирующее устройство может быть использовано как для горизонтальных, так и для вертикальных теплообменных труб. Турбулизирующее устройство устанавливают внутри теплообменной трубы 6 соосно с ней, при этом его винтовой коноид жестко зафиксирован с одной стороны на валу подшипника стыковочного узла. Фиксацию устройства в теплообменной трубе 6 обеспечивают фигурные элементы 5, закрепленные на наружной поверхности корпуса 2 стыковочного узла. Герметизацию корпуса 2 в теплообменной трубе 6 обеспечивает заглушка 3.

Свободное вращение винтового коноида осуществляется при наличии зазора между наружным диаметром (d_нар) и внутренней поверхностью теплообменной трубы 6, посредством подшипника с валом 4 внутри корпуса 2 и при поступлении на витки винтового коноида потока теплоносителя.

Вращение винтового коноида осуществляется без дополнительного источника питания и превращение ламинарного потока в турбулентный осуществляется при скорости вращения винтового коноида, равной 300-1800 об/мин.

При изготовлении винтового коноида шаг свивки определяют по формуле:

где:

λ - шаг свивки винтового коноида, м;

(0,05-0,2) - коэффициент, определяющий пределы изменения шага свивки;

π - математическая константа (π=3,14),

ν - скорость потока в теплообменной трубе, м/с;

D - внутренний диаметр теплообменной трубы, м.

Практически (в промышленных условиях) доказано, что диапазон показателя коэффициента, определяющего пределы изменения шага свивки, а именно (0,05-0,2), является максимальной величиной и сводится к тому, что: при меньшем значении шага свивки (при диапазоне коэффициента, равном 0,05-0,1), вращение винтового коноида происходит с большой угловой скоростью и турбулизацией потока при повышенном гидравлическом сопротивлении потоку и расходе энергии, а большее значение шага свивки (при диапазоне коэффициента, равном 0,1-0,2) вращение винтового коноида происходит с меньшей угловой скоростью и турбулизацией при меньшем гидравлическом сопротивлении потоку и сниженном расходе энергии.

Вычисленный показатель шага свивки по указанной формуле позволяет винтовому коноиду при продольном движении потока теплоносителя центрироваться ему относительно внутренней поверхности трубы.

Корпус 2 стыковочного узла изготавливают из металла аустенитного класса, а винтовой коноид - из высокомолекулярного полимера, который имеет высокие показатели по прочности, жесткости, плотности, износостойкости и по коэффициенту концентрации напряжения.

В винтовом коноиде устройства отсутствует сердечник и при его вращении в потоке теплоносителя достигается минимальное гидравлическое сопротивление, поскольку отсутствует препятствие току воды в области его максимальной скорости - в центре винтового коноида и теплообменной трубы. В результате достигается интенсификация теплообмена, в частности, по сравнению с прототипом повышается коэффициент теплопередачи не менее чем на 20%.

Наружный диаметр (d_ap) винтового коноида определяют методом конструктивного расчета и с учетом необходимости наличия зазора относительно внутренней стенки теплообменной трубы, которое обеспечивает свободное вращение винтовому коноиду. Внутренний диаметр винтового коноида (d_вн.) также определяют методом конструктивного расчета и с учетом ширины ленты винтового коноида, равной 0,25-0,4D, где D - внутренний диаметр стенки теплообменной трубы, и ее толщины, равной 0,9-1,5 мм.

Практически доказано, что указанные значения ширины и толщины винтового коноида и определяемые с их учетом показатели наружного и внутреннего диаметров, являются оптимальными значениями для достижения технических результатов.

При работе устройства, винтовой коноид выполняет три функции: функцию привода, обеспечивающего собственное вращение, функцию улучшения теплообмена и функцию предотвращения отложений загрязнений на поверхности теплообменной трубы.

Функция улучшения теплообмена реализована за счет создания вращающегося коаксиального концентрического слоя воды у внутренней стенки теплообменной трубы и последующего разрушения этого пограничного застойного слоя. Процесс разрушения застойного слоя, в свою очередь, обеспечивает снижение температуры воды в этой наиболее горячей области теплообмена, что реально подтверждает выполнение им функции улучшения теплопередачи.

Выявлено, что при использовании спиральной ленты в виде винтового коноида, разрушение пограничного застойного слоя происходит даже при низких расходах воды через теплообменную трубу за счет сниженного гидравлического сопротивления устройства.

Функция предотвращения отложений загрязнений на поверхности теплообменной трубы и смыва отложений реализована за счет динамического напора от тока охлаждающей воды в пристеночной зоне трубки, созданного вращающимся винтовым коноидом и за счет снижения температуры воды в пристеночном слое, что препятствует выпадению и адгезии солей жесткости (СаСО₃, Mg₂CO₃), обладающих обратной растворимостью - чем выше температура воды, тем растворимость хуже и наоборот.

Таким образом, эффективно удаляются отложения солей жесткости, иловые, грязевые, песчаные заносы; органические отложения и исключается биологическое обрастание поверхностей теплообмена, при этом теплообменная труба сохраняет способность «пропускать» примеси (органический и неорганический мусор), содержащиеся в циркулирующей воде.

Выявлено, что предлагаемое турбулизирующее устройство эффективно работает не только при винтовом выступе коноида, образованным движением прямоугольника, как в заявленном устройстве, но и при вариантах конфигурации винтовой ленты, в случае образования винтового выступа коноида движением квадрата (вершины квадрата движутся по винтовым линиям) и движениями треугольника и трапеции.

Предлагаемое турбулизирующее устройство для теплообменной трубы при простоте выполнения практически доказало решение поставленных задач и обеспечение технических результатов - по сравнению с прототипом коэффициент теплопередачи повышается не менее чем на 20%, уменьшается рост гидравлического сопротивления 40-50% и обеспечивается гарантированное, на всем протяжении несения нагрузки, поддержание теплообменной трубы в исходно-чистом состоянии. К тому же устройство решает задачу повышения срока эксплуатации теплообменной трубы и теплообменного оборудования в целом и существенно может уменьшить их масса-габаритные характеристики.